Симулятор пульсирующего сердца

Симулятор пульсирующего сердца

Для совместимых с IBM персональных компьютеров создан программный симулятор (ПС), основанный на математической модели (ММ) гемодинамики человека. ММ представляет сердечно-сосудистую систему (ССС) в сосредоточенных параметрах и при фиксированном нейрогуморальном фоне, соответствующем состоянию покоя....

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2017
Main Authors: Григорян, Р.Д., Дегода, А.Г., Джуринский, Е.А., Харсун, В.С.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут програмних систем НАН України 2017
Series:Проблеми програмування
Subjects:
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
Online Access:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/144513
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Симулятор пульсирующего сердца / Р.Д. Григорян, А.Г. Дегода, Е.А. Джуринский, В.С. Харсун // Проблеми програмування. — 2017. — № 4. — С. 98-108. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-144513
record_format dspace
spelling irk-123456789-1445132018-12-26T01:22:59Z Симулятор пульсирующего сердца Григорян, Р.Д. Дегода, А.Г. Джуринский, Е.А. Харсун, В.С. Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення Для совместимых с IBM персональных компьютеров создан программный симулятор (ПС), основанный на математической модели (ММ) гемодинамики человека. ММ представляет сердечно-сосудистую систему (ССС) в сосредоточенных параметрах и при фиксированном нейрогуморальном фоне, соответствующем состоянию покоя. Назначение ПС – имитация пользователем сценариев перемен в исходном состоянии ССС для вычисления реакций гемодинамики. Есть два способа задания сценария: либо из списка, представленного в интерфейсе пользователя, либо формированием из комбинаций элементарных процедур. Планируется на базе ММ создать комплексную модель с учетом нейрогуморальной регуляции сердечного насоса, тонуса сосудов и объема крови. В данной версии ПС предсердия отсутствуют, сердечная деятельность моделируется описанием пульсаций желудочков. ПС демонстрирует основные закономерностей физиологии ССС в малом и большом кругах кровообращения. ПС позволяет визуализировать трансформации гемодинамики при дефектах сердечных клапанов, гипофункции правого/левого желудочков (из-за ухудшения коронарного кровотока, патологии кардиомиоцитов, гипертрофии миокарда). Исследовано влияние скорости и мощности сокращения правого или левого желудочков сердца на гемодинамику. После разработки комплексной модели на базе ПС будет создана информационная технология, ориентированная на кардиолога. Язык программирования – Java. Для сумісних з IBM персональних комп’ютерів створено програмний симулятор (ПС), заснований на математичній моделі (ММ) гемодинаміки людини. ММ описує серцево-судинну систему (ССС) в зосереджених параметрах і на тлі фіксованого нейрогуморального фону, що відповідає стану спокою. Призначення ПС – імітація користувачем сценаріїв змін у стані ССС для обчислення реакцій гемодинаміки. Є два способи завдання симуляційного сценарію: або з списку, представленого в інтерфейсі користувача, або формуванням з комбінацій елементарних процедур. Планується на базі ММ створити комплексну модель з урахуванням нейрогуморальної регуляції серцевого насоса, тонусу судин і об'єму крові. У даній версії ПС передсердя відсутні, серцева діяльність моделюється описом пульсацій шлуночків. ПС демонструє основні закономірностей фізіології ССС в малому і великому колах кровообігу. ПС позволяє візуалізувати трансформації гемодинаміки при дефектах серцевих клапанів, гіпофункції правого/лівого шлуночків (через погіршення коронарного кровотоку, патології кардіоміоцитів, гіпертрофії міокарда). Досліджено вплив швидкості і потужності скорочення правого або лівого шлуночків серця на гемодинаміку. Після розробки комплексної моделі на базі ПС буде створена інформаційна технологія, орієнтована на кардіолога. ПС комбінує програми на C ++ і Java. For IBM-compatible personal computers, a software simulator (SS) is created. SS is based on special mathematical model (MM) of human hemodynamics. MM represents the cardiovascular system (CVS) in lumped parameters and with a fixed neurohumoral background corresponding to the rest. By means of the SS the user can provide simulation scenarios including of changes in the initial state of the CVS for the calculation of the hemodynamic reactions. There are two ways to set the scenario: either from the list presented in the user interface, or from the combination of elementary procedures. In current version of the SS the atriums are absent, the cardiac activity is modeled by the description of ventricular pulsations. SS demonstrates the main regularities of the physiology of CVS in small and large circles of the circulation. SS visualizes hemodynamic transformations caused by defects of the heart valves, right / left ventricular hypofunction (due to worsening of the coronary blood flow, pathology of cardiomyocytes, myocardial hypertrophy). The hemodynamic effects caused via variations of the rate and power of contraction of the right or left ventricles were studied. It is planned to create a complex model based on MM, but taking into account the neurohumoral regulation of the heart pump, the vascular tone and blood volume. Such a complex model will be a problem-oriented information technology for the cardiologist. SS is programmed in Java. 2017 Article Симулятор пульсирующего сердца / Р.Д. Григорян, А.Г. Дегода, Е.А. Джуринский, В.С. Харсун // Проблеми програмування. — 2017. — № 4. — С. 98-108. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1727-4907 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/144513 612.51.001.57+519.6 ru Проблеми програмування Інститут програмних систем НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
spellingShingle Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
Григорян, Р.Д.
