ГАЛЬЧИНА НАТАЛІЯ ІГОРІВНА. МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ВЗАЄМОДІЇ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ СИСТЕМ ОРГАНІЗМУ ЛЮДИНИ В ЕКСТРЕМАЛЬНИХ УМОВАХ

brief description

ГАЛЬЧИНА НАТАЛІЯ ІГОРІВНА. Назва дисертаційної роботи: "МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ВЗАЄМОДІЇ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ СИСТЕМ ОРГАНІЗМУ ЛЮДИНИ В ЕКСТРЕМАЛЬНИХ УМОВАХ"

Міністерство освіти і науки України
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
На правах рукопису
ГАЛЬЧИНА НАТАЛІЯ ІГОРІВНА
УДК 519.876: 517.6
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ВЗАЄМОДІЇ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ
СИСТЕМ ОРГАНІЗМУ ЛЮДИНИ В ЕКСТРЕМАЛЬНИХ УМОВАХ
01.05.02 – математичне моделювання та обчислювальні методи
Дисертація
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Науковий керівник
Гаращенко Федір Георгійович
доктор технічних наук,
професор
Київ – 2014
2
ЗМІСТ
ВСТУП................................................................................................................... 5
РОЗДІЛ 1 ............................................................................................................. 11
ФУНКЦІОНАЛЬНІ СИСТЕМИ ОРГАНІЗМУ ЛЮДИНИ ПРИ
ІНТЕНСИВНІЙ РОБОТІ В ЕКСТРЕМАЛЬНИХ УМОВАХ ДОВКІЛЛЯ ТА
ЇХ МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД. .......................... 11
1.1. Особливості функціонування організму людини при роботі в умовах
високогір’я. .................................................................................................... 12
1.2. Математичне моделювання функціональних систем організму.
Літературний огляд....................................................................................... 24
1.2.1. Математичні моделі функціональної системи дихання та
кровообігу ................................................................................................ 24
1.2.2. Математичні моделі теплообміну та терморегуляції організму
людини ..................................................................................................... 30
1.2.3. Математичні моделі процесів імунного захисту ....................... 34
1.2.4. Математичні моделі системи вуглеводного обміну.................. 39
1.3. Висновки до розділу 1 ........................................................................... 43
РОЗДІЛ 2 ............................................................................................................. 45
ІГРОВІ МОДЕЛІ РЕГУЛЯЦІЇ ОСНОВНИХ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ
СИСТЕМ ОРГАНІЗМУ ТА ЇХ АНАЛІЗ.......................................................... 45
2.1. Математична модель системи дихання та кровообігу ....................... 47
2.2. Механізми регуляції основної функції системи дихання та їх
математична модель...................................................................................... 52
2.3. Внутрішньосистемні конфлікти та механізми їх розв’язку з точки
зору математичного моделювання .............................................................. 54
2.4. Регресійні моделі еритропоезу та їх обґрунтування ......................... 59
2.5. Математичні моделі теплообміну та терморегуляції......................... 66
2.6. Математичні моделі механізмів адаптації до середовища в
еволюційних системах організму................................................................ 73
3
2.7. Математична модель імунної відповіді на інфекційне захворювання
та механізми її взаємодії з моделями систем дихання, кровообігу та
теплообміну ................................................................................................... 80
2.8. Висновки до розділу 2 ........................................................................... 92
РОЗДІЛ 3 ............................................................................................................. 94
МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ОЦІНКИ ЕНЕРГЕТИЧНОГО РЕСУРСУ
ОРГАНІЗМУ ТА ЙОГО КОРЕКЦІЇ ПІСЛЯ ІНТЕНСИВНОЇ РОБОТИ В
ЕКСТРЕМАЛЬНИХ УМОВАХ ........................................................................ 94
3.1. Застосування моделей функціональної системи дихання для
вирішення прикладних задач фізіології та спортивної медицини........... 95
3.2. Структурна схема комплексної моделі та математичної моделі
динаміки концентрацій глюкози, інсуліну та напружень респіраторних
газів в організмі під час дихального циклу .............................................. 104
3.3. Математична модель фармакологічної корекції стану організму в
постробочий період..................................................................................... 109
3.4. Висновки до розділу 3 ......................................................................... 112
РОЗДІЛ 4 ........................................................................................................... 113
4.1. Обчислювальний експеримент з моделлю еритропоезу та аналіз
результатів ................................................................................................... 113
4.1.1. Обґрунтування вибору методу аналізу даних.......................... 113
4.1.2. Алгоритм обробки лабораторних та експериментальних даних
та результати аналізу даних................................................................. 114
4.2. Результати комп’ютерного аналізу математичної моделі
енергообміну та їх аналіз............................................................................ 120
4.3. Висновки до розділу 4 ..................................................................... 124
ВИСНОВКИ...................................................................................................... 125
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ........................................................ 127
ДОДАТКИ......................................................................................................... 143
Додаток А..................................................................................................... 143
4
Експериментальне програмне забезпечення для комп’ютерного аналізу
процесів дихання, кровообігу, енергообміну при інтенсивній роботі в
екстремальних умовах ................................................................................ 143
Додаток Б ..................................................................................................... 158
Фрагменти лабораторних даних для досліджень, що надані науковцями
Інституту трансфузіології НАМН України та Міжнародного центру
астрономічних та медико-екологічних досліджень при Президії НАНУ
....................................................................................................................... 158
Додаток В..................................................................................................... 174
Акти впроваджень....................................................................................... 174
1. Інститут гематології та трансфузіології НАМН України............. 174
2. Національний університет фізичного виховання та спорту України
................................................................................................................. 175
5
ВСТУП
Актуальність теми. Пізнання особливостей функціонування організму
людини в різних умовах життєдіяльності відноситься до найбільш
актуальних проблем сучасної науки і потребує використання для
дослідження методів і засобів з багатьох сфер – фізіології, біохімії та
біофізики, математики, тощо. Включення Н.Вінером у визначення
кібернетики, як науки про керування, в якості суб’єкта дослідження –
біосистеми дало сильний поштовх для формування й використання в
дослідженнях систем регуляції функціональних систем організму методів і
засобів математичного моделювання, обчислювальної та комп’ютерної
математики, методів оптимізації. З середини минулого століття почався
період інтенсивної сумісної роботи фізіологів та математиків над розробкою
математичних моделей процесів, що відбуваються в різних фізіологічних
системах при підтримці гомеостатичного стану при збуренні зовнішніх та
внутрішніх умов життєдіяльності. Серед найбільш відомих наукових
результатів в цій галузі слід відзначити моделі дихального хемостату
Ф.Гродінза, внутрішньої сфери людини М.М.Амосова та його учнів, насосної
функції серця Гайтона, терморегуляції К.П.Іванова й І.Й.Єрмакової, імунного
відклику на інфекційні захворювання Г.І.Марчука та В.П. Марценюка,
основної функції системи дихання та кровообігу А.З. Колчинської та її учнів,
В.М. Новосельцева, регуляції системи цукру в крові – Ю.Г. Антомонова, С.І.
Кифоренко та інших. Як правило, математичні моделі функціональних
систем організму ґрунтуються на базах еспериментально отриманих
лабораторних та клінічних даних і дають можливість встановити основні
закономірності розвитку процесів, що досліджуються.
В більшості наукових праць основна увага приділялась моделюванню
виконавчим органам регуляції активної дії, таким як серцеві та дихальні
6
м’язи, локальної регуляції току крові в судинах, терморегуляції. В той же час
механізмам авторегуляції – еритропоезу, адаптації, механізмів впливу та
взаємодії процесів, що відбуваються в системах дихання та кровообігу,
теплообміну, імунного відклику приділялась недостатня увага. А рішення
прикладних задач фізіології спорту, медицини праці, фармакологічної
корекції стану організму, потребує врахування реакції цих механізмів на
зміну умов життєдіяльності при інтенсивній роботі на високогір’ї, в
підводному середовищі, тощо.
Тому розробка математичних моделей систем активної регуляції та
ауторегуляції стану з врахуванням внутрішньосистемного і міжсистемного
взаємовпливу та взаємодії функціональних систем при роботі в
екстремальних умовах є надзвичайно актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана у відповідності до плану наукових досліджень
кафедри моделювання складних систем факультету кібернетики Київського
національного університету імені Тараса Шевченка в межах бюджетної
науково-дослідної теми №11БФ015-01 «Розвиток теорії та створення
програмно-алгоритмічних засобів для моделювання, аналізу, оцінки та
оптимізації складних систем в умовах невизначеності» (2011-2014 р.р.)
(номер державної реєстрації №0111U004651) та в рамках науково-дослідних
тем Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України: «Розробка
методів та алгоритмів розв’язку ігрових задач керування для еволюційних
систем» (2007-2012 р.р.) (номер державної реєстрації №0107U003613);
«Розробити та дослідити математичні моделі оцінки функціонального
ресурсу людини та його розподілу в організмі при роботі в екстремальних
умовах» (2012-2014 р.р.) (номер державної реєстрації №0112U001432).
Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка
математичних моделей самоорганізації функціональних систем організму для
7
розв’язку задачі оцінки енергетичного ресурсу та фармакологічної корекції
стану організму при виконанні інтенсивної роботи в екстремальних умовах за
рахунок включення моделей механізмів розвитку еритропоезу,
гіпометаболізму й адаптації до кисневої недостатності.
Досягнення поставленої мети зумовило необхідність розв’язання таких
задач:
- проаналізувати роль механізмів ауторегуляції основної функції
системи в стабілізації стану організму при інтенсивній роботі;
- розробити математичні моделі процесу еритропоезу,
гіпометаболізму та адаптації до гіпоксії й оцінити ступінь їх впливу
на стабілізацію стану організму;
- проаналізувати ігрові моделі самоорганізації систем дихання,
кровообігу, теплообміну й імунної системи і модель їх взаємодії та
взаємовпливу при інтенсивній роботі та екстремальних умовах
життєдіяльності;
- розробити математичні моделі оцінки енергетичного ресурсу
організму, що включають опис динаміки вуглеводів та їх інсулінову
регуляцію при роботі в екстремальних умовах;
- розробити моделі реабілітації стану організму в постробочий період
з використанням імітації фармакологічної корекції кисневої
недостатності.
Об’єктом досліджень є процеси масопереносу і масообміну
респіраторних газів, теплообміну, енергообміну та механізми їх активної й
пасивної регуляції.
Предметом досліджень є математичні моделі функціональних систем
організму та ігрові принципи їх регуляції при взаємодії систем в
екстремальних умовах життєдіяльності.
8
Методи досліджень. При моделюванні процесів взаємодії
функціональних систем організму людини в екстремальних умовах
використані методи: математичного моделювання - нелінійні системи
звичайних диференціальних рівнянь, метод найменших квадратів для аналізу
бази лабораторних та клінічних даних; теорії ігор та оптимального
керування, процедури та методи проведення обчислювальних експериментів.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що в дисертації
Вперше:
- створено комплексну математичну модель регуляції основних
параметрів систем дихання, кровообігу, тепло- та енергообміну, що
включає моделі механізмів еритропоезу, гіпометаболізму та
енергообміну;
- отримано комплексну математичну модель оцінки енергоресурсу при
інтенсивній роботі на високогір’ї на основі теоретичних досліджень
процесу розвитку кисневої недостатності та рівня концентрації глюкози
в крові й тканинах при його інсуліновій регуляції;
- розроблено експериментальний програмний комплекс для
комп’ютерного аналізу моделей дихання, кровообігу та енергообміну;
Удосконалено:
- математичну модель системи дихання та кровообігу за рахунок введення
регресійних залежностей між вмістом еритропоетину, що виробляється
надлишковими залозами при гіпоксії, напруженнями кисню в
артеріальній та змішаній венозній крові та параметрами моделі Hb та Ht,
що характеризують еритропоез.
Запропоновано:
- використання математичної моделі фармакологічної корекції стану
функціональних систем організму для його реабілітацїї в постробочий
період.
9
Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці
математичного та програмно-алгоритмічного інструментарію для
моделювання й аналізу результатів комп’ютерного дослідження процесів
дихання, кровообігу, енергообміну, фармакологічної корекції стану
організму при інтенсивній роботі в екстремальних умовах. Моделі та методи
дослідження впроваджені в практику проведення теоретичних проблем
фізіології та розв’язку прикладних задач спортивної медицини в Університеті
фізичної культури та спорту (Київ) та в Інституті гематології та
трансфузіології НАМН України (Київ).
Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною науковою
працею, в якій висвітлені власні ідеї і розробки автора, що дозволили
розв’язати поставлені завдання. В роботах, написаних у співавторстві,
обґрунтовано запропоновані автором моделі ауторегуляції системи крові,
адаптаційних механізмів організму до кисневої недостатності, енергообміну,
що включають транспорт та утилізацію глюкози та вплив на стабілізацію її
концентрації в крові й інсуліну в тканинах. В дисертаційному викладі
результатів, запропоновані автором моделі входять як складові в комплексну
математичну модель аналізу стану та його регуляції при роботі в
екстремальних умовах життєдіяльності. В комплексній математичній моделі
її складові використані в різні часи, запропоновані та обґрунтовані в [120,
121]. В роботах [117-119] автору належать результати обчислювальних
експериментів з моделями та їх аналіз. Наукові положення, висновки та
рекомендації, що виносяться на захист, одержані автором самостійно. З
наукових праць, опублікованих у співавторстві, в дисертаційній роботі
використані ідеї та висновки, що напрацьовані автором особисто.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати
досліджень, які відповідають темі дисертації, доповідались та
обговорювались на засіданнях та семінарах в Інституті кібернетики імені
В.М. Глушкова НАН України, на семінарах кафедри моделювання складних
10
систем Київського національного університету імені Тараса Шевченка, а
також на наукових конференціях, зокрема:
 V міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів
та молодих вчених «Шевченківська весна», Київ, березень 2007р.
