Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

48
1 Ministerul Educatiei al Republicii Moldova Universitatea Tehnica a Moldovei Facultatea Calculatoare, Informatica si Microelectronica Catedra Microelectronica si Inginerie Biomedicala Disciplina: Modelarea sistemelor biomedicale Raport Tema: Pachete de modelare a sistemelor biomedicale A efectuat : studentul grupei ISBM-111 Ciumac Fiodor A verificat: Conf. univ., dr. Pocaznoi Ion Chisinau 2013

Transcript of Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

Page 1: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

1

Ministerul Educatiei al Republicii Moldova

Universitatea Tehnica a Moldovei

Facultatea Calculatoare, Informatica si Microelectronica

Catedra Microelectronica si Inginerie Biomedicala

Disciplina: Modelarea sistemelor biomedicale

Raport Tema: Pachete de modelare a sistemelor biomedicale

A efectuat : studentul grupei ISBM-111

Ciumac Fiodor

A verificat: Conf. univ., dr.

Pocaznoi Ion

Chisinau 2013

ПК
Typewriter
ПК
Typewriter
ПК
Typewriter
ПК
Typewriter
Page 2: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

2

Cuprins:

Lucrare nr.1

1. Mediul de modelare AnyLogic

1.1. Istoria de dezvoltare a pachetului AnyLogic

1.2. AnyLogic si Java

1.3. AnyLogic ca limbaj de simulare

1.4. Librarii AnyLogic

1.5. Simularea batailor inimii

1.6. Modelul matematic al deplasarii sângelui într-un vas sangvin izotropic elastic

1.7. Modele de simulare in AnyLogic

1.7.1. Agent bazat pe model epidemic

1.7.2. Boli cardiovasculare

Lucrare nr.2

2. Mediul de modelare BioUML

2.1. Introducere

2.2. Conceptele principale si posibilitatile BioUML

2.2.1. Modelare vizuala

2.2.2. Modelare Meta

2.2.3. Diagrama de tip

2.2.4. Motor de simulare

2.2.5. Baze de date

2.2.5.1. Interfata cu utilizatorul

2.2.5.2. Baze de date de import

2.2.5.3. Cautare text

Lucrare nr.3

3. Sisteme de modelare a circulatiei sangvine (Samara-dialog)

3.1. Introducere

3.2. Obiectul supus modelarii

3.3. Scopul si destinatia programului

3.4. Modelul mathematic

3.5. Submodele descries

3.5.1. Modelul schimbului de oxigen

3.5.2. Modelul sistemului circulator

3.5.2.1. Modelul arterelor in circuitul mare

3.5.2.2. Modelul arterelor in circuitul mic

3.5.2.3. Modelul venelor in circuitul mare

3.5.2.4. Modelul venelor in circuitul mic

3.5.2.5. Modelul capilarelor in circuitul mare

3.5.2.6. Modelul capilarelor in circuitul mic

3.5.3. Parametrii sistemului circulator si sensul lor

Concluzie

ПК
Typewriter
ПК
Typewriter
ПК
Typewriter
ПК
Typewriter
Page 3: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

3

Lucrarea nr. 1

1. Mediul de modelare AnyLogic

1.1. Istoria de dezvoltare a pachetului AnyLogic

AnyLogic

AnyLogic este o aplicație de modelare a simulărilor de tip multi-metodă dezvoltată de XJ

Technologies.

La începutul anilor ’90 s-a manifestat un interes semnificativ pentru abordarea

matematică în cazul modelării și simulării proceselor paralele. Această abordare poate fi

aplicată la analiza acurateței programelor paralele și distribuite. Grupul de cercetare

Distributed Computer Network (DCN) din cadrul Universității Tehnice din Sankt

Petersburg a dezvoltat un astfel de sistem de software în vederea analizei acurateței

programelor; noua aplicație fost denumită COVERS (Concurrent Verification and

Simulation). Acest sistem permitea notația grafică a modelării structurii și

comportamentului sistemului. Această aplicație a fost dezvoltată în cadrul cercetarea

pentru Hewlett Packard (?).

În 1998, succesul acestei cercetări a inspirat laboratorul DCN să înființeze o companie

având ca scop dezvoltarea unui software de simulare de nouă generație. În cursul

dezvoltării s-a pus accent pe metodele folosite: simulare, analiza performanței,

comportamentul sistemelor stohastice, optimizare și vizualizare. Noul software lansat în

2000 se baza pe cele mai noi realizări ale tehnologiei informației: o abordare orientată

spre obiect, elemente din limbajul standard UML, folosirea limbajului Java, un GUI

modern, etc.

Fig.1 Trei abordări ale simulării unei întreprinderi

Aplicația a fost numită AnyLogic, deoarece era compatibilă cu toate cele trei

binecunoscute abordări de modelare:

Dinamica sistemelor,

Simulare bazată pe evenimente discrete,

Modelare bazată pe agenți .

Page 4: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

4

Orice combinație a acestor trei abordări în cadrul unui singur model.. Prima versiune

AnyLogic a fost AnyLogic 4, deoarece numerotarea a fost continuată de la COVERS

3.0.

Apariția AnyLogic 5 în 2003 a reprezentat un mare pas înainte. Se axa pe simularea

întreprinderilor din următoarele domenii:

Marketing și concurență,

Sănătate publică ,

Industrie,

Rețele de aprovizionare ,

Logistică,

Piața de retail,

Procese de producție,

Dinamică socială și de ecosistem,

Apărare,

Managementul proiectelor și al achizițiilor,

Infrastructră IT,

Dinamica fluxului de persoane și simularea traficului [14]

,

Industria aeronautică.

Industria fotovoltaică

Cea mai recentă versiune, AnyLogic 6, a fost lansată în 2007. Platforma pentru mediul de

dezvoltare al modelelor AnyLogic 6 este Eclipse. AnyLogic 6 este un software de

simulare de tipmultiplatformă deoarece rulează pe Windows, Mac OS and Linux.

AnyLogic - singurul instrument de modelare imitationala (MI) care sprijina

toatedemersurile pentru crearea de modele de simulare: un proces orientat (eveniment

discret), sistem dinamic și agent, precum și orice combinație a acestora. Unicitatea,

flexibilitatea și puterea unui limbaj de modelare AnyLogic permite sa ia în considerare

orice aspect al sistemului simulat, la orice nivel de detaliere. Interfața grafica AnyLogic,

instrumentele și bibliotecile permit de a crea rapid modele pentru o gama larga de

aplicatii de simulare de producție, logistica, modele de proces de afaceri pentru

dezvoltarea strategica a companiei și a piețelor. Posibilitatile instrumentului AnyLogic:

-permite posibilitatea de utilizare a modelelor deja existente precum si crearea

modelelor proprii.

-dezvoltare modelelor bazate pe agenți, dinamica sistemului, evenimente discrete si

continue precum si modele dinamice de sistemîn orice combinație.

-AnyLogic sprijina integrarea perfecta asimularilor discreteși continue.

-mediul Java suporta extensibilitate nelimitata, incluzînd codul personalizat,

bibliotecile, precum și alte surse de date externe.

-include abilitatea de a crea animații interactive pentru a îmbunatați vizibilitatea

unor modele.

AnyLogic permite simplificarea esentiala a procesului de elaborare a modelelor si

analiza acestora. Instrumentul de programare reprezinta conceptul deobiect – orientat.

Page 5: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

5

Mediul grafic de modelare AnyLogic sustine etapele de:

-proiectare,

-elaborare,

-documentare a modelului,

-efectuarea experientelor de calcul computerizat si,

-diferite forme de analiza – de la analiza sensibilitatii pîina la optimizarea

parametrilor modelului în conformitate cu oarecare criterii.

1.2. AnyLogic și Java

AnyLogic cuprinde un limbaj de modelare grafică și de asemenea permite utilizatorului

extinderea modelelor de simulare folosind cod Java. Caraterul Java al aplicației

AnyLogic avantajează atât specificarea extensiilor modelelor prin codare Java, cât și

crearea de applet-uri Java, care pot fi deschise în orice browser obișnuit. Aceste applet-

uri facilitează împărtășirea și plasarea modelelor AnyLogic pe pagini web. Versiunea

Professional permite pe lângă applet-uri Java și crearea de aplicații Java de sine

stătătoare, care pot fi distribuite utilizatorilor. Aceste aplicații Java pot constitui baza

pentru aplicații de suport al deciziilor.

Fig.2 Modelarea simulărilor de tip multi - metodă

În ce măsură corespund abordările de simulare nivelului de abstractizare

Modelele AnyLogic pot fi bazate pe oricare din principalele paradigme de modelare a

simulării: cu evenimente discrete sau orientată pe proces (DE), bazată pe dinamica

sistemelor (SD) și bazată pe agenți (AB).

