Моделі та методи популяційної динаміки в програмному середовищі підтримки системних медичних досліджень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Моделі та методи популяційної динаміки в програмному середовищі підтримки системних медичних досліджень

Київ - 2005

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації. Сучасний стан охорони здоров'я невід'ємно пов'язаний з орієнтацією на доказову медицину, головними напрямками якої є: стандартизація охорони здоров'я та медичних досліджень, активне використання систем підтримки рішень у медичних наукових дослідженнях, розробка клінічних довідкових систем.

Стрімкий розвиток медичних та біологічних наук, що спостерігається протягом останнього часу, швидке збільшення інформації про причини, патогенез, профілактику та лікування різних захворювань, з одного боку, сприяв прогресу охорони здоров'я, а з іншого - спричиняв ускладнення в об'єктивній оцінці численних явищ, що виникають в організмі людини під дією хвороботворних та терапевтичних факторів.

Досить зазначити, що число показників, що описують функціональний стан організму, якими повинні користуватися лікарі та дослідники, за останні 70 років зросло більше ніж в 40 разів, а кількість лікувальних втручань - більше ніж в 100. Це призвело до потреби вузької спеціалізації лікарів, створення дослідних центрів із строгим напрямком лікування патології, помітного збільшення галузей медицини, подорожчання лікування, збільшення термінів надання допомоги. Істотно зменшилась ефективність аналізу зростаючого потоку діагностичної та лікувальної інформації. Більше того, значно зросла доля лікарського суб'єктивізму (і без того притаманного медицині) в процесі діагностики, прогнозування наслідків захворювання і вибору методу лікування. Подолання суперечностей між обсягом медичної інформації і можливістю її повноцінного аналізу можливе з використанням в медицині інформаційних систем, що опираються на методи моделювання, системного аналізу та теорії прийняття рішень.

При цьому основою для декомпозиції в алгоритмах системного аналізу в медицині служить змістовна модель захворювання. Як показано в роботах А.Д. Адо, під захворюванням мають на увазі інтеграцію патологічних процесів, що характеризується обмеженням захисно-пристосувальних явищ та зниженням працездатності людини. Звідси визначальним в аналізі захворювання повинно бути вивчення патологічного процесу.

Історія біологічної та медичної кібернетики бере початок з першої половини 60-х років. Саме тоді в роботах П.К. Анохіна щодо вивчення допоміжних реакцій організму і Н.А. Берштейна в галузі фізіології руху було розроблено основи і методи системного підходу, які повністю є кібернетичними. На початку 70-х років з'являється означення предмета та методу біокібернетики за М.М. Амосовим та А.Б. Коганом. Так, М.М. Амосов вважає, що біологічна кібернетика - це напрямок кібернетики, що вивчає загальні закони зберігання, переробки та передачі інформації в біологічних системах. Вважається, що біокібернетика використовує моделювання для вивчення методів аналізу та керування біологічними системами. Результати застосування методів теорії автоматичного керування та математичного моделювання до медицини та біології відображені в роботах М.М. Амосова, Ю.Г. Антомонова, Н. Бейлі, Л. Гласса, Дж.Кінера, Л. Ластеда, Р. Ледлі, І.М. Ляшенка, Г.І. Марчука, М. Мекі, О.П.Мінцера, Дж.М. Муррея, О.Г. Наконечного, Ю.М. Онопчука, Ю.І. Петуніна, М.Б. Славіна, Дж. Снейда, В.О. Яценка та інших.

У той же час широке впровадження в медичну науку та практику інформаційних технологій та методів подібно до того, як це відбувається в техніці, економіці, фінансовій галузі і навіть екології вимагає появи нових зручних алгоритмів до побудови і аналізу математичних моделей у класах нелінійних функціонально-диференціальних рівнянь та їх реалізації у вигляді відповідних програмних середовищ з інтерфейсами, орієнтованими на користувача.

Суттєві результати в цьому напрямку досягнуто в українською школою кібернетики та інформатики, створеною В.М. Глушковим. Важливий внесок у розвиток теорії та методів системного аналізу, математичного моделювання та оптимізації, загальної теорії керування, а також в розробку відповідних програмних засобів в Україні внесли Г.М. Бакан, І.В. Бейко, Б.М. Бублик, Ф.Г. Гаращенко, Ю.М.Єрмольєв, М.З. Згуровський, М.Ф. Кириченко, В.М. Кунцевич, О.Г. Наконечний, О.М. Новіков, Ю.М. Онопчук, Б.Н. Пшеничний, Ю.І. Самойленко, І.В. Сергієнко, А.О. Чикрій, В.О Яценко та ін.

