A simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics
A software simulator (SS) of the physiological mechanisms that provide the acute control of human hemodynamics is created. SS is based on a mathematical model (MM) describing reflexes, the source of information in which are mechanoreceptors located in the right ventricle of the heart, in the aortic...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | rus |
| Veröffentlicht: |
Інститут програмних систем НАН України
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/351 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Problems in programming |
Institution
Problems in programming| id |
pp_isofts_kiev_ua-article-351 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| resource_txt_mv |
ppisoftskievua/fc/b8a7e0d2fa817e4e8afcd7732d17b9fc.pdf |
| spelling |
pp_isofts_kiev_ua-article-3512024-04-28T11:00:18Z A simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics Симулятор механизмов срочной регуляции гемодинамики человека Симулятор механізмів термінового регулювання гемодинаміки людини Grygoryan, R.D. Degoda, A.G. Kharsun, V.S. Dzhurinsky, E.A. mathematical model; physiology; blood pressure; reflex regulation; information technology UDC 612.51.001.57+519.6 математическая модель; физиология; артериальное давление; рефлекторная регуляция; информационная технология УДК 612.51.001.57+519.6 математична модель; фізіологія; артеріальний тиск; рефлекторна регуляція; інформаційна технологія УДК 612.51.001.57+519.6 A software simulator (SS) of the physiological mechanisms that provide the acute control of human hemodynamics is created. SS is based on a mathematical model (MM) describing reflexes, the source of information in which are mechanoreceptors located in the right ventricle of the heart, in the aortic arch and in the carotid sinuses. A previously developed model of an uncontrollable cardiovascular system with a pulsating heart is used as an object of control (OC). In MM, the duration of the cardiac cycle, the rigidity and the unstressed volume of the vascular areas of the body are the target of regulatory actions. MM and OC are realized in C++. Oriented to the physiologist, the interface provides him / her with the ability to turn on / off any of the reflexes, to conduct test studies (including imitation of dosed blood loss or blood transfusion). SS is still functions autonomously. Subsequently, after modeling also endocrine physiological mechanisms of long-term effects on hemodynamics, SS will become a virtual tool for research of complex mechanisms that optimize human hemodynamics.Problems in programming 2019; 1: 90-98 Создан программный симулятор (ПС) физиологических механизмов срочной регуляции гемодинамики человека. ПС основан на математической модели (ММ), описывающей рефлексы, источником информации, расположенных в правом желудочке сердца, в дуге аорты и в каротидных синусах механорецепторы. В качестве объекта управления (ОУ) используется ранее разработанная модель неуправляемой сердечно-сосудистой системы с пульсирующим сердцем. В ММ мишень регуляторных воздействий – длительность сердечного цикла, жесткость и ненапряженный объем сосудистых участков тела. Комплекс ММ и ОУ реализован на С++. Ориентированный на физиолога интерфейс предоставляет ему возможность включения/выключения любого из рефлексов, проведения тестовых исследований (в том числе имитацию дозированной кровопотери или переливания крови). ПС пока функционирует автономно. В дальнейшем, после моделирования также эндокринных физиологических механизмов долговременного влияния на гемодинамику, ПС станет виртуальным средством для исследований комплексных механизмов оптимизации гемодинамики человека.Problems in programming 2019; 1: 90-98 Створено програмний симулятор (ПС) фізіологічних механізмів термінової регуляції гемодинаміки людини. ПС заснований на математичній моделі (ММ), яка описує рефлекси, джерелом інформації в яких є розташовані в правому шлуночку серця, в дузі аорти і в каротидних синусах механорецептори. Як об'єкт управління (ОУ) використовується раніше розроблена модель некерованою серцево-судинної системи з пульсуючим серцем. В ММ мішенню регуляторних впливів є тривалість серцевого циклу, жорсткість і ненаголошений обсяг судинних ділянок тіла. Комплекс ММ і ОУ реалізований на С++. Орієнтований на фізіолога інтерфейс надає йому можливість включення / вимикання будь-якого з рефлексів, проведення тестових досліджень (в тому числі імітацію дозованої крововтрати або переливання крові). ПС поки функціонує автономно. Надалі, після моделювання також ендокринних фізіологічних механізмів довгострокового впливу на гемодинаміку, ПС стане віртуальним засобом для досліджень комплексних механізмів оптимізації гемодинаміки людини.Problems in programming 2019; 1: 90-98 Інститут програмних систем НАН України 2019-03-26 Article Article application/pdf https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/351 10.15407/pp2019.01.090 PROBLEMS IN PROGRAMMING; No 1 (2019); 90-99 ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ; No 1 (2019); 90-99 ПРОБЛЕМИ ПРОГРАМУВАННЯ; No 1 (2019); 90-99 1727-4907 10.15407/pp2019.01 rus https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/351/348 Copyright (c) 2019 PROBLEMS IN PROGRAMMING |
| institution |