Simularea bazată pe dinamică de sistem și cea cu evenimente discrete sunt abordări

tradiționale de simulare, cea bazată pe agenți este nouă. Practic, abordarea bazată pe

dinamica de sistem este orientată în special spre procese continue, în timp ce modelele

sistemelor “cu evenimente discrete” (prin care se înțeleg toți descendenții GPSS,

cunoscută și sub denumirea de abordare orientată pe procesul de simulare) și bazate pe

agenți, operează îndeosebi în timp discret, ca de ex. sar de la un eveniment la celălalt.

Simularea bazată pe dinamica sistemelor și cea cu evenimente discrete au fost predate în

cadrul universităților unor grupuri foarte diferite de studenți, și anume ingineri

Page 6: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

6

de management și economie, industrial și de cercetare operațională. Astfel, s-au conturat

două comunități distincte de specialiști care nu comunică niciodată între ele.

Modelarea bazată pe agenți era până de curând considerată un subiect pur academic. Cu

toate acestea, cererea tot mai mare pentru optimizarea globală a întreprinderilor a

determinat modelatori importanți să se orienteze spre abordări combinate, pentru o mai

bună înțelegere a proceselor interdependente complexe, care pot avea caracteristici foarte

diferite.

În ce măsură corespund abordările de modelare nivelului de abstractizare. Modelarea

bazată pe dinamica sistemelor, ocupându-se cu agregate, se folosește în mod evident la

cel mai înalt nivel de abstractizare. Modelarea cu evenimente discrete se folosește la

nivel scăzut până la mediu de abstractizare. În ceea ce privește modelarea bazată pe

agenți, această tehnologie este folosită la toate nivelurile de abstractizare, iar agentul

poate modela obiecte de naturi și mărimi diverse : la nivel “fizic“ agenții pot fi de ex.

trecători, autovehicule sau roboți, la nivel mediu – clienți, la cel mai înalt nivel –

companii concurente.

AnyLogic permite modelatorului să combine aceste abordări de simulare în cadrul

aceluiași model. Nu există o ierarhie prestabilită. Astfel, de exemplu, se poate crea

modelul unei industrii de transport de marfa, unde transportatorii sunt modelati ca agenți,

care acționează și reacționeză independent. În același timp funcționarea internă a

transportului și infrastructura retelelor lor poate fi modelată cu o simulare folosind

evenimente discrete. Asemănător, se pot modela consumatorii ca agenți, al căror

comportament agregat alimentează un model de dinamică de sistem, captând fluxuri

precum încasări sau cheltuieli, care nu trebuie legate individual de agenți. Abordarea

limbajului combinat este aplicabilă direct în cazul unei arii largi de probleme complexe

de modelare, care pot fi modelate cu una din oricare dintre abordări, deși cu

compromisuri.

1.3. AnyLogic ca limbaj de simulare

Page 7: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

7

Fig.3 Constructii de simulare bazate pe limbajul de modelare AnyLogic

Limbajul de simulare AnyLogic este alcătuit din următoarele elemente:

Diagramele de stoc și de flux sunt folosite pentru modelarea dinamicii sistemelor.

Diagramele de stare sunt folosite mai ales la modelarea bazată pe agenți pentru a

defini comportamentul agenților. Se folosesc de asemenea la modelarea cu

evenimente discrete, de ex. pentru a simula avaria mașinilor.

Diagramele de activitate se folosesc pentru definirea algoritmilor. Pot fi folosite la

modelarea cu evenimente discrete, de ex. pentru direcționarea apelurilor, sau în

modelarea bazată pe agent, de ex. pentru logica de decizie a agenților.

Diagramele de flux de proces sunt construcția de bază folosită pentru definirea

proceselor în cazul modelării cu evenimente discrete. Privind această diagramă de

flux putem observa de ce abordarea cu evenimente discrete este adesea numită

orientată pe proces.

Limbajul include de asemenea: construcții de modelare de nivel scăzut (variabile, ecuații,

parametri, evenimente, etc.), figuri pentru animație (linii, elipse, etc.) modalități de

analiză (seturi de date, histograme, diagrame), aplicații de conectivitate, imagini standard

și structuri de experiment.

1.4. Librării AnyLogic

AnyLogic cuprinde următoarele librării standard:

Enterprise Library a fost proiectată pentru a sprijini simularea DE în domenii

precum industrie, rețele de aprovizionare, logistică și sănătate publică. Folosind

obiectele Enterprise Library se pot modela sisteme reale sub formă de entități

(tranzacții, clienți, produse, componente, vehicule, etc.), procese (secvențe de

operațiuni care în mod caracteristic implică șiruri de așteptare, întârzieri, utizare de

resurse) și resurse. Procesele sunt specificate sub formă de diagrame de flux.

Pedestrian Library este dedicată simulării fluxului de trecători într-un mediu “fizic”.

Permite crearea unor modele de clădiri intens circulate (precum stații de metrou,

puncte de control etc.) sau străzi (număr mare de trecători). Modelele permit

colectarea de statistici despre densitatea trecătorilor în diferite zone. Acest lucru

asigură o perfomanță satisfăcătoare a punctelor de lucru cu încărcătură ipotetică,

estimează durata de staționare în anumite zone și detectează eventuale probleme

legate de geometria internă - cum ar fi efectele adăugării prea multor obstacole – și

alte aplicații. În modelele create cu Pedestrian Library, trecătorii se mișcă în spațiu

continuu, reacționând atât la diferite tipuri de obstacole (pereți, zone diferite) cât și la

alți trecători. Trecătorii sunt simulați sub forma unor agenți care interacționează,

caracterizați prin comportament complex, însă AnyLogic Pedestrian Library oferă o

interfață de nivel mai ridicat pentru crearea rapidă a modelelor de trecători sub formă

de diagrame de flux.

Page 8: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

8

Rail Yard Library permite modelarea, simularea și vizualizarea operațiunilor unei

căi ferate de orice complexitate și dimensiune. Acest model de cale ferată poate fi

combinat cu modele cu evenimente discrete sau bazate pe agent în funcție de:

încărcare și descărcare, alocarea resurselor, mentenanță, procese de producție și alte

activități de transport.

1.5. Simularea batailor inimii:

Este nevoie de simulat bataile inimii dupa formula dx/dt=(x-x3-b)/p si db/dt=x-x0 unde x

raza inimii, b variabila de timp, p parametru

1. Se deschide mediul de simulare AnyLogic si se formeaza un nou model

2. Interfata de lucru se imparte in mai multe zone

a. Zona ierarhica unde se prezinta ierarhia modelului nostrum

b. Zona grafica unde se construieste modelul

c. Paleta zona unde sunt atasate toate utilitele necesare

d. Zona de modificare a proprietatilor unde putem introduce denumiri a variabilelor

sau alte utilite introduce formule de lucru sa oforma o legatura intre grafice si

aceste variabile etc.

e. Zona de indicare a erorilor.

Page 9: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

9

3. Din paleta in subdiviziunea dinamica sistemului tragem pe zona de lucru

entitatea in care vom introduce variabila x

In zona parametrilor denumim entitatea ca x introducem valoarea initiala x0

si introducemformula de lucru (x-x3-b)/p

4. In caz de necesitate putem introduce un comentariu, pentru asta intram in paleta in

subdiviziunea prezentare si alegem text. Daca dorim parametrii textului pot fi

modificati in zona parametrilor

Introducem variabila b careia ii atribuim valoarea initiala 0 si formula de lucru x –x0

si dupa aceia unim intre sine entitatile cu sageti

Introducem si valoarea initiala x0 careia ii atribuim valoarea normala 0.5 si

parametrul p cu valoarea normala 0.01

Page 10: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

10

5. Pentru o vizualizare mai avansata introducem grafice pentru aceasta intram in paleta

in subdiviziunea statistica si alegem grafice de timp

Le tragem pe zona de lucru dupa care in zona parametrilor introducem valoarea pe

care o va prezenta

6. Pentru a vedea o evolutie in timp a sistemului putem introduce o imagine in zona de

lucru in zona parametrilor reprezentind dimensiunea figurii ca o functie de x

Page 11: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

11

7. Pentru a vedea mai multe variatii posibile putem modifica parametrii in timpul

simularii de aceea alegem un slider careia ii atribuim parametrul p si intervalul lui de

variatie 0.01 la 0.5

8. Pentru a porni simularea apasam pe tasta Pornire si apare interfata de simulare pe

care apasam iarasi pornire

Page 12: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

12

9. Acum putem vizualiza simularea batailor inimii si in caz ca dorim putem mari si

micsora viteza sistemului:

10. In caz ca nu sau introdus grafice putem vizualiza evolutia variabilelor in timp

facind clic pe entitati

Page 13: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

13

1.6. Modelul matematic al deplasarii sângelui într-un vas sangvin izotropic elastic

Asupra procesului de raspindire a singelui in vasele de dimensiuni mari influenteaza 2

factori:

-elasticitatea peretilor vasculari

-rezistenta hidrodinamica a vaselor fata de fluxul sangvin care e determinat de viscozitate

si dimensiunile geometrice.

