Problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology

The goal of the paper is in overview of specialized mathematical models and computer simulators created for solving both applied and theoretical problems of human physiological systems. Examples of applied models aimed at optimizing of ways for increasing the resistance of a healthy person  to prolo...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2018
Автор: Grygoryan, R.D.
Формат: Стаття
Мова:rus
Опубліковано: Інститут програмних систем НАН України 2018
Теми:
Онлайн доступ:https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/303
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Problems in programming
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Problems in programming
id pp_isofts_kiev_ua-article-303
record_format ojs
resource_txt_mv ppisoftskievua/0c/8a1f56dd466e18d08d84080cb0f9d80c.pdf
spelling pp_isofts_kiev_ua-article-3032024-04-28T11:48:08Z Problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology Проблемно-ориентированные компьютерные симуляторы в решении теоретических и прикладных задач физиологии человека Проблемно-орієнтовані комп'ютерні симулятори у вирішенні теоретичних і прикладних задач фізіології людини Grygoryan, R.D. mathematical model; bioinformatics; physiology; extreme states; teaching; diagnostics UDC 519.6+612 математическая модель; биоинформатика; физиология; экстремальные состояния; обучение; диагностика УДК 519.6+612 математична модель; біоінформатика; фізіологія; екстремальні стані; навчання; діагностика УДК 519.6+612 The goal of the paper is in overview of specialized mathematical models and computer simulators created for solving both applied and theoretical problems of human physiological systems. Examples of applied models aimed at optimizing of ways for increasing the resistance of a healthy person  to prolonged exposure to extreme loads of the environment (physical factors  of aerospace flight, as well as changed atmospheric pressure) are described. Along with models constructed within the framework of the traditional physiological paradigm of homeostasis, a model simulating the fight of organism’s different scale mechanisms against energy lack is described. This model is based on the author's concept of coexistence of cells of different specializations in a single organism. The general characteristic of the complex model and software simulator of the  organism-scale energy megasystem providing the fight of cells against energy deficit is given. The new physiological concept explained the endogenous mechanisms of circulation optimization and allowed the author to rethink the role of arterial pressure in the functioning of the body. Models of adaptive and pathological hypertrophy of the heart are briefly described. Software simulators are developed for IBM-compatible PC, programs are written in Borland Pascal for Delphi or in C++ for Visual Studio-10 environment.Problems in programming 2017; 3: 161-171 Обобщен опыт создания специализированных математических моделей и компьютерных симуляторов различных физиологических систем человека. Описаны основные характеристики прикладных моделей для оптимизации способов повышения устойчивости здорового человека к продолжительному воздействию различных экстремальных нагрузок среды (физических факторов авиакосмического полета, а также измененного атмосферного давления). Наряду с подобными моделями, построенными в рамках традиционной физиологической парадигмы гомеостаза, представлена авторская концепция сосуществования клеток разной специализации в едином организме. Новая физиологическая концепция объяснила механизмы эндогенной оптимизации кровообращения и позволила переосмыслить роль артериального давления в функционировании организма. Коротко охарактеризованы модели адаптивной и патологической гипертрофии сердца. Дана общая характеристика комплексной модели и программного симулятора энергетической мегасистемы организма, обеспечивающей борьбу клеток против дефицита энергии. Симуляторы разработаны для персональных компьютеров, совместимых с IBM, программы написаны на Borland Pascal для Delphi или C++ для среды Visual Studio-10.Problems in programming 2017; 3: 161-171 Узагальнено досвід створення спеціалізованих математичних моделей і комп'ютерних симуляторів різних фізіологічних систем людини. Описано основні характеристики прикладних моделей для оптимізації способів підвищення стійкості здорової людини до тривалого впливу різних екстремальних навантажень середовища (фізичних факторів авіакосмічного польоту, а також зміненого атмосферного тиску). Поряд з подібними моделями, побудованими в рамках традиційної фізіологічної парадигми гомеостазу, представлена авторська концепція співіснування клітин різної спеціалізації в єдиному організмі. Нова фізіологічна концепція пояснила механізми ендогенної оптимізації кровообігу і дозволила переосмислити роль артеріального тиску у функціонуванні організму. Коротко охарактеризовані моделі адаптивної і патологічної гіпертрофії серця. Дано загальну характеристику комплексної моделі та програмного симулятора енергетичної мегасистеми організму, що забезпечує боротьбу клітин проти дефіциту енергії. Симулятор розроблені для сумісних з IBM персональних коп'ютерів, програми написані на Borland Pascal для Delphi або C ++ для середовища Visual Studio-10.Problems in programming 2017; 3: 161-171 Інститут програмних систем НАН України 2018-11-12 Article Article application/pdf https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/303 10.15407/pp2017.03.161 PROBLEMS IN PROGRAMMING; No 3 (2017); 161-171 ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ; No 3 (2017); 161-171 ПРОБЛЕМИ ПРОГРАМУВАННЯ; No 3 (2017); 161-171 1727-4907 10.15407/pp2017.03 rus https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/303/297 Copyright (c) 2018 PROBLEMS OF PROGRAMMING
institution Problems in programming
baseUrl_str https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/oai
datestamp_date 2024-04-28T11:48:08Z
collection OJS
language rus
topic mathematical model
bioinformatics
physiology
extreme states
teaching
diagnostics
UDC 519.6+612
spellingShingle mathematical model
bioinformatics
physiology
extreme states
teaching
diagnostics
UDC 519.6+612
Grygoryan, R.D.
Problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology
topic_facet mathematical model
bioinformatics
physiology
extreme states
teaching
diagnostics
UDC 519.6+612
математическая модель
биоинформатика
физиология
экстремальные состояния
обучение
диагностика
УДК 519.6+612
математична модель
біоінформатика
фізіологія
екстремальні стані
навчання
діагностика
УДК 519.6+612
format Article
author Grygoryan, R.D.
author_facet Grygoryan, R.D.
author_sort Grygoryan, R.D.
title Problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology
title_short Problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology
title_full Problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology
title_fullStr Problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology
title_full_unstemmed Problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology
title_sort problem-oriented computer simulators for solving theoretical and applied tasks of human physiology
title_alt Проблемно-ориентированные компьютерные симуляторы в решении теоретических и прикладных задач физиологии человека
Проблемно-орієнтовані комп'ютерні симулятори у вирішенні теоретичних і прикладних задач фізіології людини
description The goal of the paper is in overview of specialized mathematical models and computer simulators created for solving both applied and theoretical problems of human physiological systems. Examples of applied models aimed at optimizing of ways for increasing the resistance of a healthy person  to prolonged exposure to extreme loads of the environment (physical factors  of aerospace flight, as well as changed atmospheric pressure) are described. Along with models constructed within the framework of the traditional physiological paradigm of homeostasis, a model simulating the fight of organism’s different scale mechanisms against energy lack is described. This model is based on the author's concept of coexistence of cells of different specializations in a single organism. The general characteristic of the complex model and software simulator of the  organism-scale energy megasystem providing the fight of cells against energy deficit is given. The new physiological concept explained the endogenous mechanisms of circulation optimization and allowed the author to rethink the role of arterial pressure in the functioning of the body. Models of adaptive and pathological hypertrophy of the heart are briefly described. Software simulators are developed for IBM-compatible PC, programs are written in Borland Pascal for Delphi or in C++ for Visual Studio-10 environment.Problems in programming 2017; 3: 161-171
publisher Інститут програмних систем НАН України
publishDate 2018
url https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/303
work_keys_str_mv AT grygoryanrd problemorientedcomputersimulatorsforsolvingtheoreticalandappliedtasksofhumanphysiology
AT grygoryanrd problemnoorientirovannyekompʹûternyesimulâtoryvrešeniiteoretičeskihiprikladnyhzadačfiziologiičeloveka
AT grygoryanrd problemnooríêntovaníkompûternísimulâtoriuviríšenníteoretičnihíprikladnihzadačfízíologíílûdini
first_indexed 2024-09-16T04:08:30Z
last_indexed 2024-09-16T04:08:30Z
_version_ 1818568241914576896
fulltext Методи та засоби комп'ютерного моделювання © Р.Д. Григорян, 2017 ISSN 1727-4907. Проблеми програмування. 2017. № 3 161 УДК 519.6+612 Р.Д. Григорян ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИМУЛЯТОРЫ В РЕШЕНИИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ ФИЗИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА Обобщен опыт создания специализированных математических моделей и компьютерных симуляторов различных физиологических систем человека. Описаны основные характеристики прикладных моделей для оптимизации способов повышения устойчивости здорового человека к продолжительному воздей- ствию различных экстремальных нагрузок среды (физических факторов авиакосмического полета, а также измененного атмосферного давления). Наряду с подобными моделями, построенными в рамках традиционной физиологической парадигмы гомеостаза, представлена авторская концепция сосуще- ствования клеток разной специализации в едином организме. Новая физиологическая концепция объ- яснила механизмы эндогенной оптимизации кровообращения и позволила переосмыслить роль артери- ального давления в функционировании организма. Коротко охарактеризованы модели адаптивной и па- тологической гипертрофии сердца. Дана общая характеристика комплексной модели и программного симулятора энергетической мегасистемы организма, обеспечивающей борьбу клеток против дефицита энергии. Симуляторы разработаны для персональных компьютеров, совместимых с IBM, программы написаны на Borland Pascal для Delphi или C++ для среды Visual Studio-10. Ключевые слова: математическая модель, биоинформатика, физиология, экстремальные состояния, обучение, диагностика. Введение За более чем полувековую историю моделирования физиологических систем человека выделились три основных направления [1, 2]. Первое направление – это создание моделей для уточнения спор- ных концепций физиологии человека. Второе – создание моделей и компьютер- ных программ для оптимизации способов и средств защиты человека от негативных последствий воздействия экстремальных по силе и продолжительности экзогенных физических факторов. Объединяет оба направления то, что эмпирические иссле- дования сопряжены с риском для здоровья испытуемых. Третье направление – это компьютерные симуляторы для примене- ния в учебном процессе. Накоплены специализированные программные симуляторы. Например, на сайте Института биоинформатики (г. Си- эттл, штат Вашингтон, США) http://www.physiome.org/jsim/docs/overview .html предлагаются автономные программ- ные средства, симулирующие разные ас- пекты физиологии почти всех органов, а также их систем. Пожалуй, следует отме- тить, что эти модели лишь реализовывали существующие биологические концепции. Наряду с такими