Problems in programming |
| baseUrl_str |
https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/oai |
| datestamp_date |
2024-04-28T11:00:18Z |
| collection |
OJS |
| language |
rus |
| topic |
mathematical model physiology blood pressure reflex regulation information technology UDC 612.51.001.57+519.6 |
| spellingShingle |
mathematical model physiology blood pressure reflex regulation information technology UDC 612.51.001.57+519.6 Grygoryan, R.D. Degoda, A.G. Kharsun, V.S. Dzhurinsky, E.A. A simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics |
| topic_facet |
mathematical model physiology blood pressure reflex regulation information technology UDC 612.51.001.57+519.6 математическая модель физиология артериальное давление рефлекторная регуляция информационная технология УДК 612.51.001.57+519.6 математична модель фізіологія артеріальний тиск рефлекторна регуляція інформаційна технологія УДК 612.51.001.57+519.6 |
| format |
Article |
| author |
Grygoryan, R.D. Degoda, A.G. Kharsun, V.S. Dzhurinsky, E.A. |
| author_facet |
Grygoryan, R.D. Degoda, A.G. Kharsun, V.S. Dzhurinsky, E.A. |
| author_sort |
Grygoryan, R.D. |
| title |
A simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics |
| title_short |
A simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics |
| title_full |
A simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics |
| title_fullStr |
A simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics |
| title_full_unstemmed |
A simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics |
| title_sort |
simulator of mechanisms of acute control of human hemodynamics |
| title_alt |
Симулятор механизмов срочной регуляции гемодинамики человека Симулятор механізмів термінового регулювання гемодинаміки людини |
| description |
A software simulator (SS) of the physiological mechanisms that provide the acute control of human hemodynamics is created. SS is based on a mathematical model (MM) describing reflexes, the source of information in which are mechanoreceptors located in the right ventricle of the heart, in the aortic arch and in the carotid sinuses. A previously developed model of an uncontrollable cardiovascular system with a pulsating heart is used as an object of control (OC). In MM, the duration of the cardiac cycle, the rigidity and the unstressed volume of the vascular areas of the body are the target of regulatory actions. MM and OC are realized in C++. Oriented to the physiologist, the interface provides him / her with the ability to turn on / off any of the reflexes, to conduct test studies (including imitation of dosed blood loss or blood transfusion). SS is still functions autonomously. Subsequently, after modeling also endocrine physiological mechanisms of long-term effects on hemodynamics, SS will become a virtual tool for research of complex mechanisms that optimize human hemodynamics.Problems in programming 2019; 1: 90-98 |
| publisher |
Інститут програмних систем НАН України |
| publishDate |
2019 |
| url |
https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/351 |
| work_keys_str_mv |
AT grygoryanrd asimulatorofmechanismsofacutecontrolofhumanhemodynamics AT degodaag asimulatorofmechanismsofacutecontrolofhumanhemodynamics AT kharsunvs asimulatorofmechanismsofacutecontrolofhumanhemodynamics AT dzhurinskyea asimulatorofmechanismsofacutecontrolofhumanhemodynamics AT grygoryanrd simulâtormehanizmovsročnojregulâciigemodinamikičeloveka AT degodaag simulâtormehanizmovsročnojregulâciigemodinamikičeloveka AT kharsunvs simulâtormehanizmovsročnojregulâciigemodinamikičeloveka AT dzhurinskyea simulâtormehanizmovsročnojregulâciigemodinamikičeloveka AT grygoryanrd simulâtormehanízmívtermínovogoregulûvannâgemodinamíkilûdini AT degodaag simulâtormehanízmívtermínovogoregulûvannâgemodinamíkilûdini AT kharsunvs simulâtormehanízmívtermínovogoregulûvannâgemodinamíkilûdini AT dzhurinskyea simulâtormehanízmívtermínovogoregulûvannâgemodinamíkilûdini AT grygoryanrd simulatorofmechanismsofacutecontrolofhumanhemodynamics AT degodaag simulatorofmechanismsofacutecontrolofhumanhemodynamics AT kharsunvs simulatorofmechanismsofacutecontrolofhumanhemodynamics AT dzhurinskyea simulatorofmechanismsofacutecontrolofhumanhemodynamics |
| first_indexed |
2025-07-17T09:34:33Z |
| last_indexed |
2025-07-17T09:34:33Z |
| _version_ |
1838499599806889984 |
| fulltext |
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
© Р.Д. Григорян, А.Г. Дегода, В.С. Харсун, Е.А. Джуринский, 2019
90 ISSN 1727-4907. Проблеми програмування. 2019. № 1
УДК 612.51.001.57+519.6 https://doi.org/10.15407/pp2019.01.090
Р.Д. Григорян, А.Г. Дегода, В.С. Харсун, Е.А. Джуринский
СИМУЛЯТОР МЕХАНИЗМОВ СРОЧНОЙ РЕГУЛЯЦИИ
ГЕМОДИНАМИКИ ЧЕЛОВЕКА
Создан программный симулятор (ПС) физиологических механизмов срочной регуляции гемодинамики
человека. ПС основан на математической модели (ММ), описывающей рефлексы, источником инфор-
мации, расположенных в правом желудочке сердца, в дуге аорты и в каротидных синусах механоре-
цепторы. В качестве объекта управления (ОУ) используется ранее разработанная модель неуправляе-
мой сердечно-сосудистой системы с пульсирующим сердцем. В ММ мишень регуляторных воздей-
ствий – длительность сердечного цикла, жесткость и ненапряженный объем сосудистых участков тела.