In acest model fluxul este privit ca o miscare pulsatila a singelui care este un lichid viscos

si se misca prin tuburi cu un diam de aprox 1 mm. Lichidul este incomprimabil. In

calitate de model matematic se propune model nestationar,cuazi-unidemensional prin

vase cu peretii elastici subtiri. In model trebuie respectata legea pastrarii masei si

impulsul lichidului in cazul dat avind singe.

Legea pastrarii masei: dSk/dt + d*(UK*Sk)/dx = fk(t,x,Sk, Uk, ri)

Legea pastrarii impulsui dUk/dt + d* (U2/2 + ρi/ρk)/dx = ψ(t,x,Sk, Uk, ri)

t- timpul

x- coordonata ( se ia din momentul inceperii vasului) ρ – densitatea g/cm2

k – nr. Vasului

Sk (x,t) – sectiunea transversala a vasului K intru-un moment de timp t intr-un punct x

UK(x,t) – viteza liniara medie a singelui pe o oarecare sectiune.

P (x,t) – presiunea singelui fata de cea atmosferica

fk – fluxul si refluxul de singe pentru a descrie situatii reale: pierderi de singe, transfuzii

de singe ψ – schimbarea impulsului sub actiunea factorilor exteriori, gravitatia, undele

acustice s.a.

ri – parametru ce descrie actiunea factorului i asupra vasului K.

Elasticitatea se descrie prin ecuatia de stare care determina sectiunea transversala fata de

presiune in vas. 3.Pk-Pk*= ρck2fk(Sk)

Ck – viteza raspindirii perturbatillor in vasul K

Page 14: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

14

Pk* - presiunea exercitata de tesutul care inconjoara vasul

fk (Sk) = exp Sk/Sk0 -1) -1, Sk>SK0ln (Sk/Sk0), Sk<=Sk0

Sk0 – sectiunea transversala a vasului pe durata ciclului cardiac

Dezavatanjele acestui model:

Utilizarea a multor factori care determina proprietatile fizico-mecanice si de structura a

vaselor: dimensiunile geometrice, coef. de elasticitate, coef. hidrodinamicii, topologia

retelei de vas si variabilitatea mai multor parametri care depinde de genul persoanei,

virsta, mediul inconjurator, activitatea fizica s.a.

Pentri modelul propus au fost obtinute rezultate experimentale si rezultate numerice,

comparativ admisibile pt a fi utilizate in practica.

Schema generala a patului vascular

Gruparea capilarelor în serie

Rserie - echivalent = R1 + R2 + R3 = 0,3

iar în cazul gruparii paralel: 1/Rserie - echivalent =1/ R1 + 1/ R2 +1/ R3 =3/0,1=>

Rparalel - echivalent =0,033

Se observa ca rezistenta echivalenta la curgerea în paralel este mult mai mica decât

în cazul serie.

Page 15: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

15

Gruparea capilarelor în paralel

Prin urmare, desi are loc o ramificare din ce în ce mai complexa a vaselor de

sânge, cu cresterea sectiunii transversale a patului vascular (sectiunea totala a capilarelor

fiind de cca. 750 de ori mai mare decât aria sectiunii transversale a aortei), rezistenta la

înaintare a sângelui scade, viteza de curgere fiind invers proportionala cu suprafata

sectiunii vasului.

Legea lui Laplace stabileste ce calibru va avea vasul de sânge, care se comporta ca

o membrana elastica de forma cilindrica, atunci când sângele are o anumita presiune.

Tensiunea T depinde de structura peretelui vasului sanguin.

Legea lui Laplace se scrie matematic astfel : Dp=T/R, unde p este presiunea

arteriala, T este tensiunea exercitata de sânge asupra peretilor arteriali iar R este raza

arterei. Se observa ca pentru o diferenta de presiune data Dp, tensiunea în vas T depinde

de raza. Pentru aceeasi presiune de distensie rezistenta peretilor vasculari este invers

proportionala cu raza vasului de sânge.

1.7. Modele de simulare in AnyLogic

Pentru a crește eficiența instituțiilor medicale putem utiliza tehnici de rezolvare a

problemelor. De exemplu , cum trebuie să fie plasate camerele într -un spital , pentru a

minimiza timpul de deplasare între ele. Sau pentru a analiza eficiența resurselor- cheie :

medici si asistente medicale. Luind în considerare procesul de efectuare a procedurilor în

vederea identificării blocajelor , de a optimiza echipamentele de încărcare . Pentru a face

față acestor provocări necesită o analiză detaliată și experimente care spitalele descărcate

nu își pot permite . Modelarea, simularea oferă o gamă largă de opțiuni pentru rezolvarea

unor astfel de probleme în domeniul medical și farmaceutic fără a fi nevoie de

experimente costisitoare și obositoare în viața reală . Folosind simularea, poate fi rapid și

ușor de redat o varietate de situații pe un ecran de computer . Cel mai important, în

timpul experimentului de simulare niciunul dintr pacienți suferă .

1.6.1 Agent bazat pe model epidemic

Acesta este un model bazat pe un agent de răspândire de boli contagioase .

Page 16: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

16

* Avem în vedere o populație de 10000 de oameni . Ei trăiesc în zona de 10 pe10 km și

sunt uniform răspânditi în jurul zonei respective .

* O persoană știe toată lumea care trăiește in raza de 1 km de el .

* Inițial 10 persoane aleatorii sunt bolnave și infecțioase , și toată lumea este sensibil ( nu

sunt imuni ) .

* Dacă o persoană infecțioasă intra in contact cu o persoana susceptibila , acesta din urmă

devine infectata cu probabilitatea de 0,1 .

* După ce a fost infectata , o persoana nu devine imediat infectioasa. Există o perioada de

latenta , care dureaza 3-6 zile.

Oamenii din perioada de latenta sunt numiti expusi .

*Durata bolii după perioada de latenta ( adică durata fazei infecțioase ) este distribuită

uniform între 7 și 15 zile.

* În faza infecțioasă o persoană în medie contacteaza cu 5 persoane pe zi .

* În cazul în care persoana își revine , el devine imun la boala , dar nu pentru totdeauna .

Imunitatea durează 2-3 luni.

Rezultatul modelului este numărul de persoane infecțioase a lungul timpului.

Structura terminologica și de ansamblu a acestei probleme este luata de la modelele

compartimentale în epidemiologie , și anume de la SEIR- Susceptible Exposed Infectious

Recovered. Problema SEIR este inițial rezolvată cu ajutorul ecuațiilor diferențiale ;

abordarea este aceeași ca și în dinamica sistemului. Cu toate acestea , sunt adăugate

detalii care nu sunt bine captate de modelul compartimental: spațiu și comunicarea

depinde de spațiu și durata de faza, distribuite uniform . Motivul din spatele utilizarea

agentului. Abordarea pe baza este naturalețea ei : să nu știm cum să obțină ecuații globale

pentru o anumită boală , dar știm cursul a bolii și poate modela cu ușurință la nivel

individual .

Putem varia parametrii modelului in timpul rularii și se poate urmări dinamica bolii.

Parametrii cei putem varia:

1. Durata latentei minima si maxima

2. Numarul de persoate infectate initial minim si maxim

3. Numarul de personae imune minim si maxim

4. Probabilitatea de infectare la contact

5. Numarul de contacte pe zi

Page 17: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

17

Si ca rezultat putem analiza dinamica raspindirii bolii infectioase:

Ca rezultat efectuind analiza a situatiei epidimiologice a 10000 de persoane intr-o

localitate putem observa ca numarul de infectati este intr-o permanenta fluctuatie ca

rezultat al pierderii imunitatii persoanei.

1.6.2. Boli cardiovasculare

Acest model se concentreaza asupra bolilor cardiovasculare și relațiile sale de speranța

de viață. Costa dintr-un grup de 1000 de pacienti, este simulat pentru o 100 de ani. Toti

pacientii încep de la varsta de 0 ani. În fiecare an, fiecare pacient poate muri, avea un IM,

un accident vascular cerebral, sau nu au nici un eveniment. Probabilitatea de a muri

depinde IM a individului de existent unui accident vascular cerebral. Probabilitățile de

IM și accident vascular depend de individ, care este distribuit aleatoriu in grup. Fiecare

eveniment (deces, IM, accident vascular cerebral), are un cost eveniment asociat. În plus,

IM si accidentul vascular cerebral, de asemenea, costul de fundal se adaugă în fiecare an

dupa ce un pacient are evenimentul corespunzător. Statisticile speranței de viață, IM și

distribuțiile de vârstă, accidentele vasculare cerebrale si costul total acumulat este afișat

în timp ce modelul este în funcțiune.