моделями, предлагаются модели биофизики и биохимии субклеточ- ных механизмов. Большинство аккумули- рованных моделей ориентировано на при- менение в учебном процессе, поэтому опи- сание биологических закономерностей упрощено. В отделе проблем моделирования и надежности человеко-машинных систем Института программных систем НАН Украины работы по моделированию ве- лись преимущественно в первых двух вышеупомянутых направлениях. Мною как научного руководителя данного направления в Институте такой выбор сложился исторически. Из инженера- кибернетика я переквалифицировался в доктора биологических наук под влияни- ем академика НАН Украины Николая Михайловича Амосова. Защитив канди- датскую диссертацию [3] под его руко- водством, я и дальше продолжал исполь- зовать метод математического моделиро- вания и компьютерные симуляции для решения биологических и медицинских задач. Характерной особенностью нашего подхода к рассматриваемым проблемам http://www.physiome.org/jsim/docs/overview.html http://www.physiome.org/jsim/docs/overview.html Методи та засоби комп'ютерного моделювання 162 является то, что параллельно с разработ- кой моделей, базирующихся на общепри- нятых физиологических концепциях, нами предлагались кардинально новые физиологические теории функционирова- ния организма [4–11]. Новые теории были нацелены на системное понимание взаи- модействия клеток разной специализации в едином организме. На мой взгляд, именно модели и программные средства, основанные на новом видении работы организма человека, открывают новые пласты взаимодействия традиционных физиологов с исследователями, создаю- щих основы теоретической физиологии человека. Цель работы – описать основные оригинальные разработки моделей и симу- ляторов, а также коротко охарактеризовать базовые физиологические концепции. Прежде чем коротко охарактеризо- вать основные разработки отмечу, что успех конечного продукта в виде специа- лизированной программы определяется двумя факторами. Во-первых, необходи- ма адекватная физиологическая концеп- ция моделируемых механизмов. Во- вторых, удобный пользовательский ин- терфейс, ориентированный на физиолога- исследователя и позволяющий ему осу- ществить такие компьютерные имитаци- онные эксперименты, которые дают ему важные дополнительные сведения о тех показателях жизнедеятельности, которые ему не доступны по различным причи- нам. Поэтому в настоящей статье макси- мально охарактеризую исходную биоло- гическую проблему и способ ее модель- ного решения. Программно-моделирующий комплекс «Космонавт» Проблема. Сердечнососудистая си- стема (ССС) человека чувствительна к изменениям направления и величины гра- витационной нагрузки. Механизмы фи- зиологического управления ССС эволю- ционно сформированы для компенсации гемодинамических сдвигов, вызванных перемещениями объемов крови при из- менениях положения тела на Земле. Кос- мический полет сопровождается много- кратным увеличением гравитационной нагрузки (на этапах выведения корабля на орбиту и при его посадке), а также микро- гравитацией (во время полета без линей- ных ускорений). В цепи приспособитель- ных трансформаций ССС к микрограви- тации наименее изученным звеном оста- ется механизм переполнения кровью го- ловы. Такое переполнение сопровождает- ся ощущением дискомфорта, головными болями, тошнотой и другими вестибуляр- ными расстройствами. Отсутствие адек- ватных концепций относительно физиче- ских причин и физиологических механиз- мов сопротивления организма к измене- нию кровообращения в невесомости ме- шает оптимизации способов профилакти- ки ряда расстройств, развивающихся на этапе адаптации космонавта к микрогра- витации. Для уточнения существующих концепций необходима дополнительная информация. Однако инвазивные измере- ния требуемого большого количества по- казателей функционирования ССС в ходе космического полета небезопасны, а фи- зические сдвиги и физиологические реак- ции, выявленные с помощью наземных моделей имитации невесомости, не со- всем адекватны происходящим в условиях реального космического полета. Поэтому был создан автономный программно- моделирующий комплекс (ПМК) «Космо- навт». В его основе лежит модель в со- средоточенных параметрах, описывающая гемодинамику в трехмерной сосудистой сети человека с учетом процессов, кото- рые происходят в полостях тела при из- менениях направления и величины грави- тационной нагрузки [12]. Назначение: ПМК «Космонавт» – исследовательский инструмент для симу- ляции возможных сценариев, которые описывают гемодинамические реакции тела человека на переход из активной фа- зы выведения космического корабля на орбитальный полет. Особенностью ПМК «Космонавт» является то, что в модели описаны как гравитационная физиология ССС, так и влияние на гемодинамику экс- трасосудистых давлений в разных ком- партментах тела. ПМК «Космонавт» представляет собой количественную ма- Методи та засоби комп'ютерного моделювання 163 тематическую модель гемодинамики в сосредоточенных параметрах (1200 урав- нений), встроенную в программу (напи- санной на С++), управление которой осу- ществляется посредством интерфейса пользователя. С помощью проведенных вычисли- тельных экспериментов на ПМК «Таким образом, доказав, что в условиях микро- гравитации застой крови в голове вызван уменьшением градиента давлений между краниальными венами и центральным ве- нозным давлением, ПМК «Космонавт» позволил решить важную теоретическую задачу космической физиологии и меди- цины. Программно-моделирующий комплекс «PilAccel» Проблема. Пилот высокоскорост- ной маневренной авиации (истребители) на виражах испытывает перегрузки, мно- гократно (до 10 раз) превышающих уско- рение свободного падения. Для функцио- нирования пилота наиболее опасны пере- грузки, действующие в продольном направлении тела (+Gz – в направлении голова-ноги, –Gz – в обратном направле- нии). Существующие технологии защи- ты (обеспечения устойчивости человека к действию экстремальных по величине и