Дегода, А.Г.
Джуринский, Е.А.
Харсун, В.С.
Симулятор пульсирующего сердца
Проблеми програмування
description Для совместимых с IBM персональных компьютеров создан программный симулятор (ПС), основанный на математической модели (ММ) гемодинамики человека. ММ представляет сердечно-сосудистую систему (ССС) в сосредоточенных параметрах и при фиксированном нейрогуморальном фоне, соответствующем состоянию покоя. Назначение ПС – имитация пользователем сценариев перемен в исходном состоянии ССС для вычисления реакций гемодинамики. Есть два способа задания сценария: либо из списка, представленного в интерфейсе пользователя, либо формированием из комбинаций элементарных процедур. Планируется на базе ММ создать комплексную модель с учетом нейрогуморальной регуляции сердечного насоса, тонуса сосудов и объема крови. В данной версии ПС предсердия отсутствуют, сердечная деятельность моделируется описанием пульсаций желудочков. ПС демонстрирует основные закономерностей физиологии ССС в малом и большом кругах кровообращения. ПС позволяет визуализировать трансформации гемодинамики при дефектах сердечных клапанов, гипофункции правого/левого желудочков (из-за ухудшения коронарного кровотока, патологии кардиомиоцитов, гипертрофии миокарда). Исследовано влияние скорости и мощности сокращения правого или левого желудочков сердца на гемодинамику. После разработки комплексной модели на базе ПС будет создана информационная технология, ориентированная на кардиолога. Язык программирования – Java.
format Article
author Григорян, Р.Д.
Дегода, А.Г.
Джуринский, Е.А.
Харсун, В.С.
author_facet Григорян, Р.Д.
Дегода, А.Г.
Джуринский, Е.А.
Харсун, В.С.
author_sort Григорян, Р.Д.
title Симулятор пульсирующего сердца
title_short Симулятор пульсирующего сердца
title_full Симулятор пульсирующего сердца
title_fullStr Симулятор пульсирующего сердца
title_full_unstemmed Симулятор пульсирующего сердца
title_sort симулятор пульсирующего сердца
publisher Інститут програмних систем НАН України
publishDate 2017
topic_facet Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/144513
citation_txt Симулятор пульсирующего сердца / Р.Д. Григорян, А.Г. Дегода, Е.А. Джуринский, В.С. Харсун // Проблеми програмування. — 2017. — № 4. — С. 98-108. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series Проблеми програмування
work_keys_str_mv AT grigorânrd simulâtorpulʹsiruûŝegoserdca
AT degodaag simulâtorpulʹsiruûŝegoserdca
AT džurinskijea simulâtorpulʹsiruûŝegoserdca
AT harsunvs simulâtorpulʹsiruûŝegoserdca
first_indexed 2025-07-10T19:32:47Z
last_indexed 2025-07-10T19:32:47Z
_version_ 1837289677928792064
fulltext Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення © Р.Д. Григорян, А.Г. Дегода, Е.А. Джуринский, В.С. Харсун, 2017 98 ISSN 1727-4907. Проблеми програмування. 2017. № 4 УДК 612.51.001.57+519.6 Р.Д. Григорян, А.Г. Дегода, Е.А. Джуринский, В.С. Харсун СИМУЛЯТОР ПУЛЬСИРУЮЩЕГО СЕРДЦА Для совместимых с IBM персональных компьютеров создан программный симулятор (ПС), основан- ный на математической модели (ММ) гемодинамики человека. ММ представляет сердечно- сосудистую систему (ССС) в сосредоточенных параметрах и при фиксированном нейрогуморальном фоне, соответствующем состоянию покоя. Назначение ПС – имитация пользователем сценариев пе- ремен в исходном состоянии ССС для вычисления реакций гемодинамики. Есть два способа задания сценария: либо из списка, представленного в интерфейсе пользователя, либо формированием из ком- бинаций элементарных процедур. Планируется на базе ММ создать комплексную модель с учетом нейрогуморальной регуляции сердечного насоса, тонуса сосудов и объема крови. В данной версии ПС предсердия отсутствуют, сердечная деятельность моделируется описанием пульсаций желудоч- ков. ПС демонстрирует основные закономерностей физиологии ССС в малом и большом кругах кро- вообращения. ПС позволяет визуализировать трансформации гемодинамики при дефектах сердечных клапанов, гипофункции правого/левого желудочков (из-за ухудшения коронарного кровотока, пато- логии кардиомиоцитов, гипертрофии миокарда). Исследовано влияние скорости и мощности сокра- щения правого или левого желудочков сердца на гемодинамику. После разработки комплексной мо- дели на базе ПС будет создана информационная технология, ориентированная на кардиолога. Язык программирования – Java. Ключевые слова: математическая модель, желудочки сердца, клапаны, кардиология, учебный процесс, информационная технология. Введение В списке причин смерти кардиоло- гические патологии занимают одно из пер- вых мест. Главными предшественниками дисфункции сердца и недостаточности кровообращения являются инфаркт мио- карда (ИМ), фибрилляции желудочков, низкое сократительное усилие миокарда, аритмии, а также гипертрофия [1–3]. За исключением возникшего из-за внезапной закупорки венечных сосудов ИМ, пере- численные патологии развиваются как следствие постепенных изменений в био- физических характеристиках