Page 18: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

18

Dupa cum se observa putem analiza si istoria evolutiei bolilor cardiovasculare la fiecare

pacient in parte

Ca parametru nu putem modifica nimic in acest sistem insa putem analiza rezultatele

speranta de viata, primul infarct miocardic, primul accident vascular cerebral, evolutia

bolilor in societate.

Concluzie: Mediul de simulare Any Logic ne permite sa simulam diferite procese atit

biologice cit si din alte domenii tinind cont de procesele ce au loc in modelul dat,

interdependenta intre aceste procese si principalul este descrierea matematica a lor

Lucrarea nr. 2

2. Mediul de modelare BioUML

2.1. Introducere

BioUML este o platforma software open-source pentru analiza datelor științifice despre

om, cercetare și ale biologiei computationale avansate dezvoltate de oamenii de stiinta de

la Institutul de Sisteme de Biologie din Novosibirsk, Rusia. Platforma este disponibila

gratuit on-line și utilizate în laboratoare de cercetare - mai ales în instituțiile academice -

pentru descoperirea originilor si Prevenirea Bolilor. Există o versiune comerciala

disponibila de la firma germană bioinformatica geneXplain, care are unele caracteristici

adăugate.

Din punct de vedere al utilizatorului BioUML este un banc de lucru al utilizatorului

mediu , care se întinde intr-o gama completă de capabilități , inclusiv acces la baze de

date cu date experimentale , instrumente pentru descrierea formală a structurii și

funcționării sistemelor biologice , precum și instrumente pentru vizualizarea lor, este

integrat simulare , parametrii de montaj și analize ( Figura 1.1 ) .

Page 19: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

19

Fig. 4 BioUML banc de lucru - modelul ciclului celular vizualizare și simulare

2.2. Conceptele principale și posibilitățile BioUML

2.2.1 Modelare visuala

Reconstrucție a sistemelor biologice complexe, de la o cantitate foarte mare de date

experimentale necesită un limbaj formal care poate fi ușor înțeleasă atât de către om și

calculator .

Este cunoscut faptul ca reprezentare grafică a sistemului complex este cel mai potrivit

mod de înțelegere a structurii de catre om .

Această abordare este utilizat pe scară largă în inginerie și informatică . Câteva exemple

sunt :

• MATLAB / Simulink ( http://www.mathworks.com )

• AnyLogic ( http://www.xjtek.com ) - muli - metoda de software-ul de simulare

• UML ( http://www.omg.org/uml/ ) - cel mai cunoscut limba grafică pentru informatică .

O altă trăsătură distinctivă a BioUML este integrarea strânsă cu baze de date de pe cai

biologice , motoare de interogare, ce permite utilizatorului de a găsi interacțiunea

componentelor sistemului și de a arata rezultatele ca un grafic editabil .

Page 20: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

20

Fig. 5 Flux de date în BioUML

2.2.2. Modelare Meta

Nucleul de BioUML este un meta - model. Acesta oferă un strat abstract ( grafic

compartimental de atribuite ) pentru descrierea formală completă de gama larga de

sisteme complexe biologice și alte . Conținutul de baze de date pe cai biologice , SBML (

Hucka M. și colab . , 2003 ) și CellML ( Lloyd CM et al., 2004) modele , precum si cai

biologice în format BioPAX pot fi exprimată în termeni de modelul meta și utilizate de

BioUML .

Această descriere formală poate fi folosit atat pentru reprezentare vizuală și de editare a

structurii sistemului biologic cit și pentru generarea de cod automatizat pentru a simula

un comportament model.

Meta - model de domeniu neutru ce împarte descrierea sistemului în trei niveluri

interconectate:

1 . Structura grafic - structura de sistem este descris ca grafic compartimentat ;

2 . nivelul bazei de date - fiecare element grafic poate conține trimitere la un obiect bază

de date ;

3 . Modelul matematic - orice element grafic poate fi element de model matematic .

Page 21: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

21

Fig. 6 Sistem de două reacții chimice consecutive ( a) , descrierea oficială a acestuia ,

folosind trei niveluri de modelul meta ( b ) , și care corespunde modelului matematic ( c )

, care pot fi generate automat pentru simulari de sistem .

2.2.3 Diagrama de tip

Tipul de diagramă definește :

tipuri de componente biologice și interacțiunile lor, care pot fi afișate pe diagrama ;

vedere diagrama constructor - se generează o vizualizare ( imagine ) pentru fiecare

element grafic, luând în considerare particularitățile domeniului problemei .

controler semantic - asigură integritatea semantică a diagramei în timpul editării

sale .

Diagrama de tip poate fi definit ( creat) pe două căi :

1 . programatic - ca de clasa Java punerea în aplicare interfață specială . Exista 5 tipuri

predefinite de diagrame care permite pentru a descrie sistemele biologice complexe la

nivel celular cu un nivel diferit de detalii și formalitate ;

2 . declarativ - ca document XML . BioUML oferă Graphic Notation Editor care permite

utilizatorului avansat de a crea și edita tipuri de diagrame

Page 22: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

22

Fig. 7 Exemplu de diagramă generate de BioUML banc de lucru , utilizând notația

grafică KEGG .

2.2.4 Motor de simulare

BioUML oferă două motoare de simulare alternative :

1 ) motor de simulare Java - pe care le generează în mod automat și compilează codul

Java pe baza modelului vizual ( diagrama ) de un sistem biologic . Pentru simulare am

adoptat bibliotecă odeToJava, care oferă metode de soluții numerice ambele sisteme

rigide și non- rigide de ode . Pentru rezolvarea ecuațiilor algebrice este folosit Newton

Solver .

2 ) motor de simulare MATLAB - genereaza automat cod pentru MATLAB și invocă

MATLABengine pentru a simula un comportament model de folosind JMatlink

bibliotecă

Principalele componente ale motorului de simulare sunt : generator de cod , procesor

formule , ecuatii algebrice Solver și rezultatele scriitor . BioUML oferă procesor puternic

formulă care analizează textul și expresii MathML , rezultatul este prezentat ca arbore de

Page 23: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

23

sintaxă și utilizate de formatare pentru a genera corespunzătoar codul Java pentru Matlab

( Figura 1.5 ) .

Fig. 8 Analiză și conversii de expresii matematice de motor de simulare .

2.2.5 Baza de date

Modelarea sistemelor biologice necesită o integrare strânsă cu datele experimentale .

Caracteristica distinctivă a BioUML este integrarea strânsă cu bazele de date biologice .

În acest scop, vom introduce conceptul de tip de bază de date .

Tipul de date definește:

• tipuri de date ( gena , proteine , ARN , substanță , reacție , etc ), care sunt stocate în

baza de date ;

• cartografiere a conținutului bazei de date în elemente diagrama și tipuri de diagrame

care pot fi folosite cu baza de date ;

• Tipuri de diagrame care pot fi utilizate pentru a prezenta conținutul bazei de date ca un

set de diagrame .

• motor interogare pentru a găsi interacțiunea componentelor sistemului . Rezultatele

căutării pot fi afișate ca grafic și editat de către utilizator .

1.6 motorului de căutare

BioUML oferă 3 tipuri de motoare de căutare pentru lucrul cu baze de date :

• căutare de date ( filtru ) - acest motor de căutare hărți conținutul bazei de date în obiecte

Java și filtrează aceste obiecte Java conform condiție de filtrare pentru fiecare proprietate

, de exemplu name = " TP53 ".

Page 24: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

24

• Căutare text integral - motorul de căutare folosește Lucene totală a motorului de căutare

de text . În acest scop, conținutul bazei de date este , de asemenea, mapate în obiecte Java

și apoi aceste obiecte Java sunt indexate de Lucene . Datorită utilizării index acest motor

de căutare este mult mai rapid decât de căutare de date , folosind filtre .

• căutare grafic - acest motor de căutare găsește interacțiunea componentelor și afișează

rezultatul ca un grafic editabil .

Fig. 9 Dialog de căutare de date pentru KEGG / compus , panoul din stânga - rezultate

cautare , panoul de top dreapta - condiții de filtrare , panoul din dreapta jos - descriere

detaliată a substanței selectate în tabel.

de actualizare specificată .

Modelarea sistemelor biologice necesită o integrare strânsă cu datele experimentale .

Caracteristica distinctivă a BioUML este integrarea strânsă cu bazele de date biologice .