продолжительности пилотажных перегру- зок ±Gz) направлены на сохранение кро- вообращения сетчатки глаз и головного мозга на уровне, достаточном для оксиге- нации региональных клеток. Но эти тех- нологии, созданные на основе эмпириче- ских исследований, не оптимальны и не лишены риска здоровью испытуемых. Для поиска оптимальных техноло- гий для повышения устойчивости пилотов истребительной авиации к пилотажным перегрузкам ±Gz предлагались упрощен- ные численные модели. Однако их низкая эффективность побудила специалистов к созданию более адекватного компьютер- ного симулятора. За основу была взята математиче- ская модель, описывающая гемодинамику здорового человека при медленно нарас- тающих умеренных (до 4g) перегрузок +Gz [13]. Ее усовершенствование велось в два этапа и финансировалось в рамках двух грантов по фундаментальным иссле- дованиям [14, 15] Сердцевиной ПМК «PilAccel» явля- ется новая количественная математическая модель системной гемодинамики человека с учетом ряда региональных особенностей. Дополнительно описываются гемодинами- ческие эффекты защитных средств (мы- шечных сокращений в ногах, повышения давления на участки тела, дыхания под избыточным давлением, а также измене- ния угла наклона спинки кресла к направ- лению вектора ускорений). Отдельно име- ется модель для конструирования профиля ускорений. Фактически, эти дополнения охватывают весь набор средств и способов борьбы против гравитационных перегру- зок. Базовая физиологическая модель [14] была ориентирована на здорового мужчину, но в следующей версии ПМК «PilAccel» была предусмотрена процедура индивидуализации модели по антропомет- рическим и гендерным характеристикам [15]. В целом, модель включает в себя 2250 уравнений, но лишь часть из них ак- туализируются посредством интерфейса пользователя. ПМК «PilAccel» написан на Borland Pascal для Delphi. Назначение: ПМК «PilAccel» – ис- следовательский инструмент для симу- ляции гемодинамических реакций чело- века на ускорения заданного профиля при отсутствии или наличии средств, служащих повышению предела перено- симости пилотами ускорений. Два приме- ра симуляции, объединенные на рисунке, иллюстрируют основное назначение спе- циализированного ПМК «PilAccel» – по- лучить максимально полную физиологи- ческую картину реагирования человека на пилотажные перегрузки. Стандартный способ тестирования способов и средств защиты пилота от негативных эффектов пилотажных перегрузок экстремальной величины и/или продолжительности со- стоит в испытаниях человека, использу- ющего набор защитных средств, в цен- трифуге. Здесь есть, две причины, побу- Методи та засоби комп'ютерного моделювання 164 дившие специалистов по авиационной медицине использовать компьютерные симуляции. Во-первых, центрифуга до- рогостоящая: ее цена составляет около 20 млн. долларов США, а час эксплуата- ции обходится несколько тысяч долларов. Во-вторых, что не менее существенно, предельные перегрузки небезопасны для испытуемых. Именно компьютерная си- муляция позволяет минимизировать оба фактора, связанные с разработкой и те- стированием новых средств защиты чело- века от пилотажных перегрузок. В верхней части изображен вид ос- новного окна интерфейса пользователя (слева) и графики результатов компьютер- ной симуляции (справа) при выполнении пилотажного маневра “Push-pull” летчи- ком, испытывающего эффективность спе- циального защитного костюма Бундесвера “Libelle”. Внизу слева показан вид интерфей- са пользователя, с помощью которого вы- браны углы наклона кресла к вектору пе- регрузок, активировано мышечное сокра- щение, включено дыхание под избыточ- ным давлением, а также заданы градиен- ты накачивания давления в секциях пнев- матического противоперегрузочного ко- стюма. Профиль перегрузок задан произ- вольным, а его график изображен в ниж- ней части окна результатов справа. Там же чуть выше представлена динамика главных гемодинамических характери- стик испытуемого. Отметим, что в обыч- ных испытаниях на центрифугах лишь незначительная часть физиологических данных контролируется. При формировании картинок для рисунка специально выбран пример, ил- люстрирующий симуляцию физиологиче- ского действия нового, разработанного немецкими специалистами противопе- регрузочного костюма “Libelle”, в кото- ром вместо стандартных пневматических камер используется защита с помощью системы шлангов, наполненных водой. Отметим, что при правильном подборе костюма прирост гидростатического дав- ления в сосудах тела и в шлангах костюма Arbitrary maneuvers Примеры симуляций на “PilAccel” “Push-pull” effect +1g -1g Accelerations Рисунок. Иллюстрации практического применения ПМК «PilAccel» Методи та засоби комп'ютерного моделювання 165 примерно одинаково. Следовательно, при продольных перегрузках направления го- лова-таз (+Gz), такая защита наиболее адекватным способом предотвращает уход крови из верхних частей тела в брюшную полость и ноги. На рисунке слева показан общий вид интерфейса пользователя. Посред- ством интерфейса перед началом компью- терного эксперимента задаются профиль ускорений, выбранную комбинацию про- тивоперегрузочных средств и пороги активации каждого. Справа показан ре- зультат симуляции – динамика основных характеристик гемодинамики (среднее давление в дуге аорты (MAP), в каротид- ных синусах (MCAP), в артериях глаз (PES), центральное венозное давление (CVP), а так начало (+Gz-Onset) и макси- мальное значение (+Gz-Max) выдержива- емых перегрузок). В небольшом нижнем окне интерфейса изображена динамика ускорений. Помимо представленных на рисун- ке характеристик, ПМК «PilAccel» опери- рует большим количеством вспомога- тельных физиологических характеристик, которые при обычных эмпирических ис- следованиях практически недоступны. Причем, ПМК «PilAccel» позволяет про- анализировать огромное количество био- логической информации с привязкой к антропометрическим характеристикам испытуемых. Хотя ПМК «PilAccel» созда- валась для углубленного