 Dynamical System Modelling and Stability Investigation “Modelling &
Stability”, Київ, травень 2007р.
 Problems of Decision Making Under Uncertainties (PDMU-2007),
Чернівці, травень 2007р.
 Міжнародна науково-практична конференція «Информационные
технологии в управлении сложными системами – 2008»,
Дніпропетровськ, травень 2008р.
 Міжнародна конференція «Високогір’я і геном», сел. Терскол, Росія,
Кабардино-Балкарія – 2008р.
 ХІ конференція з біоніки, біокібернетики та прикладної біофізики.
Київ, листопад 2010р.
 Наукова міжнародна конференція «Високогірна гіпоксія і геном»,
сел. Терскол, Росія, Кабардино-Балкарія – 2012р.
 Dynamical System Modelling and Stability Investigation “Modelling &
Stability”, Київ, травень 2013р.
Публікації. Основні результати та висновки дисертаційної роботи
викладені в 15 наукових працях, з них 6 статей, [117-123], у наукових
фахових виданнях, затверджених МОН України, з яких 3 статті включено до
міжнародної наукометричної бази Scopus, а також 9 публікацій [124-131] –
за матеріалами та тезами конференцій.

bibliography

ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі створено математичне, алгоритмічне та
програмне забезпечення для дослідження процесів взаємодії функціональних
систем організму людини в екстремальних умовах. Зокрема, в дисертації
отримані такі результати:
 Вперше створено комплексну математичну модель регуляції основних
параметрів систем дихання, кровообігу, тепло- та енергообміну, що
включає моделі механізмів еритропоезу, гіпометаболізму та
енергообміну.
 Удосконалено математичну модель системи дихання та кровообігу за
рахунок введення регресійних залежностей між вмістом еритропоетину,
що виробляється надлишковими залозами при гіпоксії, напруженнями
кисню в артеріальній та змішаній венозній крові та параметрами моделі
Hb та Ht, що характеризують еритропоез.
 Показана необхідність прояву гіпометаболізму при розвитку кисневої
недостатності в організмі як фактора адаптації до гіпоксії. В математичну
модель введено нелінійні співвідношення, що відображають залежність
швидкості утилізації кисню в тканинах від ступеня насичення
гемоглобіну в крові киснем.
 В результаті обчислювальних експериментів з моделями ауторегуляції
показана ефективність механізмів еритропоезу та гіпометаболізму при
стабілізації кисневих та вуглекислотних режимів організму при гіпоксії.
 Встановлено, що основні параметри активного регулювання для системи
дихання та кровообігу - вентиляція, об’ємні швидкості системного та
126
органного кровотоків є також основними при регулюванні систем
теплообміну та імунного відклику на захворювання.
 Вперше створено математичну модель транспорту енергетичного
субстрату та енергообміну при роботі з врахуванням регуляторної ролі
інсуліну на стабілізацію концентрації глюкози в організмі в умовах
високогір’я.
 Розроблено експериментальний програмний комплекс для комп’ютерного
аналізу моделей дихання, кровообігу та енергообміну;
 Побудовано комплексну математичну модель фармакологічної корекції
стану функціональних систем організму людини. Проведені розрахунки з
моделлю для імітації реабілітації організму людини після інтенсивної
роботи за допомогою антигіпоксантів.
 розроблено математичні та програмно-алгоритмічні засоби для
отримання даних щодо функціонального стану організму на високогір’ї,
які розширюють базу даних, одержаних експериментально в
лабораторних умовах.
Результати дисертаційної роботи впроваджено:
1. Інститутом гематології та трансфузіології НАМН України для оцінки
взаємовпливу процесів розвитку гіпоксії та еритропоезу;
2. Національним університетом фізичного виховання і спорту України
для оцінки стану окремих функціональних систем організму та вибору
стратегії і тактики для стабілізації стану й відновлення енергетичних
ресурсів.