ряда узлов сердца. Стремясь компенсировать сердеч- ную недостаточность, адаптационные ме- ханизмы перестраивают функционирова- ние всей ССС. Поэтому успешная борьба с каждой из перечисленных патологий предполагает знания механизмов функци- онирования ССС. Хотя в этом деле суще- ственную помощь оказали математические модели [4–8], они слишком схематично описывают пульсирующую деятельность сердца и гемодинамику в целом. В частности, значительное число пациентов с проблемами нарушенной функции пейсмекеров синусного узла имеют имплантированный электростиму- лятор сердца. Если человек ведет актив- ный образ жизни, желательно чтобы ритм электростимуляции управлялся автомати- чески. Прежде чем разработать адекватные алгоритмы автоматического управления сердечным ритмом в разных состояниях человека, требуются более фундаменталь- ные физиологические знания о функцио- нировании ССС [9]. Такие знания появи- лись лишь недавно [10, 11]: стало понятно, что ССС – это часть физиологических су- персистем, совместно оптимизирующих жизнедеятельность клеток на фоне экзо- генных (эндогенных) возмущений. Новое понимание организма требует переосмыс- ления подходов к моделированию физио- логических систем человека [12]. Поэтому после первой попытки моделирования пульсирующего сердца [13], мы вновь вер- нулись к данной проблеме с учетом кон- цептуальных сдвигов [9–10]. Хотя пульсации моделируются по- средством переменной эластичности камер сердца [4–8, 14–16], описания процесса электромеханического сопряжения и по- следующего развития сократительной дея- тельности миоцитов соответствующих камер сердца далеки от реальной кардио- динамики [17, 18]. Нередко авторы огра- ничивались лишь схематичным представ- Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 99 лением пульсаций с помощью функции синуса [7]. Между тем, изменения эла- стичности органа представляет собой по- пуляционный эффект [10], т. е. складыва- ется из темпоральной динамики состояния клеток разной пространственной локали- зации. Известно, что на ультраструктур- ном уровне клетки миокарда одной и той же популяции (например, левого желудоч- ка) слегка различаются [11]. Различия по- рогов реагирования на пришедший воз- буждающий электрический сигнал привя- заны к пространственной локализации кардиомиоцита. Ранее нами была показа- на, что подобная неоднородность элемен- тов популяции порождает асинхронность их реагирования на сигнал и детерминиру- ет динамику популяционного эффекта [10, 13]. Таким образом, применение этих зна- ний позволит создать максимально адек- ватную модель пульсаций сердца. Ее инте- грирование в модель гемодинамики боль- шого и малого кругов кровообращения с учетом нервных и гуморальных механиз- мов регуляции функции сердца, тонуса сосудов, а также общего объема крови станет основой для разработки качествен- но нового компьютерного симулятора, ориентированного на актуальные задачи кардиологии. Цель статьи – описать базовую ма- тематическую модель гемодинамики чело- века с учетом пульсаций сердца. Основные требования к модели: допущения и ограничения Описываемая в статье модель ори- ентирована на симуляции широкого круга сценариев развития кардиологических проблем и является модификацией опуб- ликованной ранее модели [13]. Являясь первым шагом на пути создания специали- зированного моделирующего комплекса, новая разработка имеет два назначения. Во-первых, моделируя и визуализируя пульсации сердца и гемодинамики в обоих кругах кровообращения, симулятор дол- жен способствовать повышению эффек- тивности усвоения физиологических и па- тофизиологических закономерностей сту- дентами-медиками. Во-вторых, специаль- ная версия симулятора, ориентированная на кардиолога-исследователя, должна спо- собствовать внедрению современных ин- формационных технологий в процесс по- становки диагноза и выбора терапии кар- диологом. На первом шаге было необходимо создать базовую модель объекта регулиро- вания (МОР) для ее дальнейшей интегра- ции в модель физиологической регуляции (МФР) ССС посредством комплекса нейрогуморальных механизмов. В МОР должны быть включены модели сердца, малого и большого кругов кровообраще- ния. Опыт моделирования показал, что при имитации пульсирующей гемодина- мики шаг интегрирования должен быть маленьким, что приводит к большому ко- личеству вычислений. Мы ориентируемся на IBM-совместимый персональный ком- пьютер с ограниченными вычислительны- ми ресурсами. Это не позволяет симулиро- вать длительные процессы в ССС в режи- ме пульсирующей гемодинамики. Наша цель заключается в разработке такой мо- дели, которая позволит исследовать и срочные рефлекторные реакции ССС на внешние перемены, и долговременные адаптивные перенастройки нервных и гормональных ее регуляторов. Исходя из этих требований, планируется создать три версии модели сердца. Одна модель для имитации желудочковых пульсаций. Вто- рая – желудочковых и предсердных пуль- саций. Третья – для описания медленной динамики средних значений давлений, объемов и потоков крови в сердце и сосу- дах. Во всех моделях ССС представляется в сосредоточенных параметрах. При исследованиях длительных процессов в ССС последняя модель будет использоваться как основная. Шаг инте- грирования в этой модели на два порядка больше того шага, который требуется для детального воспроизведения быстрых из- менений внутрисердечной гемодинамики. Для контроля сердечной гемодинамики эпизодически (при необходимости) будут активизироваться модели пульсирующего сердца. Такая стратегия позволит суще- ственно экономить время без потери каче- ства симуляций. Модель сердца должна имитиро- вать не только физиологическую норму, но и основные гемодинамические эффек- ты, возникающие при: а) дефектах клапа- нов; б) нарушениях ритма (экстрасисто- лы, фибрилляции предсердий или желу- дочков); в) изменениях характера распре- деления пространственно-временной не- Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 100 однородности кардиомиоцитов; г) ише- мического ослабления инотропного со- стояния желудочков; д) сочетанных изме- нениях конечно-диастолической эластич- ности миокарда (правого и/или левого желудочков) и их конечно-диасто- лического объема (имитация сердечной гипертрофии). Планируется также иссле- дование причинно-следственных отноше- ний между гемодинамикой и энергетикой кардиомиоцитов. Основные допущения модели пуль- сирующего сердца сводятся к следующим:  длительность сердечного цикла hcT ( FThc /1 , где F – частота сокраще- ний сердца) принимаем постоянной;  пульсации предсердий не моде- лируем, а их объем включаем в объем по- лых (для правого предсердия) или легоч- ных вен (для правого предсердия);  принимаем длительности фаз диастолы ( dT ) и систолы ( sT ) константа- ми;  общий объем крови в ССС ( TV ) постоянен. Основные ограничения моделиро- вания обусловлены отсутствием регио- нальных механизмов саморегуляции. Но в контексте цели и задач данной разработки, эти ограничения несущественны. Структура ССС в базовой версии МОР показана на рис. 1. Рис. 1. Схема представления ССС в модели RV – правый желудочек, LV – левый желудочек, AL – легочная артерия, VL – легочная вена, АА – дуга аорты, CA – каротидная артерия, BA – артерии головы, BV – вены головы, JV – яремная вена, СV – центральная вена; LVC – нижняя полая вена, AbA – абдоминальная артерия, AbV – абдоминальная вена, HV – бедренная вена, HA – бедренная артерия, SA – артерия голеней, SV – вена голеней, VCA – виртуальный участок коронарных артерий AA СV AbA HA SA SV AbV LVC BA BV CA LV AL VL JV HV VCA RV Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 101 Математическое описание гемодинамики в сосудах Во всех участках сосудов для каж- дого момента времени )(t давление ( )(tPi ) рассчитывается на основе жесткости ( )(tDi ), объема ( )(tVi ) и ненапряженного объема ( )(tUi ) как: )())()(()( tDtUtVtP iiii  . Поток крови )(tqij из участка i в участок j рассчитывается как: )(/))()(()( trtPtPtq ijjiij  , где ijr – гидравлическое сопротивление соединения этих участков. Упрощенно зависимость ijr от поперечного сечения сосуда i –го участка вычисляем по фор- муле:        .0)(,2))(/0(0 0)(,0 )( iVtiVtiViVijr iVtiVijr tijr где ,)0(0 ii VV  а ijr0 и iV 0 – представ- ляют сопротивление и кровенаполнение i -го участка в состоянии покоя (физиоло- гической нормы). Изменения кровенаполнения i -го участка за время h вычисляем как: dthtijq t ht tijqhtiVtiV ))()(()()(    . Математическое описание пульсирующего сердца Выше приведенные уравнения мо- дифицированы для расчета давлений, по- токов крови и кровенаполнений в камерах (желудочках) сердца. Модификация каса- ется трех переменных. Во-первых, внутри сердечного цикла величины жесткости, сопротивлений входного и выходного клапанов перемены. Во-вторых, жесткий перикард ограничивает рост объема желудочков в фазе диастолы. В-третьих, уравнение для описания объемной скоро- сти крови из желудочков переписано в дифференциальной форме с учетом инер- ционности потока. Для формального описания цикли- ческих изменений характеристик камер сердца введено понятие «время внутри сердечного цикла» – ht . Независимо от длительности ( hcT ) сердечного цикла, ht равномерно (с заданным шагом h ) увели- чивается до достижения hcT , после чего ход ht вновь начинается с нуля:       hch hchh h Tt Ttht t ,0 , . hcT разделена на длительности си- столы ( sT ) и диастолы shcd TTT  . Жест- кость желудочков )( hk tD периодически изменяется от минимального значения в конце диастолы до максимального – в конце систолы: )( hk tD          hchs tT kedk sh mt kedk TtTeCD TteAD hsk khk ), 0,)1( (  , khk mt kk eAC )1(    , 2,1k . (1) В формуле (1) edkD – жесткость k -го желудочка, константы k и k определяют скорости систолического увеличения и диастолического снижения жесткости миокарда правого и левого желудочков, а изменением константы m – имитируется