Комплекс ММ и ОУ реализован на С
++
. Ориентированный на физиолога интерфейс предоставляет ему
возможность включения/выключения любого из рефлексов, проведения тестовых исследований (в том
числе имитацию дозированной кровопотери или переливания крови). ПС пока функционирует авто-
номно. В дальнейшем, после моделирования также эндокринных физиологических механизмов долго-
временного влияния на гемодинамику, ПС станет виртуальным средством для исследований ком-
плексных механизмов оптимизации гемодинамики человека.
Ключевые слова: математическая модель, физиология, артериальное давление, рефлекторная регуля-
ция, информационная технология.
Введение
Срочная регуляция гемодинамики
охватывает временной интервал от секунд
до нескольких минут. Существуют не-
сколько специализированных регуляторов,
эффекторами которых является исключи-
тельно сердечно-сосудистая система
(ССС) [1]. Есть также рефлексы, в которых
наряду с ССС эффекторами выступают
легкие (например, хеморецепторные) или
почки [1, 2]. Главными быстрыми регуля-
торами состояния ССС являются артери-
альные барорецепторные рфлексы (АБР).
Наибольшие скопления рецепторов лока-
лизованы в дуге аорты и в каротидных
синусах. По сути, барорецепторы – это
механорецепторы, реагирующие на растя-
жение сосуда. Механорецепторами богат и
миокард: в каждой камере сердца имеется
свое скопление рецепторов. Они отлича-
ются порогами срабатывания и уровнями
насыщения.
Наиболее часто моделировались
гемодинамические эффекты АБР [3–9].
Однако в этих моделях недостаточно адек-
ватно описывались либо насосная функция
сердца, либо взаимодействие рефлексов.
В реальном организме имеет место
комплексная регуляция гемодинамики и
упомянутыми рефлексами, и рядом нере-
флекторных механизмов эндокринной
природы [1, 2]. Но до настоящего времени
отсутствует модель, позволяющая иссле-
довать взаимодействие этих разных по
своей природе и динамическим характери-
стикам механизмов регуляции гемодина-
мики в широких временных интервалах.
Наша цель – создать модель с воз-
можно максимальным охватом известных
физиологических регуляторов ССС. Для
этого необходимо сделать несколько ша-
гов: 1) создать модель объекта регулиро-
вания (эта модель уже разработана [8]);
2) создать модель механизмов срочной
регуляции ССС; 3) создать модель нере-
флекторных механизмов регуляции ССС;
4) объединить все модели в единый про-
граммно-моделирующий комплекс.
Цель данной работы описать мо-
дель, обозначенную в п. 2.
Основные требования к модели:
допущения и ограничения
Моделируется аддитивное действие
трех механорецепторных рефлексов, аф-
ферентные зоны, находящихся в дуге аор-
ты, в каротидных синусах и в правом же-
лудочке сердца.
Согласно физиологическим данным
[10–12], клетки синусового узла, задающие
ритм работы сердца, имеют спонтанную
http://dx.doi.org/10.7124/bc.000027
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
91
активность. Ее модулируют температура и
химический состав крови. Этот состав
формируется как многими продуктами
метаболизма клеток тела, также специаль-
ными медиаторами, выделяющихся из
пресинаптических бляшек симпатичных и
парасимпатических нервных волокон
сердца. Основной медиатор симпатиче-
ских нервов – это адреналин, а основным
медиатором парасимпатических нервов –
ацетилхолин. Скорость накопления каждо-
го медиатора в синаптической щели про-
порциональна частоте эфферентных им-
пульсов.
1.1. Формализация действия фи-
зиологических регуляторов. Вначале фор-
мализуем функцию рецепторов. Опишем
зависимость частоты афферентных им-
пульсов в многоволоконном нерве (аор-
тального, синусового или кардиального)
( )(tN j ) от динамики входного фактора,
действующего на рецептор. Для артери-
альных механорецепторов действующим
на рецептор фактором является перемен-
ное во времени давление ( )(tPj ). В есте-
ственных условиях это давление порожде-
но давлением крови в артериях или давле-
нием, созданным сердечной мышцей. Ре-
цептор имеет порог возбуждения (
*
jP ) и
уровень насыщения (
**
jP ). Между этими
экстремальными значениями входного
фактора зависимость между )(tN j и
*
)( jj PtP имеет нелинейный вид, по фор-
ме напоминающий английскую букву «S».
