Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень
У даній роботі здійснено аналіз програмного забезпечення, яке використовується при проведенні фармакокінетичних досліджень. Запропоновано веб-інтегроване програмне середовище, до складу якого входить бібліотека Java-класів, яка дозволяє моделювати основні способи введення лікарських препаратів. В...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8030 |
| 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: | Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень / В.П. Марценюк, І.Є. Андрущак // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 126-131. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859619239960248320 |
|---|---|
| author | Марценюк, В.П. Андрущак, І.Є. |
| author_facet | Марценюк, В.П. Андрущак, І.Є. |
| citation_txt | Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень / В.П. Марценюк, І.Є. Андрущак // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 126-131. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | У даній роботі здійснено аналіз програмного забезпечення, яке використовується при проведенні
фармакокінетичних досліджень. Запропоновано веб-інтегроване програмне середовище, до складу якого
входить бібліотека Java-класів, яка дозволяє моделювати основні способи введення лікарських препаратів.
В данной работе проведен анализ программного обеспечения, которое используется при проведении
фармакокинетических исследований. Предложена веб-интегрированная программная среда, в состав
которой входит библиотека Java-классов, позволяющая моделировать основные способы введения
лекарственных препаратов.
The software used for pharmacokinetic research is analyzed in this work. Web-integrated software environment
including Java-classes library is offered. It allows to simulate basic ways of drug inputs.
|
| first_indexed | 2025-11-29T01:12:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
«Искусственный интеллект» 3’2009 126
3М
УДК 61:004.45
В.П. Марценюк, І.Є. Андрущак
Тернопільський державний медичний університет імені І.Я. Горбачевського, Україна
Волинський національний університет імені Лесі Українки, Україна
marceniuk@yahoo.com
Програмне середовище
фармакокінетичних системних досліджень
У даній роботі здійснено аналіз програмного забезпечення, яке використовується при проведенні
фармакокінетичних досліджень. Запропоновано веб-інтегроване програмне середовище, до складу якого
входить бібліотека Java-класів, яка дозволяє моделювати основні способи введення лікарських препаратів.
Вступ
Більшість моделей фармакокінетики вимагають використання методів чисель-
ного моделювання, оскільки вони включають диференціальні рівняння та описи не-
лінійних процесів. Таким чином рівняння фармакокінетичних моделей призводять
до алгоритмів інтегрування, які реалізуються через мови програмування, програмне
забезпечення для моделювання або електронні таблиці. Мови програмування для мо-
делювання та комерційні пакети дозволяють підпрограмно використовувати алгоритми
інтегрування [1-4] таким чином, що немає жодного сенсу для дослідника заглиблю-
ватися в питання отримання чисельних розв’язків диференціальних рівнянь. Однак
якщо для моделювання використовується мова програмування (FORTRAN, BASIC)
або електронні таблиці (Lotus 1-2-3, QuattroPro, Microsoft Excel), тоді досліднику до-
водиться писати програмний код для відповідного алгоритму чисельного інтегрування
(наприклад, методів Ейлера, Рунге-Кутта). У таких випадках якість алгоритмів інтег-
рування залежить від того, яким чином визначені інтервали інтегрування (напри-
клад, [5], [6]).
Дослідник також повинен володіти поняттями оптимізаційних процедур, що про-
понуються пакетами програмного забезпечення, особливо якщо параметри повинні оці-
нюватися на основі експериментальних даних методами статистичної оптимізації [7].
Сучасні комп’ютери мають прийнятну швидкодію та об’єми пам’яті, що вимагаються
у фармакокінетичному моделюванні та оптимізації параметрів. Тому даний аспект
сьогодні так гостро не звучить.