У даній роботі запропоновано підхід до побудови та аналізу моделей системних медичних досліджень у класах балансових моделей, функціонально-диференціальних рівнянь, які отримали назву рівнянь популяційної динаміки. Моделі популяційної динаміки належать до класу найдавніших нелінійних динамічних систем, з якими зіткнулися дослідники, і на сьогодні зарекомендували себе при вивченні екологічних систем, ряду задач імунології та епідеміології. В роботі здійснюється систематичне впровадження рівнянь популяційної динаміки для патологічних процесів людського організму.

У переважній більшості медичні наукові дослідження в галузі патологічних процесів пропонують статистичні показники для діагностики та оцінки ефективності лікувально-профілактичних заходів. Такі підходи хибують лінійністю, отримані результати придатні лише для обґрунтування існуючих схем лікування і можуть бути застосовані для конкретних патологій та вузьких груп пацієнтів.

Певною мірою усунути зазначені недоліки можна розглядаючи патологічний процес як динамічну систему, модель якої містить рівняння популяційної динаміки для патогенних факторів та захисно-пристосувальних реакцій організму.

Доцільність такої роботи полягає в розробці точних методів діагностики та ефективних схем лікувально-профілактичних заходів, що вимагає появи інформаційних технологій вибору оптимальних варіантів медичної діяльності - одних з головних засад доказової медицини, напрямку, який обрала охорона здоров'я України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У 1998 році Всесвітня організація охорони здоров'я прийняла документ «Політика досягнення здоров'я для всіх у ХХІ столітті». Відповідно до нього в Україні розроблена Міжгалузева комплексна програма «Здоров'я нації». Її завданнями є зміцнення здоров'я населення, збереження працездатності, поліпшення демографічної ситуації в державі та підвищення ефективності медико-санітарної допомоги. Саме на сприяння їх виконання націлена дисертаційна робота.

Базовою для даної роботи стала комплексна науково-дослідна робота Центральної науково-дослідної лабораторії Тернопільської державної медичної академії ім. І.Я. Горбачевського на тему «Структурно-функціональне обгрунтування магнітолазерного впливу для профілактики і корекції уражень товстої кишки» (номер державної реєстрації 0101U001312), яка виконувалася на замовлення МОЗ України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є розробити математичні методи системного аналізу патологічних процесів у класі рівнянь популяційної динаміки а також реалізувати їх у програмному середовищі підтримки системних медичних досліджень.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі основні задачі:

побудувати математичні моделі для ушкоджуючої дії патогенного фактора та патологічних і захисно-пристосувальних реакцій, вивчити питання існування і єдиності розв'язків таких рівнянь;

розв'язати задачі апостеріорного мінімаксного оцінювання параметрів моделей захворювань, які в загальному випадку є функціями;

обчислити стани рівноваги та отримати умови стійкості, асимптотичної стійкості, нестійкості в класах рівнянь популяційної динаміки;

запропонувати способи відшукання розв'язків функціонально-диференціальних рівнянь популяційної динаміки в явному вигляді;

зробити математичні постановки задач керування патологічними процесами, запропонувати умови керованості та способи побудови оптимального керування як в явному вигляді, так і чисельними методами;

запропонувати способи класифікації форм патологічних процесів на основі моделей популяційної динаміки;

дослідити умови виникнення біфуркацій і хаосу в моделях патологічних процесів як аналітичними методами, так і за допомогою чисельних характеристик нелінійної динаміки;

розробити концептуальну модель програмного середовища підтримки системних медичних досліджень;

запропонувати модель структури даних у галузі системних медичних досліджень та реалізувати її в термінах відповідних програмних засобів;

розробити програмний інтерфейс середовища, який буде Web-інтегрованим, орієнтованим на користувача та має можливості модифікації;

реалізувати математичні методи системного аналізу патологічних процесів у вигляді ієрархії програмних класів;

розробити програмні засоби для виконання досліджень, підготовки отриманих результатів для представлення в Інтернет та їх візуалізації.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі наведено нові теоретичні дані щодо шляхів вирішення проблеми створення математичних методів системного аналізу паталогічних процесів у класі рівнянь популяційної динаміки.

Результати роботи дали змогу отримати для патологічних процесів методи побудови моделей, ідентифікації їх параметрів, а також аналізу стійкості, керованості та нелінійної поведінки траєкторій.