Анализ этой зависимости в физиологиче-
ских условиях и подходов к ее моделирова-
нию убедил нас в том, что в общем случае
функцию рецепторов следует моделировать
с помощью статической зависимости:
)(tN j
.
)(,1
)(,
1
1
)(0,0
**
**
*
))((
))((
*
*
*
j
jj
jj
tPP
j
tPP
jj
P
PtP
tPP
e
e
PtP
jjj
jjj
(1)
Константы j и j – дополнитель-
ные характеристики аппроксимации, изби-
рающие на основе эмпирики, 3,1j . Из-
менения числовых значений этих констант
позволяют имитировать изменения чув-
ствительности рецепторов к колебаниям
давления крови или механического усилия,
развиваемого миокардом.
Согласно аддитивности рефлексов,
3
1
)()(
j
jjA tNatI , где
3
1
1
j
ja . (2)
Предположение 1. Химический со-
став крови ( )(tXS ), поддерживающий дея-
тельность нейронов синусового узла серд-
ца неизменным ( SRS XtX )( ).
Предположение 2. Температура
крови ( )(tT o ) также постоянная
( 0)( oo TtT ).
Предположение 3. Самостоятель-
ным модулятором активности эфферент-
ных нейронов симпатического ( )(tEES ) и
парасимпатического центров ( )(tEEV ) го-
ловного мозга является суммарная его ак-
тивность ( )(tIBE ).
Предположение 4. Вместо описания
трансформации активности эфферентных
нейронов симпатического ( )(tEES ) и пара-
симпатического центров ( )(tEEV ) в соот-
ветствующие медиаторы, непосредственно
свяжем изменения параметров сердца и
сосудов с )(tIBE и )(tI A .
)(tEES
,)(
)(,
),(/)(
)(,
maxmin
maxmax
minmin
ESESES
ESESES
ABE
ESESES
EtEE
EtEE
tItI
EtEE
(3)
)(tEEV
,
)(,
)(),()(
)(,
maxmax
maxmin
minmin
EVESEV
EVEVEVBEA
EVEVEV
EtEE
EtEEtItI
EtEE
(4)
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
92
где ,, , – константы аппроксимации.
В данной статье принимается
0)( tIBE .
)(tEES и )(tEEV представляют об-
щую эфферентную активность многоволо-
конных нервов. Эти нервы имеют сердеч-
ные и сосудистые ветви.
Особенности динамики нервной ре-
гуляции длины сердечного цикла модели-
руем с помощью следующих двух диффе-
ренциальных уравнений:
)(tEHS
,
)(,
)(),(/)(
)(,
maxmax
maxmin
minmin
HSHSHS
HSHSHSAHBEH
HSHSHS
EtEE
EtEEtItI
EtEE
)5(
)(tEHV
,
)(,
)(),()(
)(,
maxmax
maxmin
minmin
HVHSHV
HVHVHVBEHBEH
HVHVHV
EtEE
EtEEtItI
EtEE
(6)
В уравнениях (5) и (6) константы
HH , и HH , позволяют моделировать
чувствительность )(tEES и )(tEEV к изме-
нениям всех трех их детерминантов.
Об особенностях изменения )(tTHc .
)(tTHc регулируется сердечными ветвями
симпатического и парасимпатического
нервов. Поскольку сердце функционирует
как дискретный элемент, а рефлексы с зон
правого желудочка и артериальных меха-
норецепторов активируются в различных
фазах сердечного цикла, необходима чет-
кая дифференциация этих рефлексов в
модели. Афферентная информация о ре-
зультатах растяжения правого желудочка
сердца формируется в текущем ( k ) цикле
работы сердца и поступает в продолгова-
тый мозг в текущей диастоле. Афферент-
ная информация о результатах растяже-
ния дуги аорты и каротидных синусов
формируется только в фазе систолы, а
именно, после начала фазы изгнания.
Время задержки импульсов в пути к
нейронам ядра продолговатого центра, на
их центральную обработку, а также на
процессы формирования регулирующих
нервных изменений и на высвобождение
биологически активных медиаторов та-
кие, что эти изменения могут повлиять
только на продолжительности ( 1k )-го
сердечного цикла.
Обозначим средние величины эф-
ферентных симпатических и парасимпати-
ческих импульсов k -го сердечного цикла
)(kEHS и )(kEHV , соответственно. В
данной модели допустим описание проме-
жуточного звена, превращает частоту эф-
ферентных симпатических и парасимпати-
ческих импульсов в химические медиато-
ры адреналина и ацетилхолина. Тогда
)(kEHS и )(kEHV можно вычислять
так:
,))(
)(
1
)(
,)(
)(
1
)(
)(
0
)(
0
kT
HV
Hc
HV
kT
HS
Hc
HS
Hc
Hc
dttE
kT
kE
dttE
kT
kE
(7)
)(0)1( kEEkE HSHSHS , (8)
)(0)1( kEEkE HVHVHV , (9)
где AcT – длина сердечного цикла в режи-
ме автоматизма, , и – коэффициен-
ты чувствительности )1( kTHc к измене-
ниям соответствующих факторов, с помо-
щью )(kEHS и )(kEHV модифицируют
)1( kTHc .