Baza de date poate fi instalata local sau pot fi accesate prin internet de pe server BioUML

. Serverul BioUML suporta acces securizat la bazele de date . Administratorul serverului

poate configura setările de securitate pentru accesul la fiecare bază de date instalata pe

server . Informații în cazul în care baza de date este instalat ( local sau pe partea de server

), precum și cu privire la disponibilitatea sa este afișat folosind pictograme diferite (

Figura 9) .

Page 25: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

25

Fig. 9

• culoare albastru - bază de date instalata local , accesibil pentru citire și scriere ;

• galben - bază de date la distanță, publice , de accesibilitate pentru citire și scriere este

specificat de cercetare și scrisorile W ;

• culoare roșie - protejat la distanță de baze de date , utilizatorul trebuie să se logheze

pentru a avea acces la baza de date , accesibilitatea pentru citire și scriere este specificata

de cercetare și scrisorile W ;

• Culoarea verde - bază de date protejată la distanță , utilizatorul conectat cu succes,

accesibilitate pentru citire și scriere este specificat de cercetare și scrisorile W ;

de baze de date la distanță publică , necesită log - in pentru scris la distanță protejate

citit doar de baze de date , necesită conectați pentru a citi baza de date protejate de la

Page 26: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

26

distanță , necesită conectați pentru citirea și scrierea Figura 3.1 . Pictograme pentru baze

de date locale și de la distanță .

2.2.5.1 Interfața cu utilizatorul

Interfața cu utilizatorul de acces la bazele de date este format din :

• panou de depozit care arată conținutul bazei de date ( Figura 3.1 , de sus ) ;

• inspector de proprietate care afișează informații despre nodul selectat în panoul de

depozit. Inspector file are 2 proprietati:

vedere - afișează informații despre nodul selectat în panoul de depozit ca HTML de

text o editare - permite unui utilizator pentru a edita informațiile despre nodul selectat

• motoare de căutare - 3 tipuri de motoare de căutare pot fi utilizate de lucru cu baze de

date : căutare de date de stare de filtrare , căutare în text complet și de căutare grafic

pentru

• dialog baza de date de încărcare - ajuta un utilizator pentru a configura conexiunea de

BioUML banc de lucru cu serverul BioUML pentru acces la baze de date de la distanță .

Dialoguri de baze de date de sarcină ( Figura 3.1 ) ajută un utilizator pentru a configura

conexiunea de la BioUML cu serverul BioUML pentru acces la baze de date de la

distanță . Expertul de configurare , baze de date de încărcare oferă aceeași interfață de

utilizator .

Din punct de vedere a utilizatorului baza de date de la distanță instalata pe partea de

server arata similar cu bazele de date instalate la nivel local , astfel încât am putea numi

acest proces în calitate de instalare sau de încărcare a bazelor de date de la distanță .

Pentru a instala baze de date la distanță folosind dialog de baze de date de încărcare

1 . Selectați din meniul de date > Load element de date . Dialog de baze de date de

sarcină va fi deschis ( Figura 3.2 ) .

2 . Specifica URL-ul Server pentru conexiunea cu serverul BioUML sau puteți utiliza

serverul implicit BioUML .

3 . Introduceți numele de utilizator și parola pentru autorizare de server ( folositi valori

goale pentru conectare oaspete)

4 . Faceți clic pe butonul Find baze de date . Toate bazele de date instalate pe serverul

BioUML specificat vor fi afișate în masă bazele de date disponibile . Coloanele tabelului

sunt :

Numele bazei de date de server - numele bazei de date de pe server BioUML

Numele bazei de date client - numele bazei de date modul în care va fi afișat în copac

depozit . De nume bază de date implicit pe partea de client este la fel ca pe partea de

server , cu toate acestea un utilizator se poate schimba . De exemplu, utilizatorul poate

adăuga versiunea de bază de date sau server denume ca sufixul .

Page 27: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

27

Disponibilitate - descrie disponibilitatea bazei de date :

o publice - baze de date este la dispoziția publicului pentru citire și scriere ; o publice ,

doar pentru citire - baza de date este la dispoziția publicului pentru a citi doar , o citire

publică , protejat la scriere - baza de date este la dispoziția publicului pentru citire , de

scriere utilizatorul trebuie să acceseze în doar , o protejată - utilizatorul trebuie să

conectați pentru a citi / scrie informații din baza de date , o protejată , doar pentru citire -

utilizatorul trebuie să autentifici pentru a avea acces la baza de date , doar pentru citire

Tipul de acces - fie " link " ( baze de date vor fi legate și accesate de la distanță ), sau

"copie" ( baze de date vor fi copiate de pe server și accesate la nivel local )

5 . Pentru a obține informații cu privire la o bază de date : o selectați baza de date în tabel

făcând clic pe corespunzătoare brut ; o presă Ia baza de date butonul Info , o informare cu

privire la baza de date va fi afișat în panoul de mesaje ( Figura 3.3 ) .

6 . Selectați în Instalați bazele de date coloană pentru a fi instalate făcând clic pe caseta

de selectare corespunzătoare .

7 . Apăsați butonul Install . Informații despre procesul de instalare va fi afișat în panoul

de mesaje .

8 . Apăsați butonul Închidere pentru a închide caseta de dialog după instalarea cu succes

a bazelor de date de la distanță .

Note :

1 . Baza de date poate fi instalat doar o dată . Dacă veți alege aceeași bază de date care

urmează să fie instalat din nou, va fi omisă și mesaj corespunzător va fi afișat în panoul

de mesaje , de exemplu :

AVERTIZA : Baza de date cu același nume există deja ( " Chebi " )

2 . Unele baze de date (baze de date complexe ) include informații de la alte baze de date

. În timpul instalării BioUML banc de lucru verifică automat astfel de dependențe și

sugerează pentru a instala baze de date necesare ( Figura 3.4 ) . Apăsați butonul OK

pentru a instala baze de date necesare prea .

3 . Unele baze de date poate solicita de plug -in-uri suplimentare, care nu sunt incluse în

mod implicit împărțire a BioUML banc de lucru .

Versiunea publică a BioUML banc de lucru nu include plug- in-uri pentru următoarele

baze de date :

TransPath ;

GeneNet .

Page 28: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

28

Fig. 10 Dialog de baze de date de sarcină .

INFO :

Baza de date : Biopath

Versiune: 0.8.5

Upadate : 05.02.2009

Disponibilitate : citire publica , scriere protejata

Descriere : Descrierea testului pentru baze de date Biopath Statistici :

date :

celulă : 84

compartiment : 220

conceptului : 2388

gene : 442

literatură : 1533

proteine : 3561

reacție : 4838

Page 29: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

29

raport : 25008

ARN : 38

substanță : 4894

Diagrame : 555

dicționare :

informații de baze de date : 30

de tip legătură : 2 specii : 9 unități : 2

Simulare : 2

Figura 3.3 . Exemplu de informații despre baza de date , care este prezentată în panoul de

mesaje .

Fig. 11 Dialog care arată dependență de baze de date instalate de la alții .

2.2.5.2 Baza de date de import

Extensii BioUML ofera import de baze de date din surse externe , cum ar fi BioPAX ,

fișiere OBO sau DASserver extern .

Fig. 12 Importa meniu bază de date externă .

Tipurile acceptate de surse :

• Import DAS ( furnizate de DAS plugin )

3.3.1 Import DAS

Acțiune import DAS permite crearea de noi baze de date în baza de date DAS - server

extern .

NOTĂ : Înainte de DAS importatoare verificați setările de server proxy în dialog

Preferințe BioUML

Page 30: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

30

În dialog Import DAS introduceți numele de server DAS și baze de date de presă Gaseste

... buton . Lista disponibile sorces DAS vor fi afișate în tabelul de mai jos ( Figura 3.8 )

Fig. 13 Import de dialog DAS .

Puteți selecta surse DAS pe care doriți să instalați prin verificarea casetele de selectare

din coloana Install . Opțional, puteți specifica nume arbitrar de noi baze de date în baza

de date coloană nume Client . Puteți citi descrierea suplimentară de baze de date prin

apăsarea butonului informații de baze de date Ia în timp ce este selectat sursă . În cele din

urmă apăsați butonul Install pentru a instala surse selectate ca bazele de date BioUML .

Baze de date noi vor fi create și este disponibil de la copac depozit ( Figura 3.9 )

Fig. 14 Baza de date DAS deposit arbore .

2.2.5.3 Căutare Text

Page 31: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

31

Căutare text oferă elemente de bază de date de căutare de domenii de elemente indexate .

În cele mai multe cazuri element poate fi găsit de nume , titlu , descriere și în alte

domenii specifice .

Panou de căutare în partea de jos a arborelui de baze de date este cel mai simplu mod de

a utiliza funcția de căutare . Selectați baza de date sau subcolecției în copac baze de date ,

introduceți șir de căutare în câmpul de text panoul de căutare și faceți clic pe butonul de

căutare pe panoul de căutare ( Figura 3.5 ) .

