Моделирование и использование моделей в медицине

Модель — это создаваемое человеком подобие изучаемого объек­та (макет, изображение, схема, карта, словесное описание, мате­матическое представление и т.п.). Метод моделирования состоит в исследовании объекта, явления или процесса путем построения моделей и их изучения. Модель всегда проще реального объекта, но она позволяет выделить главное, не отвлекаясь на детали. Не­обходимость моделирования объясняется принципиальной невоз­можностью исследования многих объектов или большой ресурсоемкостью их изучения.

Различают биофизические, физические, электрические, ситу­ационные, информационные, математические и другие модели.

Информационная модель — модель объекта, процесса или яв­ления, в которой представлены информационные аспекты моде­лируемого объекта, процесса или явления. Среди информацион­ных моделей особое место занимают модели представления зна­ний (см. подразд. 7.3.2). Математическая модель — приближенное описание объекта, явления или процесса с помощью математической символики. Эта модель представляет собой систему математических соотношений: формул, функций, уравнений, систем уравнений, описывающих те или иные стороны изучаемого объекта, явления или процесса. Математическое моделирование — мощное средство познания, прогнозирования и управления. Анализ математической модели помогает проникнуть в суть изучаемого объекта или явления.

Математические модели строятся на основе данных экспери­мента или умозрительно, описывают гипотезу, теорию или зако­номерность того или иного феномена и требуют дальнейшей про­верки на практике. Различные варианты проводимых эксперимен­тов выявляют границы применения математической модели и со­здают условия для ее дальнейшей коррекции. Математическое мо­делирование часто позволяет предвидеть характер изменения ис­следуемого процесса в условиях, трудно воспроизводимых в экс­перименте, а в отдельных случаях позволяет предсказать ранее неизвестные явления и процессы.

Процесс математического моделирования принято делить на несколько этапов.

1. Постановка задачи. Необходимо отметить, что построение модели подразумевает наличие у специалиста хорошего уровня знаний предметной области, в рамках которой осуществляется моделирование. В постановку задачи входят определение цели ис­следования, выделение объекта исследования, определение пара­метров исследуемого объекта, выявление взаимосвязей между па­раметрами. Этап завершается записью модели в математическом виде.

2. Проведение модельных экспериментов. На этом этапе осуществ­ляется решение прямой задачи, для которой предназначена мате­матическая модель, т. е. получение выходных данных для дальней­шего сопоставления с результатами наблюдений изучаемых явле­ний. Исследователь сознательно изменяет условия функциониро­вания модели, регистрирует ее «поведение» в разных условиях. Важная роль при проведении модельных экспериментов принад­лежит вычислительной технике. Именно она обеспечивает возмож­ность обсчета многочисленных модельных экспериментов. Итогом второго этапа моделирования является множество результатов модельных экспериментов.

При математическом моделировании разных процессов и явлений может использоваться один и тот же математический аппарат. Это упро­щает задачу моделирования, дает возможность выбора из полученных вариантов.

3) Оценка реализованной модели. Выясняют, удовлетворяет ли созданная математическая модель критерию практики, т.е. согла­суются ли результаты наблюдений с теоретическими (гипотети­ческими, модельными) данными в пределах заданной точности. Достижение такого результата означает, что положения, лежа­щие в основе модели, правильны и модель пригодна для исследо­вания выбранного объекта или явления.

4) Анализ модели на основе накопленных данных об изучаемом объек­те, модернизация первоначально построенной модели. С получением новых научных данных знания об исследуемом объекте уточняют­ся, и наступает момент, когда результаты, получаемые на осно­вании существующей модели, перестают им соответствовать. Воз­никает необходимость уточнения данной модели или построения новой. Между моментами построения исходной и последующей моделей проходят разные промежутки времени в зависимости от сути изучаемого явления, уровня и скорости исследования дан­ной предметной области, характера полученных новых знаний и данных.

В медицине модели применяются для исследования структур, функций и процессов на разных уровнях организации живого орга­низма: атомарно-молекулярном, субклеточном, клеточно-тканевом, органно-системном, организменном, биоценотическом.

В медицине, как и в биологи, используются в большинстве случаев биологические, физико-химические, математические мо­дели. Исторически сложилось, что в медицине до сих пор широко распространены словесные описания объектов и процессов (на­пример, заболеваний), а в последние десятилетия все чаще при­меняются информационные модели.

Биологические модели в медицине применяются для воспро­изводства на лабораторных животных заболеваний или состояний, встречающихся у человека. Таким образом, в эксперименте иссле­дуются механизмы возникновения заболевания, его этиология, патогенез, течение, изучаются варианты воздействия на протека­ние болезни, сравнивается эффективность применения различ­ных лечебных пособий. В эксперименте, например, моделируются ишемические нарушения и гипертоническая болезнь, злокаче­ственные новообразования и генетические заболевания, инфек­ционные процессы и др.

Для реализации биологических моделей экспериментальным живот­ным вводят токсины, заражают их микробами, перевязывают сосуды, исключают из пищи определенные вещества, помещают в искусственно создаваемую среду обитания и др. Подобные экспериментальные модели применяются в нормальной и патологической физиологии, генетике, фармакологии, хирургии, реаниматологии. Физико-химические модели имитируют сложные акты поведения, например формирование услов­ного рефлекса.

Удачным следует признать опыт построения электронных схем, моделирующих биоэлектрические потенциалы в нервной клетке и синапсе на основе данных электрофизиологических исследова­ний.

В настоящее время в медицине самое широкое распростране­ние получили математические модели. Они используются практиче­ски во всех ее областях. Математические модели применяются для изучения сложных физиологических процессов, диагностики па­тологических состояний, исследования взаимодействия систем организма в норме и патологии, при изучении эпидемических процессов, в клинической иммунологии, фармакокинетике.

Из математических моделей, известных в физиологии, следует упомянуть модель возбуждения нервного волокна, предложенную А.Ходжкином и А.Хаксли.

Модель сердечной деятельности Ван дер Пола и Ван дер Мар­ка, основанная на теории релаксационных колебаний, позволила предсказать возможность особого нарушения сердечного ритма, впоследствии обнаруженного у человека.

Ярким примером использования математической модели для обобщения накопленных экспериментальных знаний является модель кровообращения Ф. Гродинза. Построением и исследова­нием моделей кровообращения, применяющихся в практике рос­сийской сердечно-сосудистой хирургии, занимается В.А.Лищук.

В медицинской информатике широко используется модели­рование, особенно часто математическое и информационное. Ма­тематические модели используются для расчета клинически зна­чимых показателей при обработке сигналов и изображений, для описания заболеваний и состояний при вычислительной диаг­ностике и прогнозировании. Информационное моделирование все чаще применяется при описании деятельности ЛПУ и их под­разделений. И информационное, и математическое моделирова­ние применяется в задачах, связанных с управлением здраво­охранением.

Контрольные вопросы

1) Дайте определение медицинскому технологическому процессу.

2) Кто является объектом и субъектом управления в медицинском технологическом процессе?

3) Назовите этапы управления состоянием пациента в лечебно-диагностическом процессе.

4) Дайте определение информатизации.

5) Какие элементы деятельности врача подлежат информатизации?

6) Опишите уровни информатизации врачебной деятельности.

7) Что представляют собой модель и моделирование?

8) Дайте характеристику информационной и математической моделям.

9) Назовите этапы процесса математического моделирования.

10) Какие модели используются в медицине?

11) Какие модели и с какой целью применяются в медицинской информатике?