Понятие физико-информационной модели биосистемы
Физико-информационная модель биосистемы — это физический или абстрактный образ моделируемого объекта, оптимальный для проведения исследований и позволяющий правильно и адекватно отображать интересующие характеристики и свойства объекта.
Моделирование позволяет изучить объекты познания на их моделях, построение и изучение моделей реально существующих явлений, процессов, предметов и конструируемых объектов. Моделирование — это процесс замещения объекта исследования его моделью и проведение исследований на этой модели с целью получения нужной информации об объекте.
Разработка физико-информационной модели биосистемы предполагает:
- построение замкнутой физико-информационной модели явления или процесса, которая описывает поведение биологической среды с помощью системы уравнений в производных механики сплошных сред;
- разработку замыкающих систему механики сплошных сред реологических соотношений, определяющих поведение определенной среды;
- разработку и внедрение вычислительных методов, подходящих для решения определенной задачи;
- представление замкнутой системы механики сплошных сред, постановку задачи, начальных и граничных условий, а также условий на контактных границах;
- создание алгоритма решения задачи и его программное обеспечение;
- визуализацию полученных результатов и численное решение задачи.
При исследовании медицинских проблем встречаются процессы, для описания которых используются аппараты систем алгебраических уравнений, дифференцированных уравнений, теории бифуркций динамических систем. Такие модели позволяют спрогнозировать течение болезни, предсказать возможные осложнения и побочные реакции. При изучении отдельных медицинских процессов нужно решать системы дифференциальных уравнений.
Модели реакции механической системы на нагрузки можно использовать как средство для изучения разных параметров травмы (геометрия головы, сила удара, место приложения удара, атрофия мозга и др.). Численное изучение процесса распространения ударного импульса через пятислойную конструкцию черепа, показали, что такая модель является отличной противоударной защитой для вещества мозга при естественных динамических воздействиях.
Расчеты многослойных защитных конструкций могут использоваться для защиты техники, в которой находится человек, и самого человека. Разработанные вычислительные методы и алгоритмы позволяют изучать динамические процессы, протекающие в человеческом теле. Это дает возможность определить области и степени поражения тела при опасных нагрузках.
Физико-информационная модель биосистемы в медицине
Примеры использования физико-информационных моделей в медицине:
- Исследование электрокардиографической и биохимической модели инфаркта миокарда. Изучение модели помогает выявить механизм формирования инфаркта миокарда, закономерности течения патологического процесса. Сопоставление полученных результатов с клинической картиной острого инфаркта миокарда показало, что используемая модель позволяет отличить легкое течение инфаркта миокарда от тяжелого клинического течения. Тяжесть острого инфаркта определяется скоростью некротизации.
- Создание механической модели сердца позволяет изучить работу сердечной мышцы при частичном изменении механических характеристик мышцы, помогает понять, как изменится работа сердца и всей кровеносной системы в случае развития частичного некроза. Физико-информационное моделирование трехмерной модели позволяет учесть все электрохимические изменения, их связь с напряжениями в сердечной мышце и решение динамической пространственной задачи.
- Математическая модель сердца Мак Аллистера-Нобла-Тасена описывает динамику распространения импульсов в волокнах Пуркинье. Обнаружены разные режимы распространения импульсов, выяснено, что при различных режимах возбуждения возможно появление таких явлений, как автоколебания, отражения, аннигиляция, солитоноподобные режимы.
- Динамические модели пульсирующих течений несжимаемой жидкости в системе растяжимых трубок, в том числе, квазиодномерная модель несжимаемой жидкости в деформируемом кровеносном сосуде переменного сечения используется для математического описания работы дыхательной системы на участке трахея — бронхи.
- Нестационарная модель квазипериодического режима кровообращения головного мозга позволяет рассчитать динамику изменения параметров крови в разных отделах головного мозга. Была подтверждена гипотеза о связи изменений объема крови в процессе сердечного цикла с движением спинномозговой жидкости, роста амплитуды пульсовой волны, которая распространяется в сосудах Виллизиева круга, крупных артерий в грудной и брюшной полости.
Использование физико-информационных моделей позволило нейрохирургам рассчитать последствия черепно-мозговых травм. В рамках модели сплошной среды возможно рассчитать травмы костей, суставов, грудной клетки, появление гематом в мягких тканях тела. Изучение областей повреждения мозга при разных динамических воздействиях путем моделирования может дать важную информацию о последствиях травм. Трехмерная компьютерная карта мозга с высокой точностью указывает, какие области мозга управляют конкретными функциями.
Определив области повреждения мозга при разных динамических нагрузках (или при черепно-мозговых травмах) можно выяснить, какие функции организма будут нарушены. Области поражения головного мозга при черепно-мозговых травмах могут не совпадать с областью приложения удара. Это объясняет феномен «противоудара»: при ударе затылком область повреждения мозга локализуется в лобной части мозга. Численное исследование волновых процессов, образующихся в неоднородной механической конструкции, представляет собой систему человек-мозг, позволяет понять феномен «противоудара».
Создаются модели виртуальных хирургических вмешательств, возможные последствия этих операций. Например, создание моделей операций литотрипсии (раздробление камней в почках акустическими волнами, созданными лазерным импульсом или искровым разрядом). Исследование модели позволяет найти режимы работы литотриптора (интенсивность и длительность импульса, их количество).
Создание модели офтальмологического оперативного вмешательства экстракции катаракты. Операция, проводимая при помощи ультразвукового факоэмульсификатора или лазера, позволяет не повредить роговицу и сетчатку глаза, вывести мутные массы хрусталика. При этом нужно рассчитать силу импульсного воздействия на хрусталик, распространение в стекловидном теле акустического импульса, расчет динамического влияния на сетчатку, вымывание из передней камеры глаза мутных хрусталиковых масс.