исследования потенциальных индивидуальных резервов организма пилота для оптимизации спо- собов повышения переносимости экстре- мальных пилотажных перегрузок, позже специалисты лаборатории биодинамики на авиабазе Райт Паттерсона (штат Огайо) также использовали «PilAccel» для усо- вершенствования методов психологиче- ской тренировки пилотов [16]. Программно-моделирующий комплекс «PhysiolResp» Проблема. Человеческий организм чувствителен к переменам большинства физико-химических параметров окружа- ющей среды. В норме физиологические механизмы минимизируют негативные последствия внешних перемен, однако у части людей временами или хронически наблюдается патологическая чувстви- тельность (например, метеозависимость). Ухудшение качества профессионального функционирования метеозависимого че- ловека-оператора ведет к увеличению риска возникновения техногенных ката- строф. Для предотвращения или миними- зации эффектов метеочувствительности, необходимы ясные представления о ее механизмах. Но таких представлений в современной медицине нет. Метеозависимость – это комплекс- ная патология, определяемая неадекват- ной реакцией организма на изменения газового состава, температуры, влажно- сти, напряженности электрического и магнитного полей воздуха, а также атмо- сферного давления (АД). Физиологиче- ские реакции человека на изменения большинства перечисленных характери- стик атмосферы удовлетворительно изу- чены, чего нельзя утверждать о механиз- мах реагирования на скачки АД. Отсут- ствие необходимых фундаментальных знаний побудило нас к созданию специ- альной математической модели и компь- ютерной технологии для исследования механизма чувствительности человека к прохождению атмосферных фронтов [17]. Поскольку было известно, что ССС – одна из наиболее чувствительных к из- менениям АД система, вновь в основу моделирующего комплекса была положе- на модель гемодинамики. Но нас интере- совали трансформации, которые развива- ются в течение часов и дней. За это время объем крови в ССС может претерпевать существенные изменения. Поэтому необ- ходима была такая модель описываемых трансформаций, которая учитывала бы динамику пополнения жидкости в ССС и ее ухода из нее. Помимо пополнения жидкости с потребляемой водой и пищей, а также ухода жидкости посредством мочи, испа- рения с поверхности кожи и легких, необ- ходим был учет изменения давлений в межклеточном пространстве и в цито- плазме. Жидкость переходит из одного Методи та засоби комп'ютерного моделювання 166 компартмента сообщающихся сосудов в другой под градиентом давлений между этими компартментами. Давления скла- дываются из гидростатического давления жидкости, онкотического и осмотическо- го давлений. Поэтому была создана си- стема дифференциальных уравнений, свя- зывающая все необходимые переменные при заданных константах. Последние от- ражают набор физико-химических и фи- зиологических характеристик здорового среднего мужчины в условиях покоя. Эта система уравнений представляет матема- тическую модель физиологических си- стем человека. Динамику АД описывает дополнительная модель. Чтобы система из двух упомянутых моделей преврати- лась в ПМК, разрабатывались исследова- тельские алгоритмы и специальные про- граммы. Значительная часть программ создавалась для тестирования и настройки базовых моделей. Пользовательская вер- сия ПМК «PhysiolResp», обеспечиваемая посредством интерфейса, оперирует лишь частью количественных характеристик физиологических моделей. Назначение. ПМК «PhysiolResp» ориентирован на физиолога-исследова- теля и создавался для: а) выявления пер- вичных физических сдвигов, которые имели бы место при отсутствии физио- логических механизмов реагирования; б) определения потенциальных компенса- торных возможностей конкретных физио- логических механизмов для управления ими. ПМК «PhysiolResp» позволяет имитировать гемодинамические реакции здорового человека на прохождение атмо- сферных фронтов, образовавшихся в ре- зультате роста или падения местного ат- мосферного давления от его стабильного уровня. При этом, абсолютное значение исходного уровня не играет никакой роли. Преимуществом моделирования является то, что наряду с гемодинамиче- скими сдвигами предоставляется деталь- ная информация о динамике жидкостей между ССС, лимфатической системой, а также суммарным межклеточным про- странством и виртуальным суммарным внутриклеточным пространством. Лишь обладая подобными расчетными характе- ристиками здорового человека и человека с признаками чувствительности к про- хождению атмосферных фронтов, можно разобраться в причинах этой чувстви- тельности и потенциальных путях ее ми- нимизации. Моделирование показало, что для компенсации больших объемов переме- щенной жидкости из ССС в другие про- странства тела требуется адекватная за- трата энергии. Ее отсутствие в ослаблен- ном организме затягивает развитие ком- пенсаторных реакций и является главной причиной патологической чувствительно- сти человека к прохождению атмосфер- ных фронтов [17]. Программно-моделирующий комплекс «SimЕnPhysiol» Проблема. Любой организм нужда- ется в энергии для поддержания своей жизни. Универсальным внутриклеточным источником энергии является молекула аденозинтрифосфата (АТФ): распад фос- форной связи АТФ обеспечивает жизнен- ные процессы энергией. Чтобы клетка оказалась жизнеспо- собной и функциональной, необходимо, чтобы был баланс между средними скоро- стями синтеза ( sv ) и распада ( cv ) молекул АТФ. Однако факторов, изменяющих cv столь много, что физиологи не могут эм- пирическим способом устанавливать ме- ханизмы борьбы против неравенства cs vv  в масштабе целостного организма. С другой стороны хорошо известно, что хронический дефицит АТФ в клетках по- рождает деструкции и широкий спектр медленно развивающихся и трудно подда- ющихся лечению заболеваний (например, артериальная гипертония, болезни Пар- кинсона, Альцгеймера). В аэробной клетке есть два способа производства АТФ: путем анаэробного