Игумнова О.В., Лукьянова Е.А., Проценко В.Д.

Российский Университет Дружбы Народов (г. Москва)

Моделирование объекта физиологического и морфологического эксперимента

Возможность проведения учебного лабораторного эксперимента в большинстве современных российских медико-биологических лабораторий сильно ограничена техническими и экономическими сложностями. Это обуславливает актуальность вопроса обеспечения медицинских вузов программными продуктами, позволяющими дополнить, а в некоторых случаях - заменить лабораторный эксперимент. Существенным аспектом проблемы разработки виртуальных лабораторных практикумов для студентов медицинских специальностей является моделирование поведения изучаемых живых систем и визуализация хода и результатов эксперимента.

Разработка моделей изучаемых объектов медико-биологического эксперимента (МБЭ) сопряжена с рядом проблем, обусловленных большой размерностью задачи и необходимостью учета множества факторов, присущих биологическим системам и влияющих на качество модели. Процессы функционирования реальных биологических систем невозможно описать полно и детально в рамках отдельной модели, что обусловлено их существенной сложностью и ограниченной возможностью адекватной формализации. По этим причинам построение универсальной модели отдельной биологической системы представляется нецелесообразным в виду ее необозримости и сложности расчета. В рамках виртуальной медико-биологической лаборатории (ВМБЛ) адекватность имитационной модели реальной биологической системе предлагается обеспечить за счет разработки библиотек базовых имитационных моделей различных уровней детализации в зависимости от особенностей структурно-функциональной организации моделируемых объектов и процессов и целей их исследования при проведении виртуальных МБЭ.

Выбор имитационного моделирования обусловлен его сравнительной простотой относительно построения аналитических моделей, поскольку имитационные модели могут строиться на базе простейших (линейных) алгебраических уравнений с отдельно организованным счетчиком времени. При этом значения параметров имитационных моделей подбираются с помощью внешних процедур оптимизации.

Разработка имитационных моделей биологических объектов включает разработку:

· общей информационной модели биологического объекта как биологической системы;

· структурно-функциональных моделей биологического объекта в целом и его структурно-функциональных подсистем;

· интерфейсов между структурно-функциональными подсистемами биологического объекта.

Информационная модель биологического объекта сводится к построению графа, в котором каждая функция и связанная с ней структура отображается в виде блока. Взаимодействие блоков, роли входных/выходных данных, отображающих информационные, энергетические и/или материальные потоки, описываются посредством интерфейсных дуг.

Одной из наиболее важных особенностей разработки структурно-функциональных моделей биологических систем является постепенное введение все больших уровней детализации. Структурно-функциональные блоки верхних уровней иерархии определяют основные процессы с внешними входами и выходами, представляющими собой дуги, соединяющиеся с внешней по отношению к модели биологического объекта моделью среды проведения эксперимента и характеризующие управляющие воздействия внешней среды и ответ объекта на воздействие. Данные блоки детализируются при помощи моделей более низкого уровня. Такая декомпозиция продолжается, создавая многоуровневую иерархию моделей, до тех пор, пока не будет достигнут уровень элементарных процессов, не подвергающихся дальнейшей детализации (рис.1)

Внешние по отношению к модели биологического объекта источники управляющего воздействия порождают информационные потоки (потоки данных), переносящие информацию к подсистемам или процессам, которые преобразуют информацию и передают ее к другим процессам или подсистемам, накопителям данных или на выход из модели. Таким образом, большое значение приобретают модели, методы и алгоритмы управления данными при имитационном моделировании биологических систем. В связи с этим при проектировании моделей объектов виртуального медико-биологического эксперимента (ВМБЭ) требуется:

· определить структуру распределения данных;

· провести анализ использования данных;

· произвести проектирование базы данных и интерфейсов;

· определить требования к аппаратным и программным ресурсам;

· определить способы увеличения производительности.

При этом целью моделирования данных является разработка концептуальной схемы данных в форме одной или нескольких моделей, которые могут быть отображены в систему баз данных. В состав такой системы данных для имитационного моделирования объекта ВМБЭ входят следующие основные компоненты:

· блок исходных данных, состоящий из массива независимых и зависимых переменных, характеризующих исходное состояние объекта ВМБЭ, параметры алгоритмов управления и входных и выходных потоков, воздействующих на объект, связанные с выбранными экспериментатором вариантами состава лабораторного оборудования и материалов и схемой проведения эксперимента;

· блок расчета модельных данных, представляющий собой имитационную модель объекта ВБМЭ в виде уравнений расчета переменных, определяющих протекание и результаты эксперимента. Данный блок может включать:

o Модель функционирования биологической системы

o Модели материальных и энергетических потоков / воздействий

o Модели формирования потоков

o Модели управления воздействиями

o Алгоритмы управления процессами

o Алгоритмы управления воздействиями

· блок параметров, участвующих в расчете модельных данных и изменяемых в процессе настройки:

o Параметры лабораторного оборудования и материалов

o Параметры начальных и промежуточных состояний

o Параметры процессов

o Схемы имитационных экспериментов

o Параметры водных и выходных потоков / воздействий на объект и его подсистемы

o Параметры алгоритмов управления

· блок расчета отличий реальных и расчетных значений переменных;

· блок процедуры настройки для минимизации величины отличий значений выходных переменных имитационной модели и стандартного МБЭ;

· блок записи хода и результатов ВМБЭ в базы данных, регистрирующий параметры промежуточных и конечного состояний моделируемого объекта и отдельных компонентов биологической системы.

Различия объектов физиологического и морфологического МБЭ как объектов динамического и статического моделирования [1] обуславливает необходимость разработки совместимых систем баз данных для принципиально различных типов данных. Так, имитационная модель объекта физиологического МБЭ описывается базами уравнений, определяющих характер изменения ключевых параметров состояния объекта, модель объекта морфологического эксперимента основана на базах графических и видео-файлов, анимаций, а также числовых характеристик цифровых изображений микрообъектов.

Несмотря на различие методов моделирования физиологического процесса или морфологического объекта, принципы использования полученных имитационных моделей в ВМБЭ в рамках компьютерного практикума в основном сходны, что дает возможность использовать модели физиологических процессов и морфологических объектов в рамках единого программного продукта как для моделирования проведения физиологических и морфологических МБЭ, так и совместно, для проведения имитационного комбинированного эксперимента.

Литература:

1. Игумнова О.В., Лукьянова Е.А., Проценко В.Д., Шимкевич Е.М., Медико-биологическая лаборатория как объект моделирования // Вестник РУДН, серия Информатизация образования. – М.: Изд-во РУДН, 2011. – №2 – С. 64 – 70

Работа выполняется в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009- 2013»

Рис. 1. Многоуровневая иерархия моделей