Вперше розроблено узагальнену модель пухлинного процесу в класі рівнянь динаміки Гомперца. На відміну від відомих раніше результатів, що не розрізняють підпопуляції пухлинних клітин, модель описує популяції проліферуючих, клоногенічних та нормальних клітин, при цьому виділяючи різну опірність до цитотоксичних агентів.

Удосконалено за рахунок введення функції пам'яті інтегро-диференціальні моделі популяцій, які «не знають» точного значення періоду дозрівання особин.

Вперше побудовано модель патологічного процесу як результат агрегування моделей для патогенного фактора, імунної системи, ресурсності механізмів клітинної ланки імунного захисту.

У роботі дістали подальший розвиток методи апостеріорного мінімаксного оцінювання - вони були розвинуті на диференціальні рівняння з вольтерівськими операторами з параметрами в гільбертовому просторі. Такі задачі виникають при ідентифікації моделей, запропонованих для опису патологічних процесів.

Розвинено теорію аналітичних розв'язків диференціальних рівнянь для рівнянь із запізненням. Шляхом вперше введеного поняття «запізнювальної експоненти» вдалося записати загальний розв'язок лінійних диференціальних рівнянь із сталим запізненням у явному вигляді.

Вперше побудовано керування для динаміки Гомперца в класі узагальнених функцій та отримано конструктивні умови керованості для ряду конкретних множин допустимих керувань.

При розв'язуванні задачі вибору оптимальних схем терапії із застосуванням двох цитотоксичних агентів, що є задачею керування з фазовими обмеженнями, вперше введено поняття інтегральної показникової функції порядку , що є узагальненням відомої функції Ейлера. Це дало змогу отримати конструктивні умови оптимальності, що в певних випадках зводяться до перевірки сумісності системи алгебраїчних нерівностей.

За рахунок вивчення розміщення коренів квазіполінома четвертого ступеня вперше отримано умову виникнення біфуркації Хопфа в моделі імунної системи за рахунок зміни величини запізнення. На відміну від попередніх результатів, отриманих у чисельному вигляді, дана умова формулюється в термінах коефіцієнтів системи. Вперше при дослідженні біфуркацій в моделі патологічного процесу також розраховувалися традиційні чисельні характеристики. При цьому удосконалено метод обчислення максимальної експоненти Ляпунова за рахунок процедури ренормалізації.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами дисертаційної роботи отримано 18 актів впровадження у роботу закладів охорони здоров'я України та 3 свідоцтва про реєстрацію авторського права на комп'ютерні програми, видані Державним департаментом інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України. Методи системного аналізу, розроблені в даній роботі, доведено до комп'ютерної реалізації. Розроблено Web-інтегровану інформаційно-керуючу систему підтримки системних медичних досліджень [15, 17, 39], яку впроваджено в наукову роботу Тернопільської державної медичної академії ім.І.Я. Горбачевського. При цьому вперше запропоновано модель для представлення результатів у галузі системних медичних досліджень на основі XML-технології. Розроблено програмний інтерфейс, орієнтований на користувача та відкриту бібліотеку відповідних Java-класів. Використання в середовищі технології засвідчених Java-аплетів значно послаблює вимоги до його апаратного та програмного супроводу. Демонстраційну версію програмного середовища розміщено за Інтернет-адресою:

http: // www.tdma.edu.te.ua / data / structure / med-inf / medicalsystemresearches / medicalscientificinvestigations.htm

Математичні методи системного аналізу моделей на основі нелінійних функціонально-диференціальних рівнянь популяційної динаміки реалізовано в комп'ютерній програмі «INTEGRA-POST» [1], яка містить базові класи програмного середовища системних медичних досліджень.

Розроблена математична модель стану кісткової тканини, яку реалізовано в комп'ютерній програмі «Prognosis Bone Tissue» [5], впроваджена при лікуванні хворих на гострі і хронічні гемобластози в ряді лікувальних закладів.

Модель токсичного коліту, розроблену в даній роботі та її комп'ютерну реалізацію, було використано для структурно-функціонального обгрунтування магнітолазерного впливу для профілактики і корекції уражень товстої кишки та при вивченні особливостей тонкої та товстої кишок при поєднаних патологіях органів панкреато-гепатобіліарної зони [10].

У навчальний процес на кафедрі медицини катастроф та військової медицини Тернопільської державної медичної академії ім.І.Я. Горбачевського впроваджене вивчення порядку розробки складних програмних комплексів на прикладі програмного середовища, розробленого в даній роботі.