гликолиза в цитоплазме и оксигенацией производного этого гликолиза – пирувата в митохондриях. Второй способ примерно в 18 раз более эффективен первого [6, 8]. Хотя каждая клетка обладает батареей ав- тономных механизмов регулирования тем- Методи та засоби комп'ютерного моделювання 167 па синтеза АТФ, в организме высших жи- вотных и человека эволюционно сложи- лась другая батарея механизмов, помога- ющих клеткам бороться с хроническим дефицитом АТФ. В специальных теорети- ческих исследованиях была выдвинута и аргументирована принципиально новая физиологическая концепция, согласно ко- торой внешние разномасштабные меха- низмы ускоряют именно аэробный синтез АТФ [8]. Активация и взаимодействие клеточных и организменных батарей ме- ханизмов противодействия нехватке энер- гии предполагает огромное число возмож- ных сценариев. Однако эмпирическая про- верка новой физиологической концепции упиралась в отсутствие адекватных изме- рительных технологий. Поэтому возникла необходимость создания специального компьютерного симулятора, с помощью которого возможно моделирование разные сценарии возникновения причинно- следственных цепочек и динамики разви- тия конкретных реакций. Такая модель предполагала одновременный учет слож- ных трансформаций в огромном количе- стве клеток, находящихся в кардинально разных условиях. Современная физиология человека не располагает требуемыми технология- ми, поэтому нужен был иной подход, трансформирующий данную практически нерешаемую задачу в решаемую. Этим подходом стала бинарная концепция организма. Суть бинарной концепции в том, что все клетки организма можно представить в виде двух виртуальных клеток, одна из которых энергетически обеспечена, а другая – нет. Именно клет- ки второй группы вынуждены бороться за преодоление энергетического дефици- та. Эта борьба перенастраивает внутрен- нюю организацию таких клеток тех орга- нов и систем, которые вовлечены в мате- риальное обеспечение возросшего темпа синтеза АТФ. Все механизмы, участвую- щие в работе такой большой системы, ранее получили название энергетической мегасистемы – ЭМС [6, 8, 9–11]. Факти- чески, необходимо было создать дей- ствующую математическую модель ЭМС и такую программную технологию, кото- рая позволила бы физиологу-исследова- телю симулировать основные сценарии появления дефицита энергии и его пре- одоления. Именно для визуализации ре- шения физиологических проблем, ассо- циированных с поддержанием энергети- ческого баланса в клетках человека, был разработан специализированный ПМК «SimЕnPhysiol». Назначение. ПМК «SimЕnPhysiol» – новый исследовательский инструмент для решения задач интегративной физио- логии человека. Основой данного ПМК являются количественные модели батареи внутриклеточных механизмов противо- действия дисбалансу средних скоростей производства и потребления АТФ. Но среди этих механизмов особо выделен один – биогенез митохондрий. Именно он играет главную роль в борьбе клетки про- тив хронического дефицита АТФ [8, 9]. Более того, этот механизм эффективен лишь при адекватной поддержке внешних контуров ЭМС, а именно сердечнососу- дистой системы, системы внешнего дыха- ния, эритропоэза, а также системы под- держания глюкоза-инсулин гомеостаза [8]. Поэтому, для построения компьютер- ного симулятора потребовалось создание всех компонентных моделей [18–20] и их объединение в единой программной тех- нологии [21]. Результатом стал уникаль- ный по сложности ПМК «SimЕnPhysiol», обладающий широким спектром потенци- альных возможностей симуляций как сце- нариев возникновения дефицита энергии (например, локального, регионального, а также в масштабе организма) так и сцена- риев преодоления имеющегося дефицита. Это разнообразие позволяет в симуляци- онных экспериментах выявлять общие и частные проявления генеральной защит- ной реакции организма на нехватку энер- гии [22]. Базовая версия исследовательского ПМК «SimЕnPhysiol» была внедрена в отделе кровообращения Института им. А.А. Богомольца НАН Украины. Хотя в процесс его тестирования немалое из использованных принципов моделирова- ния и моделей еще предстоит осмыслить, уже на данный момент ПМК «SimЕn- Методи та засоби комп'ютерного моделювання 168 Physiol» убедительно продемонстрировал причинную связь между дефицитом энер- гии и компенсаторным развитием артери- альной гипертензии [22, 23]. Полагаю, что после дополнительного тестирования и соответствующих коррекций в настрой- ках, ПМК «SimЕnPhysiol» станет альтер- нативным инструментом физиологиче- ских исследований в интегративной физиологии человека. Есть достаточно оснований полагать, что ПМК «SimЕn- Physiol» послужит теоретическим ин- струментом для оптимизации режимов тренировок атлетов в спорте высоких до- стижений, а также при подготовке буду- щих медиков. Еще один пример применения ме- дико-физиологических симуляторов при- веден далее. Компьютерный симулятор гемодинамических эффектов гипертрофии сердца Проблема. Гипертрофия – это уве- личение размеров органа. Под термином гипертрофия миокарда (ГМ) подразумева- ется рост размеров миокарда всего сердца или его отдельных частей (например, лево- го желудочка). Различают физиологическую и па- тологическую формы ГМ. В первом слу- чае речь идет о компенсаторном увеличе- нии размеров органа для обеспечения адекватного кровоснабжения всех потре- бителей организма, во втором – это забо- левание, при котором участок миокарда (чаще всего – левого желудочка) утрачи- вает свои сократительные свойства. Од- нако общие фундаментальные механизмы развития обеих разновидностей ГМ оста- ются мало изученными. Не в последнюю очередь, сложившаяся ситуация обуслов- лена методическими трудностями. По- этому наличие специализированного ком- пьютерного симулятора для исследования причинно-следственных механизмов раз- вития ГМ может способствовать углубле- нию представлений о них. Базовая модель. Разработанная нами математическая модель (ММ) [24] гемодинамики человека является усовер- шенствованием