Програмна технологія для підтримки процедур налаштування кількісних моделей гемодинаміки людини

Abstract

Математичне моделювання та спеціалізовані програмні симулятори (СПС), які засновані на кількісних моделях (КM), є сучасними інструментами дослідження, що розширюють можливості вивчення фізіології людини. Зокрема, багато разів автори пропонували моделі з зосередженими параметрами (МЗП) серцево-судинної системи (CСС). Однак більшість моделей не включають складних механізмів, що забезпечують загальний контроль кровообігу людини. Щоб заповнити цю прогалину, ми запропонували три спеціальні моделі та моделювальну концепцію для їх функціональної інтеграції. Проблема полягає у тому, що інтегральна модель занадто складна, щоб її можна було налаштувати вручну. Для забезпечення ефективних процедур налаштування пропонується спеціальне програмне забезпечення, що містить автономні модулі для розв’язування рівнянь кожної моделі у відомих умовах вхідних навантажень. Загалом, побудована та запрограмована складна математична модель (СММ), що включає опис як фізіології, так і вхідних динамічних впливів. Програмне забезпечення, враховуючи три основні блоки моделей, забезпечує їх кількісні процедури налаштування. Перший блок описує саморегуляцію гемодинаміки людини в 23-компартментній МЗП CСС. Другий блок описує вісім фізіологічних механізмів, які незалежно забезпечують гострий і довгостроковий контроль CСС у горизонтальному, сидячому та вертикальному положенні тіла. Третій блок описує зовнішній та внутрішній динамічний вплив на CСС. Завдяки СПС розробник моделі може вручну встановлювати значення 92 параметрів 23 відсіків ССС та константи чутливості кожного фізіологічного механізму. Спеціальні інструменти налаштування дозволяють розробнику моделі імітувати певну кількість тестів і будувати графіки гемодинамічних реакцій на обраний тест.

Mathematical modeling and specialized software simulators (SSS) based on quantitative models (QM) are modern research tools expanding research opportunities in human physiology. In particular, lumped-parametric models (LPM) of the cardiovascular system (CVS) have been proposed by many authors. However, most models do not include complex mechanisms providing overall control of human circulation. To fill this gap, we had proposed three special models and a concept of their functional integration. The problem is that the integral model is too complex to be manually tuned. To provide effective tuning procedures, special software containing autonomic modules for the solving equations of each model is proposed. In general, the complex mathematical model (CMM), including both the physiology and the external (inpdynamic ut) influences, is constructed and programmed. The software, taking into account three main blocks of models, provides their quantitative tuning procedures. The first block describes the self-regulation of human hemodynamics in a 23-compartmental lumped-parametric model (LPM) of the cardiovascular system (CVS). The second block describes eight physiological mechanisms independently providing CVS’s acute and long-term control in body horizontal, sitting, and vertical positions. The third block describes external/internal dynamic influences on CVS. The model creator, due to SSS, can manually set values of both compartments’ 92 parameters and sensitivity constants of every physiological mechanism. Special tuning tools allow the modeler to imitate a certain number of tests and to build graphs of hemodynamic responses to the chosen test.