)1()1( kETkT HVAcHc
))(()1( 0
oo
HS TtTkE . (10)
Длины фаз диастолы ( )1( kTd ) и систолы
( )1( kTs ) вычисляем как:
)1(kTs
25.1)1(,5.0
25.1)1(25.0,1.0)1(4.0
25.0)1(,1.0
kT
kTkT
kT
c
cc
c
; (11)
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
93
)1()1()1( kTkTkT scd . (12)
Итак, система уравнений (1) – (12)
представляет математическую модель
срочной регуляции ССС человека. )(tI A
принимает значения по шкале (0,1). Диапа-
зон изменений для )(tIBE принят ( 10 ).
То есть, сигналы, возбуждающие нейроны
продолговатого мозга, меняются в диапа-
зоне от нуля до 1, в то время, как тормоз-
ные сигналы изменяются в диапазоне от
нуля до (–1). Поскольку детальной модели
)(tIBE еще не имеем, влияние этого фак-
тора на срочный рефлекс будем исследо-
вать путем предоставления дискретных
значений дискретно )(tIBE – 0.75; – 0.5;
– 0.25; 0; 0.25; 0.5; 0.75.
Влияние нервной регуляции на со-
суды зачислены путем деления общего
симпатического тонуса на региональные
звена сосудов в соответствии с их пред-
ставлением в модели неуправляемой гемо-
динамики (МНГ). Обозначаем симпатич-
ной изменения жесткости )(tDi , а нена-
пряженного объема сосудов – соответ-
ственно )(tUi . Сначала считаем измене-
ния общей активности сипматического
сосудистого нерва как:
)(tESV
SVSVSV
SVSVSVABE
SVSVSV
EtEE
EtEEtItI
EtEE
)(,
,)(),(/)(
)(,
max
max
minmin
(13)
0)()( SVSVSV EtEtE . (14)
Далее, распределяем )(tESV на
каждый участок сосудов с помощью коэф-
фициентов )(tESVi . Но расстояние до
различных участков разный. Чтобы учесть
задержку времени на пути следования
управляющих импульсов, связь между
)(tESVi и )(tESV организовано через
дифференциальное уравнение:
)(
)(
tE
dt
tEd
SVi
SVi
i
. (15)
Увеличение жесткости сосудов и
уменьшение ненапряженного объема от их
начальных значений 0iD и 0iU рассчиты-
ваются как:
)()( 0 tEqDtD SViiii , (16)
)()( 0 tEUtU SVilii , (17)
где i , q и l характеризует плотность
соответствующих нервных окончаний в
данном регионе сосудов.
Итак, система уравнений (1) – (17)
является полной базовой моделью сроч-
ной регуляции гемодинамики человека.
Эта модель описывает реакции регулято-
ров на колебания сердечной и сосудистой
гемодинамики как в течение каждого сер-
дечного цикла, а также при применении
дополнительных воздействий на гемоди-
намику.
Для симуляций гемодинамики на
компьютере была создана специальная
программа на языке С.
Сведения о программе
Технические особенности програм-
мы.
1. Исходный код написан на языке
С99.
2. Используются только такие
внешние компоненты, на которых нет ли-
цензионных ограничений.
3. Использование только необхо-
димого минимума внешних зависимостей:
• Nuklear – библиотека, состоящая
из одного заголовочного файла. Основная
ее задача – отображение графических фи-
гур и компонентов интерфейса, а также
предоставление интерактивных точек вза-
имодействия с ними. В данной программе
для построения интерфейса используется
модифицированная версия, что упрощает
использование различных драйверов;
• math.h – библиотека, реализующая
стандартные математические функции;
• Plplot – библиотека для построе-
ния графиков.
4. Использование процедурной па-
радигмы программирования.
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
94
5. Оптимизированное построение
алгоритмов.
6. Использование архитектурной
модели MVC (Model View Controller), с
четким разграничением компонентов.
7. Для компиляции используется
компилятор Clang, на основе LLVM, что
позволяет повысить качество программы.
8. Кроссплатформенность на основ-
ных операционных системах (Linux, Mac,
Windows), а также возможность импле-
ментации на других платформах, с мини-
мальными изменениями.
Описание физического представле-
ния данных. Для хранения данных исполь-
зуются файлы с собственным бинарным
представлением. Для экономии ресурсов,
обеспечения кросплатформенности и
уменьшения времени расчетов использу-
ются следующие архитектурные решения:
названия элементов не записы-
ваются в сам файл, а используются как имя
файла;
только первый бинарный блок
элемента содержит в себе все данные.
Следующие блоки содержат только дан-
ные, меняются;
для хранения метеопараметров
используется конфигурационный тексто-
вый файл;
необходимо, чтобы все файлы
находились в одной директории.
Для управления данными суще-
ствует компонент I/O, обеспечивающий
запись/считывание всех представленных
элементов.