прежних версий [5, 6, 17]. Основная новизна в формировании инте- грального тонуса симпатической нервной системы. Дополнительный фактор, опо- средованный через локальные (органные) ренин-ангиотензиновые системы [9–11], модулирует активность нисходящих сим- патических нервных волокон, иннервиру- ющих сердце и преганглионарные нейро- ны региональных сосудов. Предварительные исследования со- зданного симулятора выявили его практи- ческую адекватность [24]. Интерес к этой модели со стороны экспертного сообще- ства в рамках Researchgate и положитель- ные отзывы позволяют надеяться, что фи- зиологическую суть моделируемых явле- ний мы отразили в достаточной степени достоверности. Желающим получить информацию из оригинальных публикаций, рекомен- дую международный сайт для ученых (https://www.researchgate.net/profile/Rafik_ Grygoryan/contributions), а также https://scholar.google.ca/citations?hl=en&use r=JyonmCYAAAAJ). Выводы Наиболее значимые, с точки зрения, проблемно-ориентированные компьютер- ные симуляторы физиологических систем и функций человека, разработанные под моим руководством, вкратце представля- лись в небольшой обзорной статье. Полез- ность этих компьютерных технологий на практике во многом обязана глубокой фи- зиологической проработке проблем. Бу- дучи профессиональным кибернетиком и физиологом-теоретиком, я постарался не только разрабатывать успешные матема- тические модели и прикладные программ- ные средства. Были созданы две карди- нально новые общебиологические теории: энергетическая теория индивидуальной адаптации [6, 8] и теория оптимального кровообращения [9–11, 25]. Дополнитель- но создана новая интерпретация фунда- ментальных взаимоотношений механизма гомеостаза с механизмом адаптации [5, 6], а также аргументирована необходимость перехода к новой стадии физиологических исследований, нацеленных на раскрытие https://www.researchgate.net/profile/Rafik_Grygoryan/contributions https://www.researchgate.net/profile/Rafik_Grygoryan/contributions https://scholar.google.ca/citations?hl=en&user=JyonmCYAAAAJ https://scholar.google.ca/citations?hl=en&user=JyonmCYAAAAJ Методи та засоби комп'ютерного моделювання 169 сути и функциональной роли физиологи- ческих суперсистем в обеспечении здоро- вья человека [11, 26]. На мой взгляд, лишь интеграция новых знаний в качественно новые модели и симуляторы ведет к ис- пользованию проблемно-ориентированных симуляторов в медицине. Биологические теории созданы са- мостоятельно, но для разработки програм- мно-моделирующих комплексов мне пона- добилось активное и творческое участие соавторов. Я выражаю благодарность всем, принимающим участие в разработке. 1. Bassingthwaighte J.B. Strategies for the Phys- iome Project. Annals of Biomedical Engneering. 2000, N 28. P. 1043–1058. 2. Kohl P, Noble D. Systems biology and the virtual physiological human. Mol Syst Biol. 2009, N 5. P. 292–299. 3. Григорян Р.Д. Регуляция гемодинамики при ортостатических воздействиях (мате- матическое моделирование и эксперимен- тальные исследования). Дисс. канд. биол. наук. 1983. Киев: Институт кибернетики. 214 с. 4. Григорян Р.Д. Концепция виртуального организма в биоинформатике. Проблеми програмування. 2007. № 2. С. 140–150. 5. Григорян Р.Д. Самоорганизация гомеоста- за и адаптации. Киев. Академпериодика, 2004. 501 с. 6. Григорян Р.Д. Биодинамика и модели энергетического стресса. Киев: Ин-т про- граммных систем НАН Украины. Академ- периодика, 2009. 330 с. 7. Grygoryan R.D., Lyabakh K.G. The cornerstones of Individual Adaptation to Environmental Shifts. In: Daniels J.A. (Ed.). Advances in Environmental Research. Nova Science, New York, USA. 2012. 20. P. 39–66. 8. Grygoryan R.D. The Energy Basis of Reversible Adaptation. New York, USA: Nova Science, 2012. 253 p. 9. Григорян Р.Д. Энергетическая концепция артериального давления. Доповіді Нац. акад. наук України. 2011, № 7. С. 148–155. 10. Григорян Р.Д., Лябах Е.Г. Артериальное давление: переосмысление. Киев: Ин-т программных систем НАН Украины. Ака- демпериодика, 2015. 434 с. 11. Григорян Р.Д. Парадигма «плавающего» артериального давления. Düsseldorf, Germany: Palmarium Academic Publishing. 2016. 417 с. 12. Grygoryan R.D., Hargens A.R. A virtual multi-cellular organism with homeostatic and adaptive properties. Adaptation Biology and Medicine: Health Potentials. Ed. L. Lukyanova, N.Takeda, P.K. Singal, New Delhi: Narosa Publishing House, 2008. N 5. P. 261–282. 13. Grygoryan R.D., Kochetenko E.M. Informational technology for modeling of fighters medical testing procedures by centrifuge accelerations. Selection &Training Advances in Aviation: AGARD Conference Proceedings 588; Prague, May 25-31, PP3, 1996. P. 1–12. 14. Grygoryan R.D. Development of a hemody- namics computer model of human tolerance to high sustained acceleration exposures. EOARD Contract NoF61708-97-W0253: Fi- nal Report, 1999. 66 p. 15. Grygoryan R.D. High sustained G-tolerance model development.STCU#P-078 EOARD# 01-8001 Agreement: Final Report, 2002. 61 p. 16. Mckinley A.R., Gallimore J.J. Computational Model of Sustained Acceleration Effects on Human Cognitive Performance. Aviation Space and Environmental Medicine. 2013, 84(8): P. 780–788. 17. Григорян Р.Д., Лиссов П.Н., Аксенова Т.В., Мороз А.Г. Специализированный программно-моделирующий комплекс «PhysiolResp». Проблеми програмування. 2009, № 2. С. 140–150. 18. Григорян Р.Д., Аксьонова Т.В., Маркевич Р.В., Дериев И.И. Программный симулятор поджелудочной железы. Проблеми про- грамування. 2013. № 1. С. 100–106. 19. Григорян Р.Д., Лябах Е.Г., Лиссов П.Н., Дериев И.И., Аксенова Т.В. Моделирова- ние энергетической мегасистемы человека. Кибернетика и вычислительная техника. 2013. Вып. 174. С. 90–98. 20. Григорян Р.Д., Аксенова Т.В., Дериев И.И. Программный симулятор реакций аэроб- ной клетки на дисбаланс энергии. Пробле- ми програмування. 2014, № 1. С. 90–98. 21. Аксьонова Т.