Ученые из Конструкторско-технологического института вычислительной техники СО РАН работают над созданием комплексной модели сердечно-сосудистой системы человека, которая позволит изучить процесс формирования патологий, проследить действие лекарственных средств, а в будущем может стать удобным средством медицинской диагностики.
Использование достижений компьютерного моделирования в интересах медицины — сфера для науки довольно привлекательная, однако, до сих пор вызывающая много споров: человеческий организм — механизм невероятно сложный и непредсказуемый, как все живое, он плохо поддается математике. В связи с чем возникает следующий вопрос: а возможно ли вообще сделать модель, адекватно описывающую его биологические процессы?
Сейчас в Японии, США и Европе проводятся исследования, направленные на создание полной модели физиологии человека. Такой глобальный проект требует интеграции и объединения проверенных моделей отдельных органов и систем нашего организма. Новосибирские ученые не отстают от актуальных научных тенденций — в частности, сотрудники КТИ ВТ СО РАН «собирают» комплексную (т.е. включающую в себя части других) модель сердечно-сосудистой системы (ССС) человека. О своей разработке они рассказали на четвертом семинаре «Информационные и вычислительные технологии в медицине», организованном РАМН, НГУ и Сибирским отделением РАН.
На данный момент в проекте задействованы три известных модели (сердечных сокращений (1), долговременной почечной регуляции (2) и системы артериальных сосудов (3)), рассматривающие ССС человека с различных сторон. В первой из них она представлена в виде замкнутой системы резервуаров, включающих в себя (в порядке следования крови) сердце, артерии, капилляры и вены. Модель учитывает влияние кислородного обмена в организме, а сердце в ней спроектировано как насос, переключающийся между двумя состояниями — систолой (во время нее происходит выброс крови из желудочка ) и диастолой (заполнение желудочка кровью). Во второй показано, как на процесс кровообращения влияет почка. Немногие знают, что этот орган имеет большое значение для ССС — он регулирует объем и состав жидкости в организме, а значит, воздействует на артериальное давление. Помимо этого, с помощью проектирования долговременной почечной регуляции можно проследить концентрацию различных гормонов и содержание соли в организме. Ну а третья из задействованных в системе моделей (кстати, созданная в Институте математики им. С.Л. Соболева СО РАН) включает в себя 55 основных артерий, составляющих бинарное дерево, и описывает течение крови в них.
Для того, чтобы обеспечить совместное функционирование этих трех систем, необходимо привести в соответствие их численные коды и интерфейсы. Здесь ученым из КТИ ВТ СО РАН помогло агентное моделирование — метод, который применяется, когда поведение всего объекта трудно или невозможно формализовать. Они представили ССС человека как совокупность отдельных частей, каждая из которых способна как функционировать самостоятельно, так и взаимодействовать с другими (агентами могут выступать математические модели отдельных органов и целых систем организма). В результате — поведение всей системы складывается из работы каждой ее части так же, как поведение толпы зависит от действий каждого находящегося в ней человека. В то же время, автономность агентов дает возможность работать с ними индивидуально — улучшать или заменять их, увеличивать их количество, не затрагивая при этом остальные модули.
Объединение трех разных моделей в одной стало возможным благодаря специально созданному для этого программному модулю на языке Java для BioUML, который, с одной стороны, позволяет представить биологические системы в виде блочных диаграмм, а с другой — способен автоматически генерировать и запускать симуляцию агентов.
Основой для комплексной системы послужила модель сердечных сокращений. Сначала модуль артериального резервуара в ней был заменен на блок, созданный из модели артериального дерева, которую ученые доработали, чтобы она соответствовать входным и выходных параметрам «принимающей стороны» — например, изменили заданный в ней механизм симуляции и добавили расчет усредненных характеристик: среднего давления, средней сопротивляемости и общего объема артериального русла. Теперь модель сердечных сокращений вдобавок к своим преимуществам получила способность рассчитывать поток крови в каждом из 55 сосудов по отдельности. Следующий этап — объединение ее с моделью почечной регуляции. Обе они имеют пересекающиеся функциональные блоки — сердце и артерии, но у первой (комплексной) работа этих систем представлена детализировано, в то время как вторая содержит усредненные по времени показатели. Исходя из этого, соответствующие модули в модели почечной регуляции ученые решили заменить на блоки из модели сердца и артериального дерева. Для обеспечения корректности объединения в систему был вставлен буфер из модулей, динамически рассчитывающих скользящее среднее быстро колеблющихся величин и передающих усредненные значения. В качестве обратной связи модель почки стала регулировать общий объем крови и кровоток через почечные артерии.
В итоге, получившаяся система не только вобрала в себя возможности трех в нее входящих (конечно, в процессе объединения некоторая часть их функций была потеряна), но и приобрела новые, им не свойственные. Например, теперь на ней можно провести следующий эксперимент: задать параметры сужения отдельной артерии и посмотреть, как они повлияют на остальные модули и показатели — среднее артериальное давление, общий объем крови, почечный кровоток. «Созданная нами модель позволяет отслеживать как глобальные процессы (изменение объема крови, содержания соли в крови, концентрацию определенных гормонов в организме), так и локальные (циркуляцию крови по определенным сосудам). Также она подходит для моделирования различных патологий — например, артериальной гипертонии, аритмии и др.», — рассказывает сотрудник КТИ ВТ СО РАН Илья Николаевич Киселев.
По словам ученых, на этом исследование не законченно — модель можно расширять практически бесконечно: добавлять в нее новые блоки, дорабатывать и более тесно переплетать друг с другом уже имеющиеся, заменять их на более совершенные математические модели соответствующих органов. Основное преимущество этой разработки — удобный интерфейс. «Если мы возьмем стиральную машинку, то внутри это, конечно, достаточно сложный агрегат, но практически любой сможет подключить ее к канализации. Соответственно, наша идея — предложить простой интерфейс, чтобы медик мог спокойно работать с этими моделями. Мы хотели представить процесс их создания в виде сборки различных конфигураций из составных блоков, сложность которых скрыта. Таким образом, моделирование становится доступным для более широкого круга участников»— говорит заведующий Лабораторией биоинформатики КТИ ВТ СО РАН кандидат биологических наук Фёдор Анатольевич Колпаков.
На данный момент комплексная модель сердечно-сосудистой системы человека, созданная новосибирскими учеными, еще не предназначена для применения в медицинской практике. «Сейчас мы занимаемся, в основном, разработкой методологии, для развития и верификации созданной модели нужно тесно сотрудничать с биологами и медиками», — утверждает Илья Николаевич. В дальнейших планах — приспособить ее для исследования действия лекарственных средств.
Диана Хомякова
Фото: 2 — предоставлена И. Киселевым