У матеріал курсу лекцій кафедри патологічної фізіології Тернопільської державної медичної академії ім. І.Я. Горбачевського впроваджене викладання методів системного аналізу, запропонованих у даній роботі при дослідженні захворювань, що не моделюються на тваринах.

Результати системного аналізу патологічних процесів були використані при визначенні біологічного віку людини на основі показників біологічних маркерів при розробці комп'ютерної програми «BIOAGE» [36], впровадженої на кафедрі загальної гігієни та екології Тернопільської державної медичної академії ім. І.Я. Горбачевського та інстальованої в Інтернет за адресою: http: // www.tdma.edu.te.ua / data / faq / bioage / BioAge.html.

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи, що виносяться до захисту, одержані автором особисто. При розробці алгоритму прикладного системного аналізу дослідження патологічного процесу [24] Лісничук Н.Є. та Баранюк І.О. було запропоновано декомпозицію змістовної моделі патологічного процесу. Усі інші результати розділу 1 отримані Марценюком В.П. особисто. Постановки задач розділу 2 [31,38] належать Наконечному О.Г. Марценюк В.П. впровадив до їх розв'язування методи мінімаксного апостеріорного оцінювання. Жулкевичу І.В. належать ідеї щодо побудови логістичної моделі мінеральної щільності кісткової тканини (МЩКТ) та зв'язку МЩКТ з висотою хребців поперекового відділу хребта [5]. У розділі 3 Ковальчук О.Я. належить розрахунок експоненціального квазіполінома в моделі імунного захисту Г.І. Марчука [20]. У розділі 4 Хусаінову Д.Я. належить ідея щодо запізнювальної експоненти [3]. Усі інші обчислення та дослідження виконані Марценюком В.П. особисто. У розділі 5 Ладика Р.Б. та Ковальчук О.Я. [34] виконали розрахунок умов оптимальності. Ідея інтегральної показникової функції певного порядку та її застосування до принципу максимуму належить Марценюку В.П. В роботі [23] Наконечний О.Г. запропонував умову перевірки оптимальності для різного роду множин керування та використання методу фінітного керування. Усі інші результати щодо побудови умов керованості належать Марценюку В.П. особисто. Семенець А.В, Сверстюк А.С. та Вакуленко Д.В. брали участь у розробці програмного середовища підтримки системних медичних досліджень [15, 17]. Концепції такого середовища, вибір програмних засобів та алгоритмів належать Марценюку В.П.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включено до дисертації, доповідались у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка на семінарі «Моделювання і оптимізація динамічних систем» (керівник проф. Наконечний О.Г.), в Інституті кібернетики ім.В.М. Глушкова НАН України на семінарі відділу функціонально-інформаційних систем (керівник - проф. Ю.М. Онопчук), у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» на семінарі Фізико-технічного інституту (керівник - проф. О.М. Новіков). Їх також оприлюднено на наукових форумах: IV Кримська Міжнародна математична школа «Метод функцій Ляпунова і його застосування» (Алушта, 1998), Міжнародна конференція «Dynamical Systems Modelling And Stability Investigation» (Київ, 1999), V Кримська Міжнародна математична школа «МФЛ - 2000» (Алушта, 2000), Міжнародна конференція з управління «Automatics - 2000» (Львів, 2000), Міжнародна конференція «Диференціальні та інтегральні рівняння» (Одеса, 2000), Conference on Differential Equations and Dynamical Systems (Ліссабон, 2000), International Workshop «Control Applications of Optimization» (Санкт-Петербург, 2000), Міжнародна конференція «Моделювання та оптимізація складних систем» (Київ, 2001), ІІІ Московська міжнародна конференція по дослідженню операцій (ORM2001) (Москва, 2001), Fifth Mississippi State Conference on Differential Equations & Computational Simulations (Mississippi, 2001), Міжнародна конференція «Dynamical Systems Modelling and Stability Investigation» (Київ, 2001), Міжнародна конференція «Диференціальні рівняння і нелінійні коливання», (Чернівці, 2001), International Workshop «Problem of Decision Making and Control Under Uncertainties (PDMU-2002)» (Канів, 2002), ІІ Міжнародна науково-практична конференція «Інформаційні технології в охороні здоров'я та практичній медицині» (Київ, 2002), IV Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Системний аналіз та інформаційні технології» (Київ, 2002), VI Кримська Міжнародна математична школа «Метод функцій Ляпунова і його застосування» (Алушта, 2002), Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Комп'ютери. Програми. Інтернет. 2003» (Київ, 2003), V Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Системний аналіз та інформаційні технології» (Київ, 2003), International Conference «PDMU-2003» (Алушта, 2003), Міжнародна наукова конференція «Шості Боголюбовські читання» (Чернівці, 2003), International Workshop «PDMU-2004» (Тернопіль, 2004), І Всеукраїнська науково-практична конференція «Медичні технології і вища освіта» (Луцьк, 2004), 11-а Міжнародна конференція по автоматичному управлінню «Автоматика-2004» (Київ, 2004), IFIP/IIASA/GAMM Workshop on Coping with Uncertainty (Лаксенбург, 2004).