Fig. 15 Folosind panoul de căutare .

Concluzie: BioUML ne permite sa simulam diferite procese biologice tinind cont de

parametrii reali ai procesului, aceasta realizinduse prin conexiunea la baza de date sau

prin realizarea unei baze de date proprii.

Lucrare nr.3

3. Sisteme de modelare a circulatiei sangvine (Samara-dialog)

3.1. Introducere:

În biologie și medicină exista o tendință pronunțată spre utilizarea metodelor

matematice precise și tehnici de calcul pentru studiul proceselor care au loc în corpul

uman și , în special , unul dintre sistemele fiziologice majore -sistemul circulator . În

acest sens , de interes special este simularea numerica a proceselor de reglementare și

control în sistemul circulator , crearea de probleme matematice și software bazate pe

rezolvarea și sprijinul circulator artificial. Scopul său principal este de a găsi abordări în

construirea sistemelor reale și elementele de comandă de sprijin pentru sistemul

circulator artificial

3.2. Obiectul supus modelarii:

Page 32: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

32

Obiectul model este simplificat ca sisteme de rezervoare circulare: ventriculului

stang al inimii ( HL ) , vas arterial din circulația sistemică ( AL ), rezervor capilar venos

a cercuitului mare ( VL ), ventriculul drept al inimii ( HR ), rezervor arterial pulmonar (

AR ), rezervor capilar-venos a circuitului mic ( VR ). Sistem de valva aortica,

tricupsidiană, mitral si artera pulmonara a oferi un flux unidirecțional de curent de sânge

prin vasele circuitului .

3.3. Scopul si destinatia programului:

Implementarea software a modelului matematic este destul de simplu de înțeles.

Prezența de descriere a parametrilor modelului, metodologia de modelare a diferitelor

patologii vă permite să utilizați implementarea software a modelului în scopuri de

instruire și demonstrații. În același scop, este utilizarea de grafică pe calculator la afișarea

procesului de modelare și identificare.

Prezentarea obiectului simulat ca un sistem de control permite setarea și realizarea

cu ajutorul unor modele matematice de diferite sarcini cu caracter de cercetare. În primul

rând, aceasta este problema clasica a sistemelor dinamice controlate: controlabilitate,

observabilitate, identificabil. Pe baza unui model matematic poate fi construit sisteme de

control reale și elemente de sprijin pentru sistemul circulator artificial.

Formularea și soluționarea problemei de identificare ne permite să definim un set

de parametri ai modelului a sistemului circulator de măsurători ale diferitelor curbe

fiziologice ale corpului uman real. Implementarea software a modelului ne permite să

monitorizam devierea parametrilor identificati la valorile lor normale. Acest lucru

permite utilizarea modelului și a procesului de implementare software pentru probleme

de diagnostic.

Dezvoltarea de o varietate de senzori non-invazivi, cu o interfață Bluetooth

wireless permite un model matematic al sistemului circulator pentru identificarea

parametrilor care reflectă starea atletului în timpul procesului de formare.

Dezvoltarea rapidă de mijloace non-invazive de măsurare a parametrilor de

activitate cardiovasculare, prin rețele locale wireless bazate pe Bluetooth, Wi-Fi și

dispozitive de comunicații mobile poate fi folosit un model matematic al sistemului

circulator ca nucleu al elementului "inteligente" pentru dezvoltarea de dispozitive de

management al sistemelor care sunt dezvoltate în cadrul programului "casa inteligentă ".

Aceste sunt stimulatoare cardiace intelectuale, pompe de insulina și alte dispozitive

similare cu feedback.

3.4. Modelul matematic:

Page 33: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

33

Un model al sistemului circulator , baza pentru dezvoltarea a ceea ce este clasa de

modele propuse de profesorul V. Solodyannikovym. Caracteristica principală a acestei

clase este că aceste modele permit studiu ( modelul ) de oscilație ( în special periodice)

procese a obiectului simulat . Modelul este de auto - reglare , care reflectă proprietățile

homeostatice principale a sistemului circulator. Un model matematic al sistemului

circulator , o caracteristică de care este pe ciclul cardiac non - medie și posibilitatea de

simulare în timp real a proceselor oscilatorii neliniare .

Schema modelului:

Fig. 1 Reprezentarea schematica a modelului

Unde:

AV- supapa aortica

MV-supapa mitrala

PV-supapa arterei pulmonare

TV-supapa tricupsida

Rezervoare HL , AL , VL sunt în circulația sistemică , și HR , AR , VR - in circulatia

mica .

Parametrii numerici ce descriu rezervoarele nu sunt constante, dar sunt schimbate

sub influența semnalelor de control , care sunt la rândul lor formate din funcțiile de

măsurare ale vectorului de stare a sistemului . Astfel , se reușeste de obtinut un obiect pe

baza de bucle de feedback .

Page 34: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

34

Conturul controlat de ejacularea spontana a continutul cavitatilor, pune în aplicare

principiul reglementării a debitului cardiac , în conformitate cu cunoscuta lege Frank -

Starling .

Conturul controlului neuro-umoral implementează interdependența multipla de

stări ale sistemului circulator , mediat de subsisteme nervoase si hormonale ale

organismului . Controlul în buclă sunt magnitudinea factorului neuro - umoral , care este

o expresie numerică din totalul de control a acțiunilor mecanismelor neuronale si

hormonale .

3.5. Submodele descrise:

3.5.1. Modelul schimbului de oxigen

Modelul este schimbul de oxigen în organism, nu este menit să descrie detaliat

acest proces biochimic complex , limitânduse la maximile valorilor numerice integrate .

La baza modelului schimbului de oxigen este conceptul de insuficienta de oxigen . Cu o

cantitate relativa a gradului datoriilor de oxigen DO2 poate fi descrisă ca o măsură a

concentrației de acid lactic și alte produse oxidate ale metabolismului în țesuturile

corpului . Putem apela chiar și la această cantitate factorul oboseală .

Parametrii de intrare ai modelului sunt valorii schimbul de oxigen de SpO2

saturație de sânge arterial , care caracterizează eficiența plămânilor , magnitudinea a

concentrației de hemoglobină din sânge și cantitatea de RO2 consumului de oxigen din

tesuturi ale corpului ( factorul de sarcină ) . Valoarea AO2 concentrația de oxigen din

saturația arteriala de oxigen din sângele arterial este proporțională cu concentrația de

hemoglobină și

(1)

în cazul în care coeficientul de proporționalitate CH are in vedere capacitatea

hemoglobinei de a ingloba oxigen.

Valoarea gO2 de livrare a oxigenului în țesuturi este proporționala cu fluxul

sanguin prin țesut și diferența în concentrațiile de oxigen al sângelui arterial și venos

(diferența de oxigen arterial - venos )

(2)

unde fluxul de sange prin tesuturi Q = Fij , i = AL, j = VL;

VO2 - concentrația de oxigen din sângele venos .

(3)

Page 35: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

35

Rata de schimbare a datoriei de oxigen este proporțională cu diferența dintre consumul si

de livrare de oxigen :

(4)

unde A1 , A2 - parametrii numerici, determinati în mod empiric , DO2 - datoria de oxigen ,

care caracterizează nevoia nesatisfacuta acumulata de oxigen .

Modelarea se va efectua pentru o persoana cu urmatorii parametri:

Fig. 16 Parametrii individului supus modelarii

In urma modelarii parametrilor schimbului de oxigen ca insuficienta de oxigen si

cerinta de oxigen am primit urmatoarele grafice:

Fig. 17 Simularea parametrilor schimbului de oxigen (insuficienta de oxigen in ml

si consumul de oxigen in ml/s )

Trebuie de avut in vedere ca parametrii dati pot fi modificati:

Page 36: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

36

Fig. 18 Modificarea parametrului de necesitate de oxygen

Dupa modificarea acestui parametru am obtinut deja noi grafice:

Fig. 19 Evolutia parametrilor dupa modificare

Parametrii metabolismului de oxigen si sensul lor:

He Continutul de hemoglobina in singe

SpO2 Saturatia singelui arterial

CH Capacitatea de oxigen a hemoglobinei

RO2 Intensitatea metabolismului oxigenului in tesuturile organismului

AO2 Cantitatea de oxigen in single arterial

VO2 Cantitatea de oxigen in single venos

AO2-VO2 Diferenta de oxigen intre single arterial si venos

DO2 Insuficienta de oxigen

gO2 Transportul de oxigen in tesuturile organismului

A1 Intensitatea totala a schimbului de substante

A2 Statutul functional al organismului

3.5.2. Modelul sistemului circulator:

Obiectul model este simplificat ca sisteme de rezervoare circulare: ventriculului

stang al inimii ( HL ) , vas arterial din circulația sistemică ( AL ), rezervor capilar venos

a cercuitului mare ( VL ), ventriculul drept al inimii ( HR ), rezervor arterial pulmonar (

AR ), rezervor capilar-venos a circuitului mic ( VR ). Sistem de valva aortica,

Page 37: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

37

tricupsidiană, mitral si artera pulmonara a oferi un flux unidirecțional de curent de sânge

prin vasele circuitului .