В. Програмна технологія для проведення імітаційних експериментів з математичними моделями фізіологічних систем. Проблеми програмування. 2012, № 1. С. 110–120. 22. Григорян Р.Д., Аксенова Т.В., Дегода А.Г. Компьютерный симулятор механизмов http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2724980 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2724980 Методи та засоби комп'ютерного моделювання 170 поддержания баланса энергии в клетках человека. Кибернетика и вычислительная техника. 2017. № 2 (188). С. 67–76. 23. Григорян Р.Д., Аксьонова Т.В. Моделю- вання боротьбі механізмів організму з не- стачею енергії в клітинах. Вісник універ- ситету «Україна». Серія: Інформатика, об- числювальна техника та кібернетика. 2016. С. 91–99. 24. Григорян Р.Д., Аксенова Т.В., Дегода А.Г. Моделирование механизмов и гемодина- мических эффектов гипертрофии сердца. Кибернетика и вычислительная техника. 2016. Вып. 184. С. 72–83. 25. Grygoryan R.D. The Optimal Circulation: Cells’ Contribution to Arterial Pressure. New York, USA: Nova Science, 2017. 279 p. (In press). 26. Григорян Р.Д., Сагач В.Ф. Концепція фізіологічних суперсистем: нова фаза інте- гративної фізіології. Фізіологічний журнал. 2017. № 3. C. 58–69. References 1. Bassingthwaighte J.B. Strategies for the Phys- iome Project. Annals of Biomedical Engneer- ing. 2000. N 28. P. 1043–1058. 2. Kohl P, Noble D. Systems biology and the virtual physiological human. Mol Syst Biol. 2009, N 5. P. 292–299. 3. Grigorian R.D. Hemodynamics’ control under postural changes (mathematical modeling and experimental study). Ph.D thesis.1983, Kiev: Institute of Cybernetics. 214 p. 4. Grygoryan R.D. The concept of a virtual organism in bioinformatics. Problems in programming. 2007. N 2. P. 140–150. 5. Grygoryan R.D. Self-organization of homeostasis and adaptation. Kiev: Academ- periodica, 2004. 501 p. 6. Grygoryan R.D. Biodynamics and models of energy stress. Kiev: Institute of Prog. Systems of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009. 330 p. 7. Grygoryan R.D., Lyabakh K.G. The corner- stones of Individual Adaptation to Environmental Shifts. In: Daniels J.A. (Ed.). Advances in Environmental Research. Nova Science, New York, USA. 2012. 20. P. 39–66. 8. Grygoryan R.D. The Energy Basis of Re- versible Adaptation. New York, USA: Nova Science, 2012. 253 p. 9. Grygoryan R.D. Energy concept of arterial pressure. Reports of the Nat. Acad. Sciences of Ukraine. 2011, N 7. P. 148–155. 10. Grygoryan R.D., Lyabach E.G. Arterial pres- sure: rethinking. Kiev: Institute of Software Systems of the NASU-Akademperiodika, 2015. 434 p. 11. Grygoryan R.D. Paradigm of "floating" blood pressure. Düsseldorf, Germany: Palmarium Academic Publishing. 2016. 417 p. 12. Grygoryan R.D., Hargens A.R. A virtual multi-cellular organism with homeostatic and adaptive properties. Adaptation Biology and Medicine: Health Potentials. Ed. L. Lukyanova, N.Takeda, P.K. Singal, New Delhi: Narosa Publishing House, 2008. N 5. P. 261–282. 13. Grygoryan R.D., Kochetenko E.M. Informational technology for modeling of fighters medical testing procedures by centrifuge accelerations. Selection &Training Advances in Aviation: AGARD Conference Proceedings 588; Prague, May 25-31, PP3, 1996. P. 1–12. 14. Grygoryan R.D. Development of a hemodynamics computer model of human tolerance to high sustained acceleration exposures. EOARD Contract NoF61708-97- W0253: Final Report, 1999. 66 p. 15. Grygoryan R.D. High sustained G-tolerance model development. STCU#P-078 EOARD#01-8001 Agreement: Final Report, 2002. 61 p. 16. Mckinley A.R., Gallimore J.J. Computational Model of Sustained Acceleration Effects on Human Cognitive Performance. Aviation Space and Environmental Medicine. 2013. 84(8): P. 780–788. 17. Grygoryan R.D., Lissov P.N., Aksenova T.V., Moroz A.G. Specialized software-modeling complex "PhysiolResp". Problems in programming. 2009, N 2. P. 140–150. 18. Grygoryan R.D., Aksenova T.V., Markevich R.V., Deriev I.I. Software simulator of the pancreas. Problems in programming. 2013. N 1. P. 100–106. 19. Grygoryan R.D., Lyabach E.G., Lissov P.N., Deriev I.I., Aksenova Т.V. Modeling of the energy megasystem of man. Cybernetics and computer engineering. 2013. Iss. 174. P. 90–98. 20. Grygoryan R.D., Aksenova T.V., Deriev I.I. Software simulator of aerobic cell reactions to energy imbalance. Problems in programming. 2014. N 1. P. 90–98. 21. Aksionova T.V. The program of technology for conducting simulation experiments with mathematical models of physiological sys- tems. Problems in programming. 2012, N 1. P. 110–120. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2724980 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2724980 Методи та засоби комп'ютерного моделювання 171 22. Grygoryan R.D., Aksenova T.V., Degoda A.G. Modeling of mechanisms and hemody- namic effects of cardiac hypertrophy. Cybernetics and computer engineering. 2016, Iss. 2. P. 72–83. 23. Grygoryan R.D., Aksyonova Т.V. Modeling fighting mechanisms of the body to the lack of energy in cells. Bulletin of the University "Ukraine". Series: Information, Computing and Cybernetics technics. 2016, P. 91–99. 24. Grygoryan RD, Aksenova TV, Degoda AG. A computer simulator of mechanisms providing energy balance in human cells. Cybernetics and computer engineering. 2016, Iss.184. P. 72–83. 25. Grygoryan R.D. The Optimal Circulation: Cells’ Contribution to Arterial Pressure. New York, USA: Nova Science, 2017. 279 p. (In press). 26. 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. Получено 14.06.2017 Об авторе: Григорян Рафик Давидович, заведующий отделом, доктор биологических наук, Количество научных публикаций в украинских изданиях – 130. Количество научных публикаций в зарубежных изданиях – 40. Индекс Хирша – 6. http://orcid.org/0000-0001-8762-733X. Место работы автора: Институт программных систем НАН Украины, 03187, Киев, проспект Академика Глушкова, 40. Тел.: 526 5169. Е-mail: rgrygoryan@gmail.com mailto:rgrygoryan@gmail.com