Публікації результатів. Результати дисертації опубліковані у двох монографіях, у 28 матеріалах і тезах конференцій, 48 статтях у наукових журналах, з яких 27 - у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України (див. [3-29]).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел (223 найменувань). Загальний обсяг дисертації - 424 сторінки, з них 355 основного змісту.

модель рівняння математичний динаміка

Основний зміст роботи

У вступі дана загальна характеристика роботи, висвітлено стан наукової проблеми, обгрунтована актуальність теми, поставлені мета і задачі дослідження.

У першому розділі сформульовано алгоритм системного аналізу з метою вивчення причин та особливостей динаміки розвитку і перебігу захворювання. Введене поняття «конфігуратора», «проблематики», «цілей», «критеріїв», «альтернатив» задачі. Вважається, що змістовна модель патологічного процесу складається з трьох компартментів: «патогенний фактор», «захисно-пристосувальні реакції», «патологічні реакції». Їх опис здійснюється в класах нелінійних рівнянь узагальненої динаміки Гомперца, із запізненням, інтегро-диференціальних рівнянь з пам'яттю. Такі рівняння виступають під загальною назвою рівнянь популяційної динаміки. З усієї множини альтернатив наукових напрямків синтезовано напрямок, що опирається на вивчення загального патологічного процесу з точки зору теорії динамічних систем і передбачає вирішення таких питань: умови існування та єдиності розв'язків у рівняннях узагальненої моделі динаміки Гомперца, інтегро-диференціальних моделях з пам'яттю; ідентифікація параметрів у моделях патологічних процесів; умови класифікації форм перебігу захворювання на основі апарату теорії стійкості; постановка та розв'язання задач керування з фазовими обмеженнями для встановлення оптимальних методик лікування; біфуркації та періодичні розв'язки в моделях патологічних процесів; розробка програмного забезпечення для підтримки досліджень патологічних процесів.

Зроблено огляд результатів щодо впровадження рівнянь популяційної динаміки в класі нелінійних диференціальних рівнянь, диференціальних рівнянь з післядією. Рівняння аналізуються в термінах таких біологічних понять: народжуваність, смертність, хижаки та жертви, змагання та кооперація.

Тут також представлено, узагальнено та розв'язано проблеми існування, єдиності та додатності розв'язків в основних класах рівнянь популяційної динаміки для моделювання та аналізу патологічних процесів.

У другому розділі розроблено методи оцінювання в моделях патологічних процесів. Задачі ідентифікації параметрів запропонованих моделей є здебільшого задачами апостеріорного оцінювання в гільбертовому просторі.

В підрозділі 2.1 розглянуто задачу ідентифікації параметрів диференціальних рівнянь, заданих у гільбертовому просторі. Встановлено умови існування розв'язків та побудовано конструктивний алгоритм розв'язування задачі ідентифікації в гільбертовому просторі, який зводиться до розв'язування відповідної крайової задачі.

Також розглядається випадок невідомих обмежень на початкове значення інтегрального ядра. Одержані результати виражаються через розв'язки спряжених систем та власні значення деяких лінійних операторів.

У підрозділі 2.3 представлено алгоритми розв'язування задачі оцінювання інтегрального ядра в диференціальних рівняннях з вольтерівськими операторами.

У даному розділі здійснено огляд результатів щодо розв'язання важливої проблеми медицини - моделювання реконструкції кісткової тканини. Представлено ряд чисельних алгоритмів для обчислення змін мінеральної щільності кісткової тканини з часом з урахуванням як механічних навантажень, так і біологічних чинників.

Запропоновано модель процесу кісткової реконструкції у класі рівнянь логістичного типу. Здійснено ідентифікацію параметрів моделі на основі оптимізаційного алгоритму.

Метод ідентифікації параметрів також проілюстровано при побудові компартментної моделі захворювання - експериментального токсичного коліту.