Presiunea sangvina Pi în secțiunea i descrie următoarea relație Vi volumul de sange in

acest domeniu vascular :

(5)

În formula precedenta, cea mai mare parte modulul Gi descrie proprietățile de

rigiditatea a peretelui vascular , ωi - volumul neincordat a peretelui vascular . Valorile

flexibilitatii in volum și volumul netensionat caracterizează tonusul vaselor înșiși liniar

dependente de parametrii sistemului dinamic starea vectorul x și vectorului A :

(6)

Rata de variație a volumului de sânge Vi i - zona m apatului vascular este determinată de

diferența dintre fluxul de sânge de intrare și de ieșire , adică , nu există o ecuație

diferențială :

(7)

unde Fki -valoarea debitului de intrare , Fij -valoareadebitului de ieșire , k -indicele de

rezervoar " in amonte " , j - index al rezervorului " in aval "

Cantitatea de fluxul de sange in zona dintre Fij pe sectorul intre i si j este

determinatăde presiunea diferențială între aceste bazine:

(8)

Valorile de conductivitate Yij ale porțiunilor corespunzătoare ale patului vascular sunt

descrise în dependența neliniara generala privind starea vectorul x și vectorului A a

parametrilor de forma :

(9)

3.5.2.1. Modelul arterelor in circuitul mare:

Sistemul concretizat in relațiile ( 5 ) - ( 9 ), se poate implementa si la arterele din

circulatia mare ( rezervor AL ) .

Tensiunea arteriala PAL este descrisă de dependența de volumul de singe VAL in acest

sector :

(10)

În formula 10 flexibilitatea de volum GAL descrie proprietățile de rigiditate ale arterelor ,

ωAL - volumul netensionată a sectorului vascular. Valorile flexibilitatioi de volum și

volumul neincordat caracterizează tonusul vaselor de sange . În modelul nostru , aceste

valori sunt liniar dependente de factorul neuro - umoral γ :

Page 38: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

38

(11)

(12)

Ecuația ( 11 ) exprimă faptul că o creștere a elasticitii a peretelui arterial prin creșterea

efectelor neuro - umorale , formula ( 12 ) exprimă faptul că are loc îngustarea arterelor

prin creșterea influențelor neuro - umorale .

Viteza de schimbare a volumului de sânge în artere VAL e determinată de diferența

de fluxul de sange de intrare și de ieșire , de exemplu , există o ecuație diferențială :

(13)

unde FHLAL - cantitatea de flux de sange prin valva aortica , FALVL = Q - cantitatea de

fluxul de sânge prin capilarele din circuitul mare .

Valorile fluxului sanguin și FALVL FHLAL sunt definite prin formulele ( 8)

Marimea conductivitatii YHLAL a sectorului valvei aortice este un parametru al

modelului , și anume , una din componentele parametrului vectorului A.

Fig. 20 Analiza parametrilor arteriali in circuitul mare (fluxul de singe prin supapa aortei

si presiunea in ventricolul sting)

3.5.2.2. Modelul arterelor in circuitul mic:

Page 39: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

39

Sistemul concretizat in relațiile ( 5 ) - ( 9 ), se implementeaza si la arterele din circulatia

pulmonara ( rezervor AR ) .

Tensiunea arteriala PAR este descrisă de următorul - dependente de volumul de sânge VAR

pe acest sector :

(14)

În formula ( 10) flexibilitatea de volum GAR descrie proprietățile de rigiditate ale arterelor

, ωAR - volumul neincordat a sectorului vascular . Valorile flexibilitatii de volum și

volumul neincordat caracterizează tonusul vaselor de sange . În modelul nostru , aceste

valori sunt liniar dependent de factorul neuro - umoral γ :

(15)

(16)

Ecuația ( 15 ) exprimă faptul că are loc cresterea elasticitatii peretelui arterial cu

creșterea efectelor neuro-umorale , formula ( 16 ) exprimă faptul că are loc îngustarea

arterelor prin creșterea efectelor neuro-umorale .

Viteza de schimbare a volumului de sânge în artere VAR e determinată de diferența

de intrare și de ieșire a fluxului de sange , de exemplu , există o ecuație diferențială :

(17)

unde FHRAR - cantitatea de fluxul de sange prin valva pulmonara , FARVR - cantitatea de

fluxul de sânge prin capilarele din plamani .

Valorile fluxului sanguin și FARVR, FHRAR sunt definite prin formulele ( 8 ) .

Marimea conductivitatii YHRAR a sectorului valvei pulmonare este parametru al modelului

, și anume , una din componentele parametrului vectorului A.

Page 40: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

40

Fig. 21 Analiza parametrilor arteriali in circuitul mic (fluxul de singe in artera pulmonara

si presiunea in artera pulmonara)

3.5.2.3. Modelul venelor in circuitul mare:

Sistemul concretizat in relațiile ( 5) - ( 9), poate fi implementat si la venele de la

circulația sistemică ( rezervor VL ) .

Sub presiunea venoasa PVL se referă la presiunea de intrare în atriul drept , care în

modelul nostru face parte din circuitul mare venos rezervorul VL . Această presiune este

suma dintre componenta vasculare , definită prin ( 5 ) , iar componenta PVL0 , definite

deactivitatea atrială :

(18)

În formula ( 18 ) descrie flexibilitatea in volum GVL descrie proprietățile de rigiditate ale

peretilor venosi , ωVL - volumul neincordat a sectorului a patului vascular . Valorile

flexibilitatii de volum și volumul neincordat caracterizează tonusul a venelor . În modelul

nostru , valoare GVL este linear dependent de factorul γ neuro - umoral , iar valoarea

ωVL e un parametru

(19)

Ecuația ( 19 ) exprimă faptul că are loc creșterea elasticității peretelui venos cu o creștere

a influențelor neuro - umorale .

Pentru volumul de sânge VVL în modelul nostru este scris ecuația algebrică a balanței de

volume :

(20)

Page 41: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

41

unde W -volumul total al sângelui în sistemul circulator , iar sumele rămase sunt

determinate de ecuații diferențiale ( 7 ) .

(21)

Conductivitatea zonei considerate a apatului vascular în modelul nostru este exprimată

prinecuația :

(22)

Membrul A6PVL în ecuația ( 22 ) exprimă dependența de conductivitate a tensiunii

arteriale venoase care : creștere de presiune provoacă expansiunea lumenului venelor ,

crescând astfel conductivitatea . Membrul A7RO2 exprimă un fapt cunoscut venos funcția

de pompare muschilor scheletici in lucru . Muschii in lucru sunt un factor suplimentar de

accelerare a fluxului de sange venos .

Fig. 22 Analiza parametrilor venosi a circuitului mare (Presiunea minimala si maximala

in circuitul sistemic venos )

3.5.2.4. Modelul venelor in circuitul mic

Sistemul concretizat de relațiile ( 5 ) - ( 9 ), se poate implementa si la venele din

circulatia pulmonara ( rezervor VR ) . Sub

presiunea venoasa PVR se referă la presiunea de intrare în atriul stâng , care in modelul

nostru face parte din rezervorul venos al circuitului mic VR. Această presiune este suma

dintre componenta vasculare , definită prin ( 5 ) , precum și componentele PVR0 ,

determinată de activitatea atriului :

(23)

În formula ( 23 ), flexibilitatea de volum GVR descrie proprietățile de rigiditate ale

peretilor venosi , ωVR - volumul neincordat a sectorului a patului vascular . Valorile

Page 42: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

42

flexibilitatii de volum și volumul neincordat caracterizează tonusul venelor . În modelul

nostru ,valoarea GVR este liniar dependenta de factorul γ neuro - umoral, iar valoarea

parametrului ωVR este

(24)

Ecuația ( 24 ) exprimă faptul că are loc o creștere a elasticității peretelui venos cu o

creștere a influențelor neuro - umorale .

Pentru VVR volumul de sânge înregistrat în modelul ecuației diferențiale stocate ( variantă

a formulei ( 7 ) )

(25)

Debitul din atriul stâng în ventriculul stâng prin valva mitrală :

(26)

Conductivitatea zonei considerata a apatului vascular în modelul nostru este exprimată

prin ecuația :

(27)

Membru A16PVR în ecuația ( 27 ) exprimă dependența de conductivitate a tensiunii

arteriale venoase care : la creșterea presiunii provoacă expansiunea lumenului venelor ,

crescând astfel conductivitatea . În ecuația ( 27 ) nu există nici un termen analog cu "

mușchi " A7RO2 membru în ecuația ( 22) pentru conductivitate a venelor din circuitul

mare .