Точність чисельного представлення фармакокінетичних моделей визначається
процедурою відлагодження, яка полягає в процесі пошуку помилок у комп’ютерних
програмах. «Жучки» у фармакокінетичних моделях, що описуються програмою, мо-
жуть бути наслідком помилок набору або ж нелогічних математичних тверджень. Для
усунення цих помилок важливо уважно вивірити програмні коди моделі. Комерційне
програмне забезпечення для моделювання може на етапі переведення коду моделі,
написаного мовою високого рівня, в машинну мову визначити синтаксичні / мовні
помилки, пов’язані з некоректним записом коду моделі. Однак такі можливості діагнос-
тики помилок не можуть визначити помилки, пов’язані з неправильним математич-
ним представленням процесу, описаним коректною мовою програмування без помилок
Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень
«Штучний інтелект» 3’2009 127
3М
при наборі. Відповідальність за коректне введення рівнянь, використовуючи програмне
забезпечення для моделювання, лягає на дослідника. Перевірка повинна здійснюва-
тися спочатку розробником, а потім особами, що не залучалися до розробки моделі [8].
Відповідальність за те, що комп’ютерна реалізація фармакокінетичної моделі не
містить помилок, лежить на розробнику моделі. Коли розробник моделі пише свою
власну програму, слід обґрунтувати прийнятність алгоритму та кроків інтегрування.
Такі ж питання виникають до щойно створеного комерційного або відкритого про-
грамного забезпечення.
Метою даної роботи є здійснити аналіз існуючого програмного забезпечення,
яке використовується у фармакокінетичних дослідженнях, та запропонувати веб-ін-
тегроване програмне середовище, яке реалізує основні математичні моделі введення
лікарського препарату.
Основна частина
Програмне забезпечення для фармакокінетичного моделювання включає такі
програмні продукти:
– компілятори Fortran з пакетами бібліотек IMSL, C, Pascal, Basic. Багато розробни-
ків випускають різні пакети компіляторів. Пакети з компіляторами мов програмуван-
ня вимагають знання комп’ютерного програмування. Даний підхід є найгнучкішим
способом фармакокінетичного моделювання [9], [10];
– ACSL, ACSL-Tox, або AcslXtreme (Advance Continuous Simulation Language) – роз-
робка The Aegis Technologies Group, Inc., Huntsville, AL. Найширше використовується
в перфузійному моделюванні задач токсикології [11], [12]. Мова розроблена для моде-
лювання неперервних систем, що описуються залежними від часу нелінійними ди-
ференціальними рівняннями;
– SimuSolv – розробка Dow Chemical Company, Midland, MI (на сьогодні більше не
розповсюджується поза межами компанії). Вона надає можливість використовувати мо-
ву ACSL для опису динамічних нелінійних систем, шо транслюється у FORTRAN [13];
– Matlab (The MathWorks, Natick, MA). Представляє собою математичне програмне
забезпечення з обчисленнями на основі матриць, алгоритмами, здатними розв’язувати
системи звичайних диференціальних рівнянь, графічного нелінійного моделювання
(Simulink) [3];
– Microsoft Excel (Microsoft Corporation, Redmond, WA). При цьому не потрібно ні транс-
лювати модель, ні компілювати її у програму. Але користувач сам повинен описати
алгоритм інтегрування [6], [14];
– ScoP (Simulation Control Program) – розробка Simulation Resources, Inc., Redlands,
CA. Є програмою інтерактивного керування конструюванням моделей; коли викорис-
товується разом з компілятором C compiler, то SCoP значно спрощує конструювання
програми моделювання [1];
– Stella (Isee Systems, Lebanon, NH (колишня High Performance Systems Inc.)). Це про-
грамне забезпечення Macintosh з інтерактивним графічним інтерфейсом; надає мож-
ливість користувачу генерувати моделі з діаграмами, вимагаючи мінімального знання
комп’ютерного програмування [9];
– Mathematica (Wolfram Research, Inc., Champaign, IL). Це математичне програмне
забезпечення з матричними обчисленнями; алгоритми чисельного інтегрування для роз-
в’язку систем звичайних диференціальних рівнянь [2];
Марценюк В.П., Андрущак І.Є.
«Искусственный интеллект» 3’2009 128
3М
– Berkely Madonna (Robert Macey і George Oster, University of California at Berkeley,
CA). Це програма для розв’язування диференціальних рівнянь загального призначення.