специфический эффект, обусловленный асинхронностью сокра- щения кардиомиоцитов данного желу- дочка. Константа kA позволяет имити- ровать различия максимальных величин kD правого ( 1k ) и левого ( 2k ) же- лудочков. Формула для расчета потока крови из правого (левого) желудочка учитывает инерционность потока, т. е.: Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 102 ),()(/)( )( tkqtOkrtOkP dt tkdq kT  где       2),()( 1),()( )( ktAAPktP ktALPktP tOkP представляет разницу (градиент) давлений внутри желудочка и в сосуде (легочная артерия или дуга аорты), kT – постоянная времени переходного процесса, а Okr – сопротивление выходного клапана правого или левого желудочка рассчитывается в соответствии с уравнениями: )(trOk , 0)(,min)1(max 0)(,minmax             tOkPOkrOkPOkeOkr tOkPOkr OkP OkeOkr   Сопротивления же входного клапа- на ( )(tIkr ) каждого желудочка определяет- ся в зависимости от значения градиента давлений )(tPIk на обе стороны клапана: , 2),()( 1),()( )(       ktkPtVLP ktkPtCVP tIkP )(tIkr . 0)(,min) )( 1(max 0)(,min )( max             tIkPIkr tIkPIkeIkr tIkPIkr tIkP IkeIkr   Константы ( IkIk  , ) задают инер- цию процесса открывания входных клапа- нов, а константы ( OkOk  , ) – инерцию закрытия выходных клапанов желудочков сердца. Ограничительная роль перикарда на объем желудочков учтена посредством введения нелинейного члена в формуле определения давления )(tIkP :           kVtkVkVtkV tkDtkUtkV kVtkVtkDtkUtkV tkP 1)(,2)1)(( )())()(( 1)(),())()(( )(  , где  и kV1 – константы аппроксимации. Для симуляции типичных гемоди- намических эффектов, связанных с ухуд- шением коронарного кровотока, в модели введен виртуальный коронарный участок. Виртуальность состоит в том, что за ди- намикой объема крови в этом участке не следим, а контролируем лишь средний за n -й кардиоцикл кровоток ( )(nqkc ). Он вычисляется с помощью средних за этот период значений давления в дуге аорты ( )(nPAA ) и сопротивления коронарных сосудов ( )(nqkc ): ,)( )( 1 )( )( 0 2 nT hc AA hc dttq nT nP )(/)()( nrnPnq kcAAkc  , .)( )( 1 )( )( 0 2 nT O hc kc hc dttr nT nr Значение )(nqkc используется для пе- рерасчета kA в формуле (*): ,)(0 n kckk enqAA     n kckckc nqnqnq )()(0)( , где )(0 nq kc представляет нормальное зна- чение )( hckc Tq , kA0 – нормальное значе- ние kA , а  – константа аппроксимации скорости ухудшения сократительной спо- собности миокарда при скачкообразном падении коронарного кровотока. Итак, при неизменных величинах нейрогуморальных воздействий на ССС, Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 103 система выше приведенных уравнений представляет собой математическую мо- дель гемодинамики человека с учетом пульсаций желудочков сердца. В даль- нейшем эта система будет представлять МОР. Для его превращения в ком- пьютерный симулятор была написана специальная программа на языке Java (openjdk-8). Сведения о программе Программа использует ряд сторон- них модулей, среди них: JFreeChart (для отображения вычислений на график), JDBI (для упрощенной работы с базой данных) и другие, менее значительные модули. Архитектурной моделью програм- мы является так называемая трёхуровне- вая архитектура, которая дифференцирует программу на 3 слоя: пользовательский интерфейс, бизнес логика (вычисление и модель ССС человека) и слой доступа к данным. Данные вычислений и модель ССС хранятся во встроенной базе данных. До- ступ к данным осуществляется с помо- щью программного драйвера SQLite, ко- торый обеспечивает максимально эффек- тивную работу с данными. ССС человека расположена в биз- нес слое программы, состоит из участков и соединений между ними. Участки пред- ставляют собой контрольные точки в си- стеме, которые обладают некоторыми свойствами, например, давление, объем, жёсткость и т. д. Примерами участков являются: лёгочная артерия, дуга аорты, брюшная вена и т. д. Среди всех участков особо системы выделены левый и правый желудочки сердца. Они отличаются тем, что логика вычислений их характеристик может меняться в зависимости от различ- ных факторов, например, времени внутри кардиоцикла. Уравнения модели решаются чис- ленным методом с помощью метода Эй- лера. Шаг интегрирования уравнений и начальные значения физиологических данных для участков и соединений можно установить через пользовательский ин- терфейс. Его вид, ориентированный на физиолога, показан на рис. 2. Рис. 2. Интерфейс пользователя Тестовые результаты симуляций Прежде чем рассмотреть результа- ты тестовых симуляций отметим, что общий объем крови ( 35300cmVs  ) и численные значения параметров моде- ли ССС соответствуют здоровому мужчине массой тела 70 кг. В данной версии модели частота сокращений серд- ца равна 1min60 F (длительность сер- дечного цикла sThc 1 , ,35.0 sTs  sTd 65.0 ). Целью тестовых исследований была настройка значений констант МОР так, чтобы: а) был достигнут установившийся режим гемодинамики; б) колебания цен- трального венозного давления ( CVP ), ле- гочного артериального ( ALP ) и венозного ( VLP ) давлений, давления в дуге аорты AAP , объемов правого ( RVV ) и левого ( LVV ) желудочков сердца находились в пределах нормы. Эти характеристики цен- тральной гемодинамики в модели показа- ны на рис. 3–5. Исходное распределение общего объема крови по участкам сосудов и серд- ца задавалось приблизительным образом. Так как модель ССС гемодинамически замкнута, после старта вычислений с Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 104 любых случайных начальных условий че- рез определенное время, зависящее от раз- броса стартовых данных объемов крови в участках, должен наступать установив- шийся режим гемодинамики. Как видно из рис. 3, давления в аорте и в левом желу- дочке достигают установившихся цикли- ческих колебаний примерно к 15-й секунде реального времени. Рис. 3. Симуляция циклических колебаний давлений в левом желудочке (Рл.ж.) и аорте (Раорта) После того, как был достигнут ре- жим физиологической нормы (Раор- та=118/82 мм рт.ст.), были симулированы отдельные динамические характеристики внутри кардиоцикла. Примеры показаны на рис. 4. Мы не будем иллюстрировать весь спектр результатов симуляций. Пожалуй, на один аспект исследований, отличаю- щий нашу модель от всех известных, следует специально остановиться. Речь идет об исследовании гемодинамических эффектов, вызываемых изменениями численного значения параметра m в формуле (1). Напомним, что этот пара- метр определяет форму кривой роста объемной жесткости миокарда в фазу систолы. Также заметим, что единствен- ным способом количественной оценки этого свойства желудочка пока остается определение максимального значения скорости нарастания систолического давления dt dP в желудочке. В нашей а б Рис. 4. Симуляция кардиоциклических колебаний центральной гемодинамики: а – давление в легочной артерии, объем и давление в правом желудочке; б – давление в аорте, объем и давление в левом желудочке модели параметр m имитирует степень синхронизации электромеханического сопряжения миоцитов данного желудоч- ка. Иначе говоря, изменение численного значения m ведет к изменению скорости нарастания жесткости миокарда. Рис. 5 ниже иллюстрирует характер связи между m и динамикой систолического нарастания жесткости миокарда )(tD левого желудоч- ка сердца при трех значениях 0.10;0.5;25.1 иm  . Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 105 Рис. 5. Симуляция влияния параметра m в формуле (1) на динамику систолического роста жесткости миокарда левого желу- дочка сердца Обсуждение результатов моделирования Диагностические возможности со- временной скорой помощи ограничены фрагментарными данными, извлекаемыми из приборов, которыми оснащена мобиль- ная группа врачей. При экспресс- диагностике ишемической болезни сердца и инфаркта миокарда трансформации электрокардиограммы косвенно указывают на метаболические неурядицы, вызванные нарушениями гемодинамики локальных зон миокарда. Но без специальных инва- зивных исследований в условиях кардио- логической клиники доктору очень трудно понять реальную картину системной и кардиальной гемодинамики. В причинно- следственных отношениях между гемоди- намикой, метаболизмом и энергетикой кардиомиоцитов, с одной стороны, и со- стоянием сердца, его клапанов и гетеро- генностями кардиомиоцитов, с другой стороны есть неочевидные закономерно- сти. Проблема в том, что методы эмпири- ческой физиологии ССС позволяют иссле- довать лишь часть этих закономерностей. В помощь эмпирике предлагались матема- тические модели, но лишь единицы из них описывают естественные пульсации серд- ца [15, 18, 20]. Наш симулятор пока охватывает лишь часть патологического спектра кар- диодинамики. К тому же в статье иллю- стрирована лишь незначительная часть реальных возможностей симулятора. Но дополнительное тестирование базовой версии модели и симулятора убедило нас в том, что она обладает достаточной но- визной и потенциалом для существенного расширения и углубления исследователь- ских возможностей кардиолога. Наиболее существенным считаем установление причинной связи между dt dP желудочка и параметрами ( kk Dm , , k и k ). Фак- тически, модель впервые используется для диагностики ослабления сократитель- ной функции миокарда из-за локальных нарушений его кровоснабжения. Возмож- но, дальнейшее исследование этой про- блемы с учетом ее энергетического аспек- та позволит рекомендовать специфиче- ские методы профилактики и ранней диа- гностики доклинических проявлений дисфункции миокарда. Симулятор предоставляет новые возможности для исследования гемодина- мических эффектов клапанных дефектов, аритмий, а также межжелудочковых де- фектов (при определенных дополнениях в математическом описании модели). Ре- зультаты симуляций, не вошедших в настоящую статью, станут предметом от- дельной публикации для специалистов (физиологов и кардиологов). Заключение Создана базовая математическая модель гемодинамики