Fig. 23 Analiza parametrilor venosi ai circuitului mic (presiunea in venele pulmonare si

presiunea medie in venele ciruitului mic)

3.5.2.5. Modelul capilarelor in circuitul mare:

Page 43: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

43

În modelul capilarelor in circuitul mare nu sunt alocate la un rezervor separat . Volumul

de sânge în capilare este inclus in rezervorul venos VL. Capilarul de sânge are un debit

Q = FALVL conform ( 8) este descris de o dependență liniară de diferența dintre presiunea

în artere și PAL presiunea PVL în venă de :

(28)

Conductivitatea zonei considerate apatului vascular în modelul nostru este exprimată

prin ecuația :

(29)

Membrul A4DO2 în ecuația ( 29 ) exprimă mathematic ipoteza unei dependențe pozitive

de conductivitate a capilarelor a nivelului de nevoia nesatisfăcută de oxigen Membrul A3γ

exprimă fenomenul de vasoconstricție , cu o creștere a efectelor simpatice , ceea ce duce

la creșterea rezistenței periferice .

Fig. 24 Parametrul capilarilor circuitului mare ( Rezistenta capilarelor in circuitul

sistemic periferic )

3.5.2.6. Modelul capilarelor in circuitul mic:

În modelul nostru de capilare pulmonare nu sunt alocate la un rezervor separat . Volumul

de sânge în capilare este inclus in rezervorul venos VR . Capilarele de sânge cu debitul q

= FARVR conform ( 8 ) este descris de o dependență liniară de diferența dintre presiunea în

artere PAR si presiune PVR în vene de :

(30)

Conductivitatea zonei considerate a apatului vascular în modelul nostru este exprimată

prin ecuația :

(31)

Membru al A14DO2 în ecuația ( 31 ) exprimă mathematic ipoteza unei dependențe

pozitive de conductivitate la nivelul pulmonar a capilarelor de nevoia nesatisfăcută de

oxigen . Membrul A13γ exprimă vasoconstricția pulmonara fenomen prin creșterea

efectelor simpatice , ceea ce duce la o creștere a rezistenței vasculare periferice . Fapt

Page 44: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

44

cunoscut vasele mici ale plamanilor în funcție de influențele simpatic - adrenalina și-a

exprimat o valoare semnificativ mai mică față de aceeași parametru A13 la A3 capilarelor

in circuitul mare în ( 29 ) .

Fig. 25 Analiza parametrilor capilarelor in circuitul mic

3.5.3. Parametri sistemului circulator si sensul lor:

Artere:

PAL Presiunea in artere in circuitul mare

PAR Presiunea in artere in circuitul mic

VAL Volumul de singe in arterele circuitului mare

VAR Volumul de singe in arterele circuitului mic

GAL0 Flexibilitatea de baza a arterelor circuitului mare

A9 Tonusul arterelor circuitului mare

ωAL0 Volumul neincordat al arterelor circuitului mare

A8 Sensibilitatea simpatica a arterelor circuitului mare

YHLAL Conductivitatea arterelor circuitului mare

GAR0 Flexibilitatea de baza a arterelor circuitului mic

A19 Tonusul arterelor circuitului mic

ωAR0 Volumul neincordat al arterelor circuitului mic

A18 Sensibilitatea simpatica a arterelor circuitului mic

YHRAR Conductivitatea arterelor circuitului mic

Vene:

PVL Presiunea in venele circuitului mare

PVR Presiunea in venele circuitului mic

VVL Volumul de singe in vene a circuitului mare

Page 45: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

45

VVR Volumul de singe in vene a circuitului mic

YVLHR0 Conductivitatea de baza a venelor circuitului mare

GVL0 Flexibilitatea de baza a venelor circuitului mare

ωVL Volumul neincordat al venelor in circuitul mare

A11 Tonusul venelor in circuitul mare

GVR0 Flexibilitatea de baza a venelor circuitului mic

A12 Tonusul venelor in circuitul mic

ωVR Volumul neincordat al venelor in circuitul mic

YVRHL0 Conductivitatea de baza a venelor circuitului mic

Capilare:

Q Fluxul de singe prin capilarele circuitului mare

q Fluxul de singe prin capilarele circuitului mic

YALVL0 Conductivitatea de baza a capilarelor circuitului mare

A3 Sensibilitatea simpatica a capilarelor circuitului mare

A4 Sensibilitatea de deficit de oxigen a capilarelor a circuitului mare

YARVR0 Conductivitatea de baza a capilarelor circuitului mic

A13 Sensibilitatea simpatica a capilarelor circuitului mic

Medicina la calculator:

Începând cu anul 1973 , împreună cu Institutul de Transplant și organe artificiale AMS

(director - academician V. I. Shumakov ) de la Universitatea de Stat din Samara , sub

conducerea profesorului I. V. Solodyannikov saa efectuat dezvoltarea de metode

matematice și software pentru modelare și identificare de hemodinamica în condiții

artificiale și auxiliare de circulație .

În special , au fost dezvoltate modelele și programele cu parametri de identificare a

diferitelor valve cardiace artificiale si au fost testate pe standuri hidrodinamice , un

număr de modele și programe de simulare și identificarea parametrilor organismului în

considerare , cum ar fi bucle de control neurohumorale si alte metabolismului țesutului .

Au efectuat numeroase teste medicale și tehnice de programe dezvoltate in moduri , cum

ar fi contrapulsație intraaortica , schimbări de sarcină , insuficiență cardiacă , hipoxie , etc

( Mai mult de 20 moduri ).

Conform măsurătorilor din corpul real sunt estimate ( identificate ) parametrii de

modelul său matematic . Cu parametrii modelului identificate pot studia comportarea

Page 46: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

46

organismului în diferite moduri ( încărcătură fizică , insuficiența cardiacă , ateroscleroza ,

hipoxie , etc) . Modelul este utilizat în bucla de control și suportul circulator artificial , în

special pentru counterpulsatie intra- aortica . Set adecvat de programe implementate

pentru Windows. Folosind rezultate posibile în procesul de învățare , operatie pe cord , în

studiile fiziologice , studii de stres pe piloți , astronauți, sportivi , marinari , alpiniști , etc

Software dezvoltat și de măsurare complex de monitorizare și identificare a parametrilor

sistemului circulator al organismului uman presiune invazive în termeni reali de

resuscitare sau departament cardiosurgical .

Fig. 26 Măsurarea sistem complex bazat pe intrări analogice firmei E140 date " L - card

".

HUB - multicanal tensiune amplificator

S # 1 - S # 16 - senzori de presiune invazive .

Figura prezintă o diagramă de măsurare complexa, multi- tensiune și amplificator de

presiune invaziva senzori . Ca sursa de semnal analogic poate fi folosit nu numai senzori

de presiune arterială invazivă , dar și semnalele analogice de la alte dispozitive medicale .

Page 47: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

47

Fig. 27 Senzor de presiune invaziva .

Este indicat de către S # 1 - S # 16 .

Pentru a se potrivi cu semnalele de ieșire ale dispozitivelor de măsurare și ADC Tensiune

de intrare E140 ar trebui să fie utilizat un dispozitiv special multi- canal ( eventual până

la 16 canale ), amplificator de tensiune cu o gamă de tensiuni de ieșire pe canale de ± 10

V.

Fig. 28 Amplificator de tensiune multicanal LA UN16 destinat să armonizeze

amplitudine variază de dispozitiv E140 și senzori .

Realizare - Programul tehnic al echipamentului de măsurare se bazează pe convertor

tensiune firma E140 L -Card analog -digital , care este proiectat pentru a masura curent

continuu și curent alternativ , precum și pentru intrare , ieșire și de prelucrare a

informațiilor analogice .

Page 48: Pachete de Modelare a Sistemelor Biomedicale

48

Fig. 29 Aspect modul E – 140

Modulul E140 este un software universal modern și un dispozitiv hardware pentru a fi

utilizat cu un USB standard și magistrală serială proiectat pentru introducerea sistemului

de măsurare multicanal , producția și procesarea de informații analogice și digitale , ca

parte din calculatoarele personale IBM compatibile . Acest modul poate fi considerat ca

dispozitiv suficient de compact și ieftin de colectare de date multi - canal .

Concluzie: In urma efectuarii lucrarii date de laborator am observat ca procesele

biologice pot fi simulate si prezise prin intermediul pachetelor de simulare si modelare,

acestea avind un mare plus ca nu necesita efectuarea experimentelor pe organisme, celule

si sisteme de organe in plus aceste simulari pot fi comprimate in timp returnind un

rezultat mult mai rapid ca in situatie reala.