Медико-физиологические программные симуляторы: необходимость и проблемы

Abstract

В работе проанализированы основные концептуальные и технологические проблемы, возникающие на пути создания специализированных программных симуляторов (СПС), известных под терминами «виртуальный физиологический человек» или «виртуальный пациент». Показано, что СПС могут иметь две сферы применения: 1) в медицинских вузах для совершенствования преподавания физиологии человека; 2) в клинике для повышения точности диагностики и оптимизации лечения нетривиальных болезней. Обосновано, что СПС должна базироваться на количественных математических моделях физиологических систем и процессов. Способ применения СПС – проведение компьютерных имитационных экспериментов (КИЭ) и анализ их результатов. Каждый КИЭ должен осуществляться в соответствии со сценарием, который формируется пользователем посредством интерфейса пользователя (ИП). Желательно, чтобы СПС состояла из двух модулей: жесткого и гибкого. Жесткий модуль реализовывает модели с учетом граничных условий их адекватности. Гибкий модуль описывает как константы, которые доступны для перенастройки посредством ИП, так и параметры, заданием которых формируются сценарии КИЭ. Обосновано, что для этого класса СПС наиболее перспективным будет сочетание компьютерной анимации со стандартными и специальными программами визуализации результатов КИЭ. Рассмотрены проблемы создания СПС для моделирования физиологических реакций энергетической мегасистемы человека на факторы, создающие дефицит энергии в группе клеток. Обсуждаются основные проблемы создания версий СПС для симуляции сценариев коррекции конкретных патологий.

This paper analyzes basic conceptual and technological problems encountered in creation of special software simulators (SSS) known under terms of «virtual physiological human» and «virtual patient». SSS can have two applications: 1) educational – for better studying of human physiology; 2) clinical – for improving the accuracy of diagnosis and for optimizing of a treatment of non-trivial diseases. It is argued that the SSS should be based on quantitative mathematical models of physiological systems and processes. SSS must provide both execution of computer imitational experiments (CIE) and their results’ analysis. Each CIE should be in accordance with the scenario generated by the user interface (UI). It is desirable that the SSS based on two modules: hard and flexible. The hard module implements the model with the boundary conditions of their adequacy. The flexible module governs both models’ constants available for modification through UI and parameters specifying scenarios of CIE. It is assumed that most promising class of SSS should combine computer animations with standard and optional programs visualizing CIE’s results. Problems arising in development of SSS for modeling of physiological responses of human energy mega system to factors that create an energy deficit in a group of cells are analyzed. Main problems accompanying a versioning of SSS capable to simulate scenarios for the correction of specific pathologies are also discussed.