Модель серцево-судинної системи регулювання кровообігу з елементами керування

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.24061/3083-5887.j.nmsmme.2024.1.II.2

Ключові слова:

модель серцево-судинної системи, мережа Kolmogorov-Arnold Networks (KANs), елементи регуляції та керування

Анотація

Проведено аналіз існуючих моделей серцево-судинної системи з контурами регуляції, які використовуються для дослідних цілей та діагностики захворювань у медицині. Запропоновано динамічну модель серцево-судинної системи, яка враховує процеси регуляції. В моделі використано один з ключових аспектів регулювання кровообігу - нервова регуляція, яка здійснюється через симпатичну та парасимпатичну нервові системи. Симпатична нервова система стимулює серце до збільшення частоти скорочень та сили серцевих ударів, а також звуження периферичних судин, що підвищує артеріальний тиск. Парасимпатична нервова система, навпаки, знижує частоту серцевих скорочень і сприяє розширенню судин, знижуючи тиск. Ці механізми діють у тісній взаємодії для підтримання стабільного кровообігу у відповідь на змінні фізіологічні потреби організму. Гуморальна регуляція включає в себе дію різних гормонів та біоактивних речовин, які циркулюють у крові та впливають на серцево-судинну систему, що також враховано в моделі. Динамічна ланка системи регулювання на проміжному рівні (гуморальна система) в моделі імітує утворення медіаторів, наприклад, адреналіну і норадреналіну, які переміщуються з кров’ю по судинам. Результат дії гормонів з проміжного рівня на серцево-судинну систему формується сенсорами, які являють собою, наприклад, баро-, хемо-рецептори, розташовані в аорті, середовищі малого кола і т.п. Для покращення функціональності моделі в  проміжний рівень регуляції гуморальної системи введена мережа Kolmogorov-Arnold Networks (KANs). Мережу KAN навчають на базі знань навчальної вибірки з десятків гострих критичних ситуацій серцево-судинної системи. В подальшому таку модель можна використовувати для комп’ютерного прогнозування та розпізнавання захворювання пацієнтів та для навчання студентів медиків.

Посилання

Amosov NM, Lyssova OY, Palets BL, Berehovskyi BF. Rehuliatsyia krovoobrashchenyia. Eksperymentalnye y matematycheskye yssledovanyia. Kyev: Naukova dumka; 1977. 157 s.

Amosov NM, Lyshchuk VA, Patskyna SA. Samorehuliatsyia serdtsa. Kyev: Naukova dumka; 1969. 157 s.

Amosov MM, Lishchuk VO, Palets BL ta inshi. Modeliuvannia «vnutrishnoi sfery» orhanizmu. Fiziol. zhurn. 1971;17(2):156-66.

Amosov NM, Ostapov YuH [Matematycheskoe modelyrovanye metabolyzma kletky. Problemy kybernetyky.]. 1972. Zberihaietsia u: IA NBUV NAN Ukrainy. Kyiv; 52, Op. 1., Od. zb. 79., Ark. 1–4.

Amosov NM, Palets BL, Ahapov BT y dr. Teoretycheskye yssledovanyia fyzyolohycheskykh system. Matematycheskoe modelyrovanye:. Kyev: Naukova dumka; 1977. 246 s.

Amosov NM, Lyshchuk VA, Patskyna SA y dr. Samorehuliatsyia serdtsa. Kyev: Naukova dumka; 1969. 159 s

Burakovskyi VY, Lyshchuk VA. Rezultaty indyvidualnoi dyahnostyky i terapiyi boln'ykh ostrymy rasstroistvamy krovoobrashchenyia (na osnove matematycheskykh modelei). Kyev: AN USSR; 1985. 53 s.

Shi Y, Lawford P, Hose R. Review of Zero-D and 1-D Models of Blood Flow in the Cardiovascular System. Biomed Eng OnLine [Інтернет]. 2011 [цитовано 20 трав. 2024];10(1):33. Доступно на: https://doi.org/10.1186/1475-925x-10-33

Her K, Kim JY, Lim KM, Choi SW. Windkessel model of hemodynamic state supported by a pulsatile ventricular assist device in premature ventricle contraction. Biomed Eng OnLine [Інтернет]. 2 лют. 2018 [цитовано 20 трав. 2024];17(1). Доступно на: https://doi.org/10.1186/s12938-018-0440-5

Ribarič S, Kordaš M. Teaching cardiovascular physiology with equivalent electronic circuits in a practically oriented teaching module. Adv Physiol Educ [Інтернет]. Черв. 2011 [цитовано 20 трав. 2024];35(2):149-60. Доступно на: https://doi.org/10.1152/advan.00072.2010

de Canete JF, Saz-Orozco PD, Moreno-Boza D, Duran-Venegas E. Object-oriented modeling and simulation of the closed loop cardiovascular system by using SIMSCAPE. Comput Biol Med [Інтернет]. Трав. 2013 [цитовано 20 трав. 2024];43(4):323-33. Доступно на: https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2013.01.007

Ribarič S, Kordaš M. Simulation of the Frank-Starling Law of the Heart. Comput Math Methods Med [Інтернет]. 2012 [цитовано 20 трав. 2024];2012:1-12. Доступно на: https://doi.org/10.1155/2012/267834

Shevchuk VH, Moroz VM, Biela SM, ta in. Fiziolohiia: pidruchnyk dlia stud. vyshch. med. navch. zakladiv. Vinnytsia: Nova knyha; 2012. 448 s.

Guyton AC, Hall JE. Textbook of Medical Physiology. Elsevier; 2021. 1091 p.

Klabunde RE. Cardiovascular Physiology Concepts. 2nd ed. Lippincott Williams & Wilkins; 2011. 235 p.

Feletou M, Vanhoutte PM . Endothelial dysfunction: A multifaceted disorder. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2006;291(3):985-1002.

Rowell LB. Human Cardiovascular Control. Oxford University Press; 1993. 500 p.

Uchasnyky proektiv Vikimedia. Vikipediia [Internet]. Proportsiino-intehralno-dyferentsialnyi zakon rehuliuvannia — Vikipediia; 23 berez. 2011 [tsytovano 20 trav. 2024]. Available at: https://uk.wikipedia.org/wiki/Пропорційно-інтегрально-диференціальний_закон_регулювання

Liu Z, Wang Y, Vaidya S, Ruehle F, Halverson J, Soljačić M, et al. KAN: Kolmogorov-Arnold Networks [Internet]. arXiv; 2024. Available from: https://arxiv.org/abs/2404.19756

Mess- und Prüfsysteme, bei Emerson - NI [Інтернет]. What is NI LabVIEW? Graphical Programming for Test & Measurement; [цитовано 20 трав. 2024]. Доступно на: https://www.ni.com/en/shop/labview.html?srsltid=AfmBOop46A9HLxGGgrFzm-84J3_x0kBe9O2d_V7HiqjLBaUcdLYZeMou

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-12-27

Як цитувати

Кулик, А., Василевський, О., Нікольський, О., Ревенок, В., & Мотигін, В. (2024). Модель серцево-судинної системи регулювання кровообігу з елементами керування. Природничі, математичні науки та освіта в медицині, 1(1), 39–48. https://doi.org/10.24061/3083-5887.j.nmsmme.2024.1.II.2