Оскільки патологічні процеси переважно описуються нелінійними диференціальними рівняннями, які не мають аналітичних розв'язків, доводиться шукати методи, відмінні від аналітичного інтегрування диференціальних рівнянь. Поряд з використанням чисельних методів розв'язування диференціальних рівнянь часто можна виявити важливі якісні властивості розв'язків нелінійних рівнянь, не розв'язуючи їх явно. До таких якісних властивостей належить стійкість розв'язків рівнянь. Зазначимо, що такий підхід дозволить дати відповідь на питання про форму перебігу патологічного процесу на основі запропонованих у роботі моделей: субклінічну, гостру нормальну, хронічну та гостру форму з летальним наслідком.

У третьому розділі розробляються методи дослідження стійкості моделей патологічних процесів. Головні складності пов'язані з нескінченновимірністю фазових просторів. Викладено основні результати теорії стійкості у їх застосуванні до нелінійних диференціальних рівнянь із запізненням. У підрозділі 3.1 встановлено достатні умови асимптотичної стійкості системи із запізненням третього порядку з виглядом правих частин, близьким до загального, з використанням квадратичного функціоналу Ляпунова. Систему можна розглядати в якості узагальнення імунологічної моделі антиген-антитіло-плазматична клітина. У підрозділі 3.2 розглядаються питання стійкості стаціонарних станів моделі реконструкції кісткової тканини на основі функцій Ляпунова логістичного типу. Вивчається стійкість рівноважних станів системи токсичного коліту прямим методом. У підрозділі 3.4 проведене дослідження стійкості моделі радіотерапії, яка є кусково-неперервною системою із запізненням. Отримано оцінку стійкості у вигляді показника експоненціального згасання розв'язку.

У підрозділі 3.5 отримано ряд ефективних умов стійкості з використанням явного вигляду коренів характеристичного квазіполіному для систем четвертого порядку із запізненням (модель імунної системи, модель протипухлинного імунітету).

Якщо і, тоді всі корені рівняння (35) мають від'ємні дійсні частини при всіх . Якщо або, тоді всі корені рівняння (35) мають від'ємні дійсні частини при.

Теорема 4. Припустимо, що коефіцієнти моделі імунного захисту (34) задовольняють умови теореми 3.

Тоді, якщо , то стан рівноваги системи (34) є абсолютно стійким (асимптотично стійким для всіх). Якщо ж або, тоді стан рівноваги системи ЗДР (34) є асимптотично стійким при.

Результати, що враховують дію ушкодженого органу на імунну відповідь, отримано з використанням вироджених функціоналів Ляпунова. Для таких функціоналів накладаються менш жорсткі умови додатньої визначеності. Порівнюючи з результатами попередніх робіт, які було виконано на основі відмінних методів, знайдено умови стійкості для більш широкої області параметрів. При цьому накладаються додаткові умови на величину запізнення. Перспективою запропонованого методу є можливість дослідження системи імунного захисту із неперервно розподіленим запізненням. Головний результат сформульовано у наступній теоремі.

Побудова довершеної теорії диференціальних рівнянь з післядією вимагає відшукання розв'язків в аналітичному вигляді. Цього також вимагають моделі патологічних процесів на основі рівнянь із запізненням. Спроба побудови явних розв'язків лінійних диференціальних рівнянь із запізненням робиться у четвертому розділі.

Представлено огляд результатів щодо застосування методів операційного числення в теорії диференціальних рівнянь. Метод, запропонований в даному розділі, грунтується на інтегральному представленні розв'язку та перетворенні Лапласа. Вводиться поняття запізнювальної експоненти - свого роду спеціальної функції для представлення розв'язків, вивчаються її властивості. На основі запізнювальної експоненти знайдено загальний розв'язок рівняння з «чистим» запізненням в -вимірному випадку та скалярного лінійного диференціального рівняння із запізненням із сталими коефіцієнтами.

Як свідчення про роль теорії керування в медицині твердження М.М. Амосова про те, що «медицина - це штучне регулювання життєдіяльності хворого організму, спрямоване на відновлення норми». У п'ятому розділі розробляються методи керування в моделях патологічних процесів.

У підрозділі 5.1 розглядаються задачі керування в класі диференціальних рівнянь динаміки Гомперца. Встановлено умови керованості в нестаціонарному випадку. Виписано загальний вигляд керування для стаціонарної системи і скалярного керування в класі узагальнених функцій. Встановлено критерії керованості нестаціонарної системи в різних випадках опуклих замкнутих множин керування.