Физическое представление состоит
из таких элементов как:
vein – общее представление па-
раметров для базовых вен и артерий, со-
держащее в себе параметры давления,
жесткости и другие параметры, являющие-
ся общими для всех производных элемен-
тов. Хранятся в файлах с меткой v_;
ventricle – представление пара-
метров желудочков сердца. Производное
от vein (путем агрегации). Хранятся в фай-
лах с меткой h_;
regulated_vein – представление
дополнительных параметров для регули-
руемой модели. Производное от vein (пу-
тем агрегации). Хранятся в файлах с мет-
кой rv_;
flow – представление парамет-
ров связей (потоков) между другими эле-
ментами. Хранятся в файлах с меткой f_;
метаданные – представление
параметров времени, карты связей и дру-
гих необходимых данных. Сохраняются в
текстовом файле конфигурции.
Описание вычислительного модуля
имеет одну точку входа (процедуру) в
файле System.h. В качестве аргумента в эту
функцию передается путь в конфигураци-
онный файл. Затем в памяти создаются
экземпляры для каждого из элементов.
Компьютерный эксперимент начи-
нается с установки его сценария и задания
текущих параметров модели (ее версию,
характер внешнего воздействия, время
экспозиции). Для решения уравнений мо-
дели используется метод трапеций.
По мере вычисления, состояние
каждого элемента записывается в соответ-
ствующий результирующий файл для
последующего отображения. Для эконо-
мии ресурсов – записывается не каждое
исчисленное состояние элементов, а толь-
ко в каждый шаг записи, заданный пользо-
вателем.
Основным способом анализа полу-
ченных результатов компьютерного экспе-
римента является визуальный анализ ди-
намики интересующихся гемодинамиче-
ских характеристик. Для визуализации
выбранных посредством пользовательско-
го интерфейса характеристик строятся их
графики.
Вид пользовательского интерфейса,
ориентированного на физиолога-исследо-
вателя, показан на рис. 1.
Интерфейс позволяет включить/вы-
ключить контур регуляции, установить
длительность симуляционного эксперимен-
та и запустить программу на исполнение.
По завершении эксперимента пользователь
на интерфейсе выбирает одну или более
характеристик гемодинамики и активирует
кнопку их визуализации в виде графиков.
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
95
Рис. 1. Интерфейс пользователя
Тестовые результаты
симуляций и их обсуждение
Прежде чем рассмотреть результа-
ты тестовых симуляций отметим, что об-
щий объем крови ( 35300 cmVs ) и чис-
ленные значения параметров модели ССС
соответствуют здоровому молодому муж-
чине массой тела 70 кг. Полагалось, что в
норме частота сокращений сердца равна
1min60 F , среднее артериальное давле-
ние равно 94 мм рт. ст., (это соответствует
пиковым значениям пульсового давления
120/80), общее периферическое сопротив-
ление составляет 1 мм рт. ст. х сек/см
3
.
На рис. 2. показаны динамика дав-
ления в дуге аорты (РА), частоты сокраще-
ний сердца F в контрольных условиях,
имитирующих покой в горизонтальном
положении тела человека без каких-либо
внешних воздействий. Как видно из отоб-
раженных на этом рисунке кривых, цикли-
ческие изменения РА характерны для усло-
вий физиологической нормы. Параметры
регуляторов подобраны таким образом,
чтобы каждый из моделируемых трех ре-
флексов вносил 1/3 суммарного рефлек-
торного ответа механизма нервной регуля-
ции на изменения афферентной импульса-
ции, приходящей из рецепторов правого
желудочка, дуги аорты и каротидных си-
нусов. Теоретически, эти весовые соотно-
шения могут быть изменены в каждом
эксперименте, что дает возможность ими-
тировать влияние усиления (ослабления)
вклада любого из них в формирование
суммарного рефлекторного ответа на кар-
диоциклические возмущения.
Для иллюстрации рефлекторного
контроля гемодинамики на более длитель-
ных отрезках времени было сымитировано
двухстороннее изменение общего объема
крови. Эти результаты показаны на рис. 3
и 4. На этих рисунках показан результат
симуляции кровопотери со скоростью
20 мл/сек до достижения максимальной
величины кровопотери 400 мл.
Рис. 2. Динамика давления в дуге аорты
(РА) и частоты сокращений сердца F в
модели рефлекторно управляемой ССС в
контрольных условиях
Рис. 3. Динамика давления в дуге аорты
(РА) и частоты сокращений сердца F в
модели неуправляемой ССС 500 мл
(со скоростью 20 мл/сек)
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
96
Разница в том, что в случае, пока-
занном на рис. 3, эта процедура имитиро-
валась на модели неуправляемой ССС, а
на рис. 4 показан результат моделирования
той же процедуры на модели с включен-
ными рефлексами. Сравнение картинок на
этих рисунках рельефно иллюстрирует
системную роль регуляторов: она состоит
в компенсации падения РА, вызванного
уменьшением центрального венозного
давления и, соответственно, притока крови
к сердцу.