здорового человека при неизменном нейрогуморальном фоне. Модель учитывает пульсации желудочков сердца. На основе модели создана компь- ютерная программа на языке Java, пред- ставляющая специализированный симу- лятор. Он показал адекватные реакции основных характеристик кардиальной гемодинамики при некоторых вариациях значений принятых констант. Это позво- ляет считать модель как базовую для Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 106 включения в разрабатываемую МФР в качестве модели объекта регулирова- ния – МОР. В МФР hcT , sT и dT станут изменяться от цикла к циклу. Перемен- ными станут также другие характеристи- ки сердца ( kk Dm , , edkD , k и k ) и сосу- дов ( ii UD , ). Такая модель и основанная на ней компьютерная программа станут удобной информационной технологией, ориентированной на повышение эф- фективности кардиологических иссле- дований, а также средством визуализа- ции причинно-следственных зависимо- стей в процессе подготовки будущих кардиологов. 1. Lopshire J.C., Zipes D.P. Device therapy to modulate the autonomic nervous system to treat heart failure. Curr Cardiol Rep. 2012. 14(5). P. 593–600. 2. Chatterjee N.A., Singh J.P. Novel Interventional Therapies to Modulate the Autonomic Tone in Heart Failure. JACC Heart Fail. 2015. 3(10). P. 786–802. 3. Schwartz P.J., La Rovere M.T., De Ferrari G.M., Mann D.L. Circ Heart Fail. Autonomic modulation for the management of patients with chronic heart failure. 2015; 8(3). P. 619–628. 4. Shen M.J., Zipes D.P. Interventional and device-based autonomic modulation in heart failure. Heart Fail Clin. 2015. 11(2). P. 337–348. 5. Fresiello L., Ferrari G., Di Molfetta A., Zieliński K., Tzallas A., Jacobs S., et al. A cardiovascular simulator tailored for training and clinical uses. J Biomed Inform 2015. 57. P. 100–112. 6. Burkhoff D., Tyberg J.V. Why does pulmonary venous pressure rise after onset of LV dysfunction: a theoretical analysis. Am J Physiol 1993. 265. Р. 1819–1828. 7. Smith B.W., Chase J.G., Shaw G.M., Nokes R.I. Experimentally verified minimal cardio- vascular system model for rapid diagnostic assistance. Control Engineering Practice. 2005. 13. Р. 1183–1193. 8. Paeme K., Moorhead K.T., Chase J.G., Lam- bermont B., Kolh P., D’orio V., Pierard L., Moonen M., Lancellotti P., Dauby P. C., Desaive T. Mathematical multi-scale model of the cardiovascular system including mitral valve dynamics. Application to ischemic mitral insufficiency. BioMedical Engineering OnLine 2011, 10: 86. 9. Acton A. Advances in Heart Research and Application: 2013 Scolarly Edition, Atlanta (Georgia), USA: 424 p. 10. Grygoryan R.D. The Energy Basis of Reversible Adaptation. New York, USA: Nova Science, 2012. 253 p. 11. Grygoryan R.D. The Optimal Circulation: Cells’ Contribution to Arterial Pressure. New York, USA: Nova Science, 2017. 287 p. 12. Grygoryan R.D., Sagach V.F. The concept of physiological supersystems: a new stage of integrative physiology. Fiziol. Zh. 2017. 63(3): P. 58–67. 13. Grygoryan R.D., Lissov P.N. A software sim- ulator of human cardiovascular system based on its mathematical model. Problems in programming. 2004. N 4. P. 100–111. 14. Bers D.M. Excitation-Contraction Coupling and Cardiac Contractile Force. Kluwer Academic Publishers, 2002. 452 p. 15. Mynard J.P., Davidson M.R., Penny D.J., Smolich J.J. A simple, versatile valve model for use in lumped parameter and one- dimensional cardiovascular models. Int J Number Methods Biomed Eng. 2012. 28. P. 626–641. 16. Avolio A.P. Multi-branched model of the human arterial system. Med Biol Eng Comput. 1980. 18. P. 709–718. 17. Heldt T., Mukkamala R., Moody G.B., Mark R.G. CVSim: an open-source cardiovascular simulator for teaching and research. Open Pacing Electrophysiol Ther J. 2010. 3. P. 45–54. 18. van Meurs W. Modeling and simulation in biomedical engineering: applications in cardiorespiratory physiology. 1st ed. McGraw-Hill Education; 2011. 19. Mateják M, Kulhánek T, Šilar J, Privitzer P, Ježek F, Kofránek J. Physiolibrary – Modelica library for physiology. 10th International Modelica conference; 2014. 20. Hann C.E., Chase J.G., Shaw G.M. Efficient implementation of non-linear valve law and ventricular interaction dynamics in the minimal cardiac model. Comput Methods Programs Biomed. 2005. 80. P. 65–74. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Shen%20MJ%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=25834979 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Zipes%20DP%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=25834979 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25834979 https://fz.kiev.ua/index.php?list0=19 https://fz.kiev.ua/index.php?list0=19 https://fz.kiev.ua/index.php?list1=111 Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 107 References 1. Lopshire J.C., Zipes D.P. Device therapy to modulate the autonomic nervous system to treat heart failure. Curr Cardiol Rep. 2012. 