Розроблена в Berkeley при сприянні National Science Foundation і National Institutes
of Health. Сьогодні вона використовується в навчальних і комерційних закладах для
побудови математичних моделей в наукових дослідженнях і навчанні [4];
– CMATRIX (Robert Ball and Sorell L. Schwartz, Georgetown University, Washington,
DC). Це система, що дозволяє користувачу створювати компартментні моделі на ос-
нові власного біологічного матеріалу, залишаючи програмному забезпеченню побу-
дову та чисельний розв’язок диференціальних рівнянь [15];
– BASICA (California Department of Pesticide Regulation, Sacramento, CA) реалізує ал-
горитми чисельного інтегрування, розроблені для перфузійного моделювання [12];
– AVS (Application Visualization System) – розробка Advanced Visual Systems, Inc.,
Waltham, MA. Це пакет програмного забезпечення візуалізації, здатний імпортувати
оброблені зображення і поєднувати їх використання з мовою ACSL для створення
тривимірного представлення перфузійних моделей препаратів в організмі [16];
– MCSim (Drs. Bois and Maszle). Дане програмне забезпечення полегшує проведення
Баєсівського аналізу перфузійних моделей, хоча не має графічного інтерфейсу [17].
Як видно з наведеного огляду, програмні продукти, що використовуються, не
підтримують веб-технології, що створює певні проблеми з їх переносимістю на нові
платформи і ширшим використанням.
Тому в даній роботі запропоновано програмне середовище, яке реалізоване у
вигляді пакету Java-класів medbioinvestigations. До складу пакета входять наступні па-
кети і класи:
– пакет Fde містить клас DelaySystemSolution, який призначений для отримання чи-
сельного розв’язку функціонально-диференціальних рівнянь (рівнянь з дискретно або
неперервно розподіленим запізненням, інтегро-диференціальних рівнянь). Абстрактні
методи fcn та phi описують праві частини та початкові умови рівнянь і визначаються
в класах-нащадках;
– пакет Graph містить класи, призначені для графічної візуалізації розв’язків рівнянь.
Клас BoundsLocation визначає часові межі для побудови графіків розв’язків. Клас
GraphConstruction є головним в пакеті і безпосередньо здійснює побудову графіків
(при цьому використовується ще ряд допоміжних класів графічного інтерфейсу). Клас
GraphicalSearchValue дозволяє знайти момент часу, в який досягається задане зна-
чення траєкторії. Клас FunctionList призначений для збереження списку функцій для
відображення в одній графічній площині;
– пакет Pharmacokinetics містить класи з описом основних фармакокінетичних мо-
делей. У моделях використано компартментний підхід. При цьому обмін лікарським
препаратом між компартментами здійснюється відповідно до динаміки Міхаеліса-
Ментена. Так підпакет ImpulsiveInput призначений для моделювання миттєвого внут-
рішньосудинного введення лікарського препарату. Сюди входять класи: DrugMMIm-
pulse InjectionSystem – підклас класу DelaySystemSolution, що описує праві частини
рівнянь; DrugMMImpulseInjectionSystemGraph – підклас класу GraphConstruction для
побудови графіків відповідних розв’язків; DrugMMImpulseInjectionSystemGraphMenu –
клас-меню для побудови графіків; DrugMMImpulseInjectionSystemInputDataFrame – клас-
фрейм для введення початкових даних та визначення параметрів моделі; DrugMMIm-
pulseInjectionSystemLinearization – підклас класу DelaySystemSolution для проведення
лінеаризації системи. Підпакети ConstantContinuousInfusion та ExtravascularRoute мають
подібну структуру і призначені для моделювання сталої неперервної інфузії та вве-
дення лікарського препарату шляхом позасудинного русла.
Демо-версія проекту представлена в мережі Internet [18].
Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень
«Штучний інтелект» 3’2009 129
3М
На рис. 1 показані вікна з внесеними параметрами для моделі позасудинного
введення лікарського препарату та з графічним зображенням розв’язків моделі – кон-
центрації лікарського препарату в шлунково-кишковому тракті та у всьому іншому
тілі (включаючи печінку):
Рисунок 1
На рис. 2 показані вікна для вводу параметрів і з внесеними параметрами і от-
риманими розв’язками для моделі сталої неперервної інфузії лікарського препарату:
Рисунок 2
Марценюк В.П., Андрущак І.Є.