Рис. 4. Динамика давления в дуге аорты
(РА) и частоты сокращений сердца F в
модели рефлекторно управляемой ССС
при имитации дозированной кровопотери
500 мл (со скоростью 20 мл/сек)
Помимо результатов, представлен-
ных на рис. 2, 3 и 4, проведены также
другие тестовые симуляции. В целом, ре-
зультаты тестовых экспериментов показа-
ли, что уравнения модели срочной регу-
ляции адекватно описывают функцию
естественных физиологических механиз-
мов, которые срочно реагируют на внут-
ренние/внешние возмущения состояния
ССС. Что касается констант, моделирую-
щих пороги рецепции, чувствительности
каждого из рефлексов, а также предель-
ные значения их функционирования, они
также подобраны достаточно адекватно.
Выводы
Создана и тестирована базовая ма-
тематическая модель механизмов срочной
рефлекторной регуляции гемодинамики
человека. Реализованная в виде автоном-
ной программы на языке С
++
модель явля-
ется симулятором, позволяющим имити-
ровать реакции гемодинамики на пульса-
ции сердца, а также на экзогенные воздей-
ствия. Модель станет компонентом в раз-
рабатываемой комплексной модели нейро-
эндокринных влияний на состояние сер-
дечно-сосудистой системы человека.
Литература
1. Brands M.W. Chronic Blood Pressure
Control. Compr. Physiol. 2012. Vol. 2.
P. 2481–2494.
2. Grygoryan R.D. The optimal circulation:
cells’ contribution to arterial pressure. 2017.
Nova Science. N.Y. 298 p.
3. Григорян Р.Д., Лиссов П.Н. Программный
имитатор сердечно-сосудистой системы
человека на основе ее математической мо-
дели. Проблеми програмування. 2004. № 4.
С. 100–111.
4. Григорян Р.Д., Лиссов П.Н., Аксенова
Т.В., Мороз А.Г. Специализированный
программно-моделирующий комплекс
«PhysiolResp». Проблеми програмування.
2009. № 2. С. 140–150.
5. Larrabide I., Blanco P.J., Urquiza S.A., Dari
E.A., Ve´nere M.J., de Souza e Silva N.A.,
Feijo´ R.A. HeMoLab – Hemodynamics
Modelling Laboratory: An application for
modelling the human cardiovascular system.
Computers in Biology and Medicine. 2012.
Vol. 42. P. 993–1004.
6. Ježe F., Kulhánek T., Kalecký K., Kofránek J.
Lumped models of the cardiovascular system
of various complexity. Biocybernetics and Bi-
omedical Engineering. 2017. Vol. 37.
Issue 4. P. 666–678.
7. Kulhánek T., Kofránek J., Mateják M. Mod-
eling of short-term mechanism of arterial
pressure control in the cardiovascular system:
Object-oriented and acausal approach. Com-
puters in Biology and Medicine. 2014.
Vol. 54. P. 137–144.
8. Григорян Р.Д., Дегода А.Г., Джуринский
Е.А., Харсун В.С. Cимулятор пульсирую-
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521617300268#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521617300268#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521617300268#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521617300268#!
https://www.sciencedirect.com/science/journal/02085216
https://www.sciencedirect.com/science/journal/02085216
https://www.sciencedirect.com/science/journal/02085216/37/4
https://www.sciencedirect.com/science/journal/02085216/37/4
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
97
щего сердца. Проблеми програмування.
2017. № 4. С. 98–108.
9. Mahdi A., Sturdy J., Ottesen J.T., Olufsen
M.S. Modeling the Afferent Dynamics of the
Baroreflex Control System. PLoS Comput
Biol. 2013 Dec; 9(12): e1003384.
10. Raphan T., Cohen B., Xiang Y., Yakushin S.
B. A Model of Blood Pressure, Heart Rate,
and Vaso-Vagal Responses Produced by Ves-
tibulo-Sympathetic Activation. Front Neuro-
sci. 2016. Vol. 10. P. 96–104.
11. Stewart J.M. Update on the theory and man-
agement of orthostatic intolerance and related
syndromes in adolescents and children. Expert
Rev. Cardiovasc. Ther. 2012. Vol. 10(11),
P. 1387–1399.
12. Kawada T., Yamamoto K., Kamiya A., Ari-
umi H., Michikami D., Shishido T., Sunagawa
K., Sugimachi M. A derivative-sigmoidal
model reproduces operating point-dependent
baroreflex neural arc transfer characteristics.
Jpn. J. Physiol. 2005. Vol. 55(3), P. 157–163.
References
1. Brands M. W. Chronic Blood Pressure Con-
trol. Compr. Physiol., 2012. Vol. 2.
P. 2481–2494.
2. Grygoryan R.D. The optimal circulation:
cells’ contribution to arterial pressure. 2017,
Nova Science, N.Y., 298 p.