Програма-парсер (клас XmlToDom) виконує синтаксичний аналіз XML-документу медичної наукової публікації а також побудову на його основі деревовидної структури Document Object Model (DOM). При цьому використовується конструктор DocumentBuilder бібліотеки Java 2 SDK 1.4.0.

Програма візуалізації медичної наукової публікації (клас DomToTree) здійснює візуальне представлення структури DOM у вигляді дерева (Swing-клас JTree), текстові (а також HTML) елементи якого синхронно відображаються у вікні-броузері (клас JEditorPane). При цьому з вікна-броузера здійснюється запуск Java-класів, що входять у дане програмне середовище. З меню File можна вибрати інший XML-документ для візуалізації або ж дописати до вже існуючого (тим самим створювати бібліотеку XML-документів), вибравши пункти меню Choose або Append відповідно.

Бібліотека Java-класів, що реалізують методи системного аналізу включає такі класи як:

AdjointSystemSolution - інтегрування спряженої системи; AdvancedFrame - клас-фрейм з покращеними можливостями звичайного фрейма, призначений для відображення форм для вводу та графічного інтерфейсу у проекті; AdvancedMenu - клас покращеного меню; AutocorrelationGraph - клас-аплет побудови функції автокореляції системи; AutocorrelationInputDataFrame - фрейм для введення даних для побудови графіка автокореляції; BifurcationGraph - клас-аплет побудови біфуркаційної діаграми системи; BifurcationInputDataFrame - фрейм для введення даних для побудови біфуркаційної діаграми; BoundsLocation - розміщення часових та просторових меж дослідження системи; ColorButton - клас покращеної кнопки; ColorList - кольорова гама для виведення графіків; Control - клас для представлення керування моделлю; CorrelationDimensionGraph - клас-аплет для виведення кореляційних розмірностей; CorrelationDimensionInputDataFrame - фрейм для введення даних для побудови кореляційних розмірностей; DelaySystemSolution - абстрактний клас динамічних систем функціонально-диференціальних рівнянь; DiscreteFunction - клас для збереження функції заданої своїми табличними значеннями; FunctionList - клас-зв'язаний список функцій для опису моделі; GraphConstruction - абстрактний клас-аплет для відображення графіків та поверхонь; GraphicalSearchValue - клас для пошуку значення функції, заданої графічно; gSolution - клас мінімаксної апостеріорної оцінки розв'язку для задачі ідентифікації параметрів; LabelAndTextField - поле для вводу параметрів моделей; LiapunovExponentsGraph - клас-аплет побудови графіків експонент Ляпунова; LiapunovExponentsInputDataFrame - фрейм введення даних для побудови експонент Ляпунова; LinkedList - зв'язаний список; ListOfSolutions - список розв'язків рівнянь моделей; MultiControl - клас багатовимірного керування; OrdinateInputDataFrame - фрейм введення ординати при пошуку точного значення відповідної абсциси графіка функції; Point3D - клас три-вимірна точка; RiccatiEquationSolution - клас інтегрування рівняння Рікатті; SpatialCurveConstruction - клас побудови просторової кривої; TherapyControl - клас для задання режимів терапевтиного лікування; TimeInputDataFrame - клас для введення моменту часу; TimeLimitsInputDataFrame - клас для введення часових меж моделювання; xyPoint - двовимірна точка.

Зазначимо, що більшість цих класів є абстрактними. Їх призначення - послужити базовими класами для розробки додатків в галузі системного аналізу патологічних процесів (рис. 2). При цьому в програмному середовищі розроблено інтерфейс, орієнтований на користувача.

Показано результати роботи додатків, розроблених в даному програмному середовищі з метою дослідження таких захворювань як меланома шкіри та токсичний коліт.

Висновки

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і новий напрямок вирішення наукової проблеми, що полягає в розробці математичних методів системного аналізу патологічних процесів у класі рівнянь популяційної динаміки, а також їх реалізації у вигляді Web-інтегрованого програмного середовища підтримки системних медичних досліджень.

2. Для ушкоджуючої дії патогенного фактора пропонується використовувати модель узагальненої динаміки Гомперца, розвинену в даній роботі з урахуванням підпопуляцій клітин, що розрізняються різною резистентністю до цитотоксичних агентів та мають здатність мутації. Для захисно-пристосувальних реакцій пропонується використовувати модель імунної системи Г.І. Марчука, яка в даній роботі вперше досліджена з урахуванням дії ушкодженого органа на імунну відповідь, та модель реконструкції кісткової тканини, що містить інформацію про ресурсність механізмів імунного захисту. Вивчене питання існування і єдиності розв'язків таких моделей.