«Искусственный интеллект» 3’2009 130
3М
На рис. 3 показані вікна з внесеними параметрами та отриманими графічними
розв’язками для моделі імпульсного введення лікарського препарату:
Рисунок 3
Висновки
Наявне програмне забезпечення, яке використовується у фармакокінетичних
дослідженнях, має два суттєвих недоліки:
– програмний – воно, як правило, не є веб-інтегрованим;
– системний – відсутні засоби для моделювання ередитарних систем (з дискретно або
неперервно розподіленим запізненням та ін.).
На основі проведеного аналізу програмних продуктів, які вже використовуються,
було розроблене програмне середовище для фармакокінетики у вигляді бібліотеки Java-
класів. В перспективі таке програмне середовище повинно бути орієнтоване на побу-
дову і дослідження як компартментних, так і перфузійних моделей [19].
Література
1. Menzel D.B. Resources available for simulation in toxicology: specialized computers, generalized soft-
ware and communication networks / D.B. Menzel, R.L. Wolpert, J.R. Boger // Drink Water and Health. –
1987. – № 8. – Р. 229-254.
2. Burmaster D.E. Trivariate distribution for the height, weight, and fat of adult men / D.E. Burmaster,
D.M.A. Murray // Risk Anal. – 1998. – № 8. – Р. 385-389.
3. Easterling M.R. Comparative analysis of software for physiologically based pharmacokinetic modeling:
simulation, optimization, and sensitivity analysis / M.R. Easterling, M.V. Evans, E.M. Kenyon // Toxicol
Methods. – 2000. – № 10. – Р. 203-229.
Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень
«Штучний інтелект» 3’2009 131
3М
4. Reddy M.B. Physiological modeling of inhalation kinetics of octamethylcyclotetrasiloxane in humans du-
ring rest and exercise / M.B. Reddy, M.E. Andersen, P.E. Morrow [et al.] // Toxicol Sci. – 2003. – № 72. –
Р. 3-18.
5. Physiologically based pharmacokinetic models. Examples of their use in exposure and risk assessment /
[Saleh M.A., Blancato J.N., Nauman C.H. eds.] // Biomarkers of human exposure to pesticides. – Wa-
shington, DC : American Chemical Society, 1994. – P. 264-283.
6. Haddad S. A methodology for solving physiologically based pharmacokinetic models without the use of
simulation softwares / S. Haddad, M. Pelekis, K. Krishnan // Toxicol. – 1996. – № 85. – Р. 113-126.
7. Holmes S.L. method for optimization of pharmacokinetic models / S.L. Holmes, R.C. Ward, J.D. Galam-
bos [et al.] // Toxicol Methods. – 2000. – № 10. – Р. 41-53.
8. Clark L.H. Framework for evaluation of physiologically-based pharmacokinetic models for use in safety or
risk assessment / L.H. Clark, R.W. Setzer, H.A. Barton // Risk Anal. – 2004. – № 24(6). – Р. 1697-1717.
9. Hoang K.C.T. Physiologically based pharmacokinetic models-mathematical fundamentals and simulation
implementations // Toxicol Lett. – 1995. – № 79. – Р. 87-98.
10. Karba R. Simulation tools in pharmacokinetic modelling / R. Karba, B. Zupancic, F. Bremsak // Acta Pharm
Jugosl. – 1990. – № 40. – Р. 247-262.
11. Ramsey J.C. A physiologically-based description of the inhalation pharmacokinetics of styrene in rats
and humans / J.C. Ramsey, M.E. Andersen // Toxicol Appl Pharmacol. – 1984. – № 73. – Р. 159-175.
12. Dong M.H. Microcomputer programs for physiologically-based pharmacokinetic (PB-PK) modelling /
M.H. Dong // Comput Methods Programs Biomed. – 1994. – № 45. – Р. 213-221.
13. Rey T.D. Some aspects of using the SimuSolv program for environmental, pharmacokinetics and toxico-
logical applications / T.D. Rey, W.A. Havranek // Ecological Modeling. – 1996. – № 86. – Р. 277-282.
14. Johanson G. Spreadsheet programming: a new approach in physiologically based modeling of solvent to-
xicokinetics / G. Johanson, P.H. Naslund // Toxicol Lett. – 1998. – № 41. – Р. 115-127.
15. Ball R. Cmatrix: software for physiologically based pharmacokinetic modeling using a symbolic matrix
representation system / R. Ball, S.L. Schwartz // Comput Biol Med. – 1994. – № 24. – Р. 269-276.
16. Nichols J. Three-dimensional visualization of physiologically based kinetic model outputs / J. Nichols, P. Rhe-
ingans, D. Lothenbach [et al.] // Environ Health Perspect. – 1994. – № 102. – Р. 952-956.
17. Jonsson F. The Bayesian population approach to physiological toxicokinetic-toxicodynamic models – an
example using the MCSim software / F. Jonsson, G. Johanson // Toxicol Lett. – 2003. – Р. 143-150.
18. [Электронный ресурс]. –Режим доступу : http://intranet.tdmu.edu.ua/theacher/medkat/marcenuk/English/
Scientific%20interests/Medical Biological Investigations.html.
19. Марценюк В.П. Компартментний та перфузійний підходи до побудови моделей фармакокінетики /
В.П. Марценюк, І.Є. Андрущак // Медична інформатика та інженерія. – 2008. – № 3. – С. 7-16.
В.П. Марценюк, И.Є. Андрущак
Программная среда фармакокинетических системных исследований
В данной работе проведен анализ программного обеспечения, которое используется при проведении
фармакокинетических исследований. Предложена веб-интегрированная программная среда, в состав
которой входит библиотека Java-классов, позволяющая моделировать основные способы введения
лекарственных препаратов.
V.P. Martsenyuk, I.Ye. Andrushchak
Software Environment for Pharmacokinetic System Research
The software used for pharmacokinetic research is analyzed in this work. Web-integrated software environment
including Java-classes library is offered. It allows to simulate basic ways of drug inputs.
Стаття надійшла до редакції 03.06.2009.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8030 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-5359 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-29T01:12:24Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Марценюк, В.П. Андрущак, І.Є. 2010-04-26T15:53:29Z 2010-04-26T15:53:29Z 2009 Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень / В.П. Марценюк, І.Є. Андрущак // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 126-131. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. 1561-5359 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8030 61:004.45 У даній роботі здійснено аналіз програмного забезпечення, яке використовується при проведенні фармакокінетичних досліджень. Запропоновано веб-інтегроване програмне середовище, до складу якого входить бібліотека Java-класів, яка дозволяє моделювати основні способи введення лікарських препаратів. В данной работе проведен анализ программного обеспечения, которое используется при проведении фармакокинетических исследований. Предложена веб-интегрированная программная среда, в состав которой входит библиотека Java-классов, позволяющая моделировать основные способы введения лекарственных препаратов. The software used for pharmacokinetic research is analyzed in this work. Web-integrated software environment including Java-classes library is offered. It allows to simulate basic ways of drug inputs. uk Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України Системы принятия решений, планирования и моделирования Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень Программная среда фармакокинетических системных исследований Software Environment for Pharmacokinetic System Research Article published earlier |
| spellingShingle | Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень Марценюк, В.П. Андрущак, І.Є. Системы принятия решений, планирования и моделирования |
| title | Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень |
| title_alt | Программная среда фармакокинетических системных исследований Software Environment for Pharmacokinetic System Research |
| title_full | Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень |
| title_fullStr | Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень |
| title_full_unstemmed | Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень |
| title_short | Програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень |
| title_sort | програмне середовище фармакокінетичних системних досліджень |
| topic | Системы принятия решений, планирования и моделирования |
| topic_facet | Системы принятия решений, планирования и моделирования |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8030 |
| work_keys_str_mv | AT marcenûkvp programneseredoviŝefarmakokínetičnihsistemnihdoslídženʹ AT andruŝakíê programneseredoviŝefarmakokínetičnihsistemnihdoslídženʹ AT marcenûkvp programmnaâsredafarmakokinetičeskihsistemnyhissledovanii AT andruŝakíê programmnaâsredafarmakokinetičeskihsistemnyhissledovanii AT marcenûkvp softwareenvironmentforpharmacokineticsystemresearch AT andruŝakíê softwareenvironmentforpharmacokineticsystemresearch |