3. Grygoryan R.D., Lissov P.N. A software
imitator of human cardiovascular system
basen on its mathematical model. Problems in
programming. 2004, N 4. P. 100–111.
4. Grygoryan R.D., Lissov P.N., Aksionova
T.V., Moroz A.G. A specialized software-
modeling complex «PhysiolResp». Problems
in programming. 2009, N 2. P. 140–150.
5. Larrabide I., Blanco P.J., Urquiza S.A., Dari
E.A., Ve´nere M.J., de Souza e Silva N.A.,
Feijo´ R.A. HeMoLab – Hemodynamics
Modelling Laboratory: An application for
modelling the human cardiovascular system.
Computers in Biology and Medicine. 2012.
Vol. 42. P. 993–1004.
6. Ježe F., Kulhánek T.,Kalecký K., Kofránek J.
Lumped models of the cardiovascular system
of various complexity. Biocybernetics and
Biomedical Engineering. 2017. Vol. 37.
Issue 4, P. 666–678.
7. Kulhánek T., Kofránek J. , Mateják M.
Modeling of short-term mechanism of arterial
pressure control in the cardiovascular system:
Object-oriented and acausal approach. Com-
puters in Biology and Medicine, 2014.
Vol. 54. P. 137–144.
8. Grygoryan R.D., Degoda A.G., Dzhurinsky
E.A., Kharsun V.S. A simulator of the pulsa-
tile heart. Problems in programming. 2017.
N 4. P. 98–108.
9. Mahdi A., Sturdy J., Ottesen J.T., Olufsen
M.S. Modeling the Afferent Dynamics of the
Baroreflex Control System. PLoS Comput
Biol. 2013, 9(12): e1003384.
10. Raphan T., Cohen B., Xiang Y., Yakushin S.
B. A Model of Blood Pressure, Heart Rate,
and Vaso-Vagal Responses Produced by Ves-
tibulo-Sympathetic Activation. Front Neuro-
sci. 2016. Vol. 10. P. 96–104.
11. Stewart J.M. Update on the theory and man-
agement of orthostatic intolerance and related
syndromes in adolescents and children. Expert
Rev. Cardiovasc. Ther. 2012. Vol. 10(11).
P. 1387–1399.
12. Kawada T., Yamamoto K., Kamiya A., Ari-
umi H., Michikami D., Shishido T., Sunagawa
K., Sugimachi M. A derivative-sigmoidal
model reproduces operating point-dependent
baroreflex neural arc transfer characteristics.
Jpn. J. Physiol. 2005. Vol. 55(3). P. 157–163.
Получено 11.02.2019
Об авторах:
Григорян Рафик Давидович,
заведующий отделом,
доктор биологических наук.
Количество научных публикаций в
украинских изданиях – 132.
Количество научных публикаций в
зарубежных изданиях – 40.
Индекс Хирша – 9.
http://orcid.org/0000-0001-8762-733X,
Дегода Анна Григорьевна,
старший научный сотрудник,
кандидат физико-математических наук.
Количество научных публикаций в
украинских изданиях – 10.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3861044/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3861044/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Raphan%20T%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Cohen%20B%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Xiang%20Y%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Yakushin%20SB%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Yakushin%20SB%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4814511/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4814511/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14962840
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14962840
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14962840
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521617300268#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521617300268#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521617300268#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521617300268#!
https://www.sciencedirect.com/science/journal/02085216
https://www.sciencedirect.com/science/journal/02085216
https://www.sciencedirect.com/science/journal/02085216/37/4
https://www.sciencedirect.com/science/journal/02085216/37/4
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3861044/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3861044/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Raphan%20T%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Cohen%20B%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Xiang%20Y%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Yakushin%20SB%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Yakushin%20SB%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=27065779
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4814511/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4814511/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14962840
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14962840
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14962840
http://orcid.org/0000-0001-8762-733X
Прикладні засоби програмування та програмне забезпечення
98
Количество научных публикаций в
зарубежных изданиях – 1.
Индекс Хирша – 3.
http://orcid.org/0000-0001-6364-5568,
Харсун Вадим Сергеевич,
инженер-программист.
Количество научных публикаций в
украинских изданиях – 1.
http://orcid.org/0000-0001-5745-0932,
Джуринский Егор Антонович,
инженер-программист.
Количество научных публикаций
в украинских изданиях – 1.
http://orcid.org/0000-0002-1636-1447.
Место работы авторов:
Институт программных систем
НАН Украины,
03187, Киев,
проспект Академика Глушкова, 40.
Тел.: (044) 526 5169.
Е-mail: rgrygoryan@gmail.com,
anna@silverlinecrm.com,
vakharsun@gmail.com,
y.a.dzhurynskyi@gmail.com
http://orcid.org/0000-0001-6364-5568
http://orcid.org/0000-0001-5745-0932
http://orcid.org/0000-0002-1636-1447
mailto:rgrygoryan@gmail.com
mailto:anna@silverlinecrm.com
mailto:vakharsun@gmail.com
mailto:y.a.dzhurynskyi@gmail.com
|