3. Запропоновано розв'язок задачі ідентифікації параметрів диференціальних рівнянь, заданих у гільбертовому просторі в умовах невизначеності. Встановлено умови існування розв'язків такої задачі, які збігаються з умовами неперервної залежності розв'язків диференціальних рівнянь від параметрів. У випадку лінійної моделі та простору умова полягає в збіжності в середньо-квадратичному на апріорній множині. Побудовано конструктивний алгоритм розв'язування задачі ідентифікації у гільбертовому просторі, який зводиться до розв'язування відповідної крайової задачі. Запропоновано спосіб її зведення до задач Коші та розглянуто часткові випадки, які допускають розв'язок задачі не лише в операторному вигляді.

4. Побудовано оптимізаційний метод ідентифікації параметрів при побудові моделей систем із запізненням на основі функцій чутливості та продемонстроване його використання для моделей патологічних процесів. Отримано оцінки збіжності такого методу.

5. Розроблено метод вивчення стійкості моделі імунного захисту Г.І. Марчука шляхом дослідження нулів характеристичного полінома - квазіполінома четвертого ступеня.

6. Представлено спосіб побудови вироджених функціоналів Ляпунова при дослідженні стійкості моделі імунного захисту Г.І. Марчука. Представлено результати як без врахування впливу дії ушкодженого органа на імунну систему (), так і при наявності такого впливу. Порівнюючи з результатами попередніх робіт, які було виконано на основі відмінних методів, знайдено умови стійкості для більш широкої області параметрів (на відміну від області). При цьому накладаються додаткові умови на величину запізнення. Перспективою запропонованого методу є дослідження системи імунного захисту із неперервна розподіленим запізненням.

7. Поставлено задачі керування в класі диференціальних рівнянь динаміки Гомперца. Встановлені умови керованості в нестаціонарному випадку. Виписаний загальний вид керування для стаціонарної системи і скалярного керування в класі узагальнених функцій. Встановлені критерії керованості нестаціонарної системи в різних випадках опуклих замкнутих множин керування. Показано чисельний приклад побудови критерію керованості у разі множини керування з . Запропоновано алгоритм розв'язування задачі оптимального керування за однією із змінних.

8. Побудовано модель поліхіміотерапії, яку можна інтерпретувати також як хіміорадіотерапію. Вона є задачею оптимального керування з фазовими обмеженнями для нелінійної системи. Пошук оптимальної схеми терапії грунтується на принципі максимуму Л.С. Понтрягіна. Умови оптимальності знайдено у вигляді системи нерівностей. Для їх побудови використовуються інтегральні показникові функції заданого порядку, які є узагальненням інтегральної показникової функції Ейлера. Це дозволило звести вихідну оптимізаційну задачу до проблеми відшукання розв'язків системи алгебраїчних нерівностей. Дана методика може бути застосована для перевірки оптимальності існуючих схем хіміо - та радіотерапії. Зазначимо, що система, яка розглядалася, може бути використана також для моделювання терапевтичного лікування за допомогою двох хіміопрепаратів, а при введенні додаткових змінних - з допомогою хіміопрепаратів.

9. Вивчене питання виникнення біфуркації Хопфа в моделі імунного захисту Г.І. Марчука за рахунок величини запізнення в часі. Отримано достатні умови біфуркації на основі аналізу поведінки коренів характеристичного квазіполінома четвертого ступеня.

10. Представлено експериментальний метод аналізу моделі патологічного процесу за допомогою чисельних характеристик, що використовуються для дослідження нерегулярних хаотичних рухів: автокореляція та спектр потужностей, експоненти Ляпунова, розмірності атракторів. Перспективою даного дослідження є аналітичне обгрунтування отриманих експериментальних зображень у термінах коренів відповідних характеристичних квазіполіномів.

11. Розроблено концептуальну модель програмного середовища підтримки системних медичних досліджень. При її реалізації запропоновано модель публікації у галузі системних медичних досліджень та впроваджено її у термінах технології XML. Розроблено програмний інтерфейс середовища, який є Web-інтегрованим, орієнтованим на користувача та має можливості налаштування. Реалізовано математичні методи системного аналізу патологічних процесів у вигляді ієрархії Java-класів.

12. Розроблено програмні засоби для виконання системних медичних досліджень, підготовки отриманих результатів до публікації в Інтернет та їх візуалізації.

Размещено на Allbest.ru