14(5). P. 593–600. 2. Chatterjee N.A., Singh J.P. Novel Interven- tional Therapies to Modulate the Autonomic Tone in Heart Failure. JACC Heart Fail. 2015. 3(10). P. 786–802. 3. Schwartz P.J., La Rovere M.T., De Ferrari G.M., Mann D.L. Circ Heart Fail. Autonomic modulation for the management of patients with chronic heart failure. 2015; 8(3). P. 619–628. 4. Shen M.J., Zipes D.P. Interventional and de- vice-based autonomic modulation in heart failure. Heart Fail Clin. 2015. 11(2). P. 337–348. 5. Fresiello L., Ferrari G., Di Molfetta A., Zieliński K., Tzallas A., Jacobs S., et al. A cardiovascular simulator tailored for training and clinical uses. J Biomed Inform 2015. 57. P. 100–112. 6. Burkhoff D., Tyberg J.V. Why does pulmo- nary venous pressure rise after onset of LV dysfunction: a theoretical analysis. Am J Physiol 1993. 265. Р. 1819–1828. 7. Smith B.W., Chase J.G., Shaw G.M., Nokes R.I. Experimentally verified minimal cardio- vascular system model for rapid diagnostic assistance. Control Engineering Practice .2005. 13. Р. 1183–1193. 8. Paeme K., Moorhead K.T., Chase J.G., Lam- bermont B., Kolh P., D’orio V., Pierard L., Moonen M., Lancellotti P., Dauby P. C., De- saive T. Mathematical multi-scale model of the cardiovascular system including mitral valve dynamics. Application to ischemic mitral insufficiency. BioMedical Engineering OnLine 2011, 10: 86. 9. Acton A. Advances in Heart Research and Application: 2013 Scolarly Edition, Atlanta (Georgia), USA: 424 p. 10. Grygoryan R.D. The Energy Basis of Re- versible Adaptation. New York, USA: Nova Science, 2012. 253 p. 11. Grygoryan R.D. The Optimal Circulation: Cells’ Contribution to Arterial Pressure. New York, USA: Nova Science, 2017. 287 p. 12. Grygoryan R.D., Sagach V.F. The concept of physiological supersystems: a new stage of in- tegrative physiology. Fiziol. Zh. 2017. 63(3): P. 58–67. 13. Grygoryan R.D., Lissov P.N. A software sim- ulator of human cardiovascular system based on its mathematical model. Problems in programming. 2004. N 4. P. 100–111. 14. Bers D.M. Excitation-Contraction Coupling and Cardiac Contractile Force. Kluwer Academic Publishers, 2002. 452 p. 15. Mynard J.P., Davidson M.R., Penny D.J., Smolich J.J. A simple, versatile valve model for use in lumped parameter and one- dimensional cardiovascular models. Int J Number Methods Biomed Eng. 2012. 28. P. 626–641. 16. Avolio A.P. Multi-branched model of the human arterial system. Med Biol Eng Com- put. 1980. 18. P. 709–718. 17. Heldt T., Mukkamala R., Moody G.B., Mark R.G. CVSim: an open-source cardiovascular simulator for teaching and research. Open Pacing Electrophysiol Ther J. 2010. 3. P. 45–54. 18. van Meurs W. Modeling and simulation in biomedical engineering: applications in cardi- orespiratory physiology. 1st ed. McGraw-Hill Education; 2011. 19. Mateják M, Kulhánek T, Šilar J, Privitzer P, Ježek F, Kofránek J. Physiolibrary – Modelica library for physiology. 10th International Modelica conference; 2014. 20. Hann C.E., Chase J.G., Shaw G.M. Efficient implementation of non-linear valve law and ventricular interaction dynamics in the mini- mal cardiac model. Comput Methods Programs Biomed. 2005. 80. P. 65–74. Получено 12.10.2017 Про авторов: Григорян Рафик Давидович, заведующий отдела, доктор биологических наук. Количество научных публикаций в украинских изданиях – 130. Количество научных публикаций в зарубежных изданиях – 40. Индекс Хирша – 7. http://orcid.org/0000-0001-8762-733X, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Shen%20MJ%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=25834979 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Zipes%20DP%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=25834979 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25834979 https://fz.kiev.ua/index.php?list0=19 https://fz.kiev.ua/index.php?list1=111 http://orcid.org/0000-0001-8762-733X Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення 108 Дегода Анна Григорьевна, старший научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук. Количество научных публикаций в украинских изданиях – 10. Количество научных публикаций в зарубежных изданиях – 1. Индекс Хирша – 3. http://orcid.org/0000-0001-6364-5568, Джуринский Егор Антонович, инженер-программист. http://orcid.org/0000-0002-1636-1447, Харсун Вадим Сергеевич, инженер-программист, http://orcid.org/0000-0001-5745-0932. Место работы авторов: Институт программных систем НАН Украины, 03187, г. Киев, проспект Академика Глушкова, 40. Тел.: (044) 526 5169. Е-mail: rgrygoryan@gmail.com, anna@silverlinecrm.com, y.a.dzhurynskyi@gmail.com, vakharsun@gmail.com http://orcid.org/0000-0001-6364-5568 http://orcid.org/0000-0002-1636-1447 http://orcid.org/0000-0001-5745-0932 mailto:rgrygoryan@gmail.com mailto:anna@silverlinecrm.com mailto:y.a.dzhurynskyi@gmail.com mailto:vakharsun@gmail.com

Similar Items