ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ КАРДИОЛОГИЧЕСКОЙ КРИВОЙ
|
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Описание предметной области 12
1.1 Основные термины и понятия 12
1.2 Описание сокращения сердечной мышцы и роль кальция 13
в регуляции сократительной активности клеток миокарда 13
2 Описание модели 16
2.1 Математическая модель 16
2.2 Анализ модели. Исследование поведения сокращения 19
кардиологической кривой 19
3 Обзор существующих программных комплексов исследования 25
сокращения сердечной мышцы 25
3.1 Программный комплекс Si-Helderberg MuscleData 25
3.2 Программный комплекс САФЕ 27
3.3 Система скрининга сердца «Кардиовизор» 28
4 Модуль вычисления параметров оптимизируемой функции 32
4.1 Вычисление коэффициентов функции методом градиентного спуска .. 32
4.2 Оценка адекватности модели функции 34
4.3 Расчет параметров сокращения сердечной мышцы 36
4.4 Исследование модели компонентной структуры 39
сокращения миокарда 39
4.5 Статистическая обработка результатов 43
5 Моделирование системы в UML 45
5.1 Диаграмма прецедентов 45
6 Выбор средств разработки программного обеспечения 48
7 Проектирование и создание базы данных 49
8 Описание реализованного программного обеспечения 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Описание предметной области 12
1.1 Основные термины и понятия 12
1.2 Описание сокращения сердечной мышцы и роль кальция 13
в регуляции сократительной активности клеток миокарда 13
2 Описание модели 16
2.1 Математическая модель 16
2.2 Анализ модели. Исследование поведения сокращения 19
кардиологической кривой 19
3 Обзор существующих программных комплексов исследования 25
сокращения сердечной мышцы 25
3.1 Программный комплекс Si-Helderberg MuscleData 25
3.2 Программный комплекс САФЕ 27
3.3 Система скрининга сердца «Кардиовизор» 28
4 Модуль вычисления параметров оптимизируемой функции 32
4.1 Вычисление коэффициентов функции методом градиентного спуска .. 32
4.2 Оценка адекватности модели функции 34
4.3 Расчет параметров сокращения сердечной мышцы 36
4.4 Исследование модели компонентной структуры 39
сокращения миокарда 39
4.5 Статистическая обработка результатов 43
5 Моделирование системы в UML 45
5.1 Диаграмма прецедентов 45
6 Выбор средств разработки программного обеспечения 48
7 Проектирование и создание базы данных 49
8 Описание реализованного программного обеспечения 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63
Актуальность работы. Важность проблем, связанных с исследованием сердечно-сосудистых заболеваний, не подвергается сомнениям. По данным Всемирной организации здравоохранения, в течение последних лет ишемическая болезнь сердца (ИБС) и инсульт являются ведущими причинами смерти в мире, и эта тенденция, к сожалению, будет сохраняться и в ближайшие годы [1].
Для России эта проблема является ещё более актуальной, так как показатели смертности от ССЗ в Российской Федерации - одни из самых высоких в мире [2].
По этой причине крайне важным видится развитие новых методов диагностики и лечения с использованием современной техники и информационных технологий [3]. Увеличение и координация усилий в этой области может положительно сказаться на улучшении в целом довольно непростой ситуации, связанной с ССЗ как в России, так и в мире в целом.
Использование методов цифровой обработки данных позволит расширить возможности проводимых исследований, позволяя получать максимально точные результаты в короткие сроки. Математические методы и компьютерные технологии позволяют анализировать различные процессы сердечной активности и совершенствовать диагностику кардиологических заболеваний.
Не подвергается сомнению и тот факт, что особую роль в лечении ССЗ играет такой метод лечения, как применение новых лекарственных препаратов, влияющих на сократительную активность, с помощью которых можно было бы повысить эффективность лечения заболеваний сердца и реализовать проблемы современной фармакотерапии.
В последнее время все большее внимание исследователей привлекает изучение компонентного сокращения миокарда, возникающего вследствие фармакологических и других инотропных воздействий.
В научных трудах [4-5] исследована возможность использования двух-компонентного разложения сокращения кардиологической кривой с целью изучения механизма действия кардиотропных веществ на сократительную функцию. Используя математическую модель компонентной структуры сокращения миокарда, было выполнено исследование сократительной активности миокарда и роль ионов кальция Са2+ в сократительной функции в результате инотропного воздействия и действия фармакологических агентов. Однако сложность структуры экспериментальных данных ведет к большим временным затратам вычислительных экспериментов, поэтому требуется автоматизация процесса исследования.
Актуальность, теоретическая значимость и недостаточная практическая разработанность данной проблемы обусловили выбор темы исследования: «Программный комплекс для моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой».
Объект и предмет исследований (диссертации). Объект исследования - модель двухкомпонентного сокращения сердечной мышцы. Предмет исследования - программный комплекс для моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой.
Цель работы. Разработка программного комплекса для моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- анализ предметной области;
- провести обзор существующих программных комплексов исследования сокращения сердечной мышцы;
- исследовать математическую модель компонентной структуры сокращения миокарда в результате воздействия кардиотропных препаратов;
- вычисление коэффициентов моделируемой функции оптимизационным методом градиентного спуска;
- проверить модель на адекватность;
- программная реализация моделирования двухкомпонентного разложения сокращения кардиологической кривой;
- исследовать возможность использования параметров сократительной активности миокарда для оценки действия фармакологических агентов на транспорт ионов кальция в сердечных клетках;
- статистическая обработка параметров сокращения сердечной мышцы.
Методы исследования и подходы - в ходе исследования были использованы основы теории сокращения сердечной мышцы, численные методы математического моделирования и вычислительного эксперимента, метод статистического анализа.
Научная новизна диссертационного исследования. Элементы научной новизны диссертационного исследования определяются следующими моментами:
1) выполнен анализ предметной области;
2) проведен сравнительный анализ существующих аналогов программных продуктов исследования сокращения кардиологической кривой, выявлены их особенности и недостатки;
3) изучена и проанализирована модель двухкомпонентного разложения кардиологической кривой;
4) произведено вычисление коэффициентов моделируемой функции методом градиентного спуска;
5) разработан программный комплекс для моделирования двухкомпонентного разложения сокращения сердечной мышцы, полученной экспериментально.
6) автоматизация процессов исследования позволяют выявить участие ионов кальция Са2+ в сокращении сердечной мышцы, а также детально рассмотреть воздействие определенных кардиотропных препаратов на процессы двухкомпонентного разложения кардиологической кривой.
Практическая ценность: разработанный программный продукт позволяет исследовать сократительную активность миокарда в результате инотропного воздействия и действия фармакологических препаратов. Программный комплекс может быть использован в научных исследованиях в лаборатории молекулярно - клеточной патологии и генодиагностики ТИНЦ НИИ кардиологии. Работа имеет большое практическое значение, поскольку решает важный аспект, связанный с проведением экспериментальных исследований процесса патологии сердечной мышцы и скрининга новых кардиотропных лекарственных препаратов.
Апробация материалов исследования. Основные положения диссертации обсуждались на:
- XIV Международной школы-конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инноватика-2018», г. Томск, 26-28 апреля 2018 года;
- VI Международной молодежной научной конференции «Математическое и программное обеспечение информационных, технических и экономических систем», г. Томск, 24-26 мая 2018 года.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 2 печатных изданиях [55,56].
Для России эта проблема является ещё более актуальной, так как показатели смертности от ССЗ в Российской Федерации - одни из самых высоких в мире [2].
По этой причине крайне важным видится развитие новых методов диагностики и лечения с использованием современной техники и информационных технологий [3]. Увеличение и координация усилий в этой области может положительно сказаться на улучшении в целом довольно непростой ситуации, связанной с ССЗ как в России, так и в мире в целом.
Использование методов цифровой обработки данных позволит расширить возможности проводимых исследований, позволяя получать максимально точные результаты в короткие сроки. Математические методы и компьютерные технологии позволяют анализировать различные процессы сердечной активности и совершенствовать диагностику кардиологических заболеваний.
Не подвергается сомнению и тот факт, что особую роль в лечении ССЗ играет такой метод лечения, как применение новых лекарственных препаратов, влияющих на сократительную активность, с помощью которых можно было бы повысить эффективность лечения заболеваний сердца и реализовать проблемы современной фармакотерапии.
В последнее время все большее внимание исследователей привлекает изучение компонентного сокращения миокарда, возникающего вследствие фармакологических и других инотропных воздействий.
В научных трудах [4-5] исследована возможность использования двух-компонентного разложения сокращения кардиологической кривой с целью изучения механизма действия кардиотропных веществ на сократительную функцию. Используя математическую модель компонентной структуры сокращения миокарда, было выполнено исследование сократительной активности миокарда и роль ионов кальция Са2+ в сократительной функции в результате инотропного воздействия и действия фармакологических агентов. Однако сложность структуры экспериментальных данных ведет к большим временным затратам вычислительных экспериментов, поэтому требуется автоматизация процесса исследования.
Актуальность, теоретическая значимость и недостаточная практическая разработанность данной проблемы обусловили выбор темы исследования: «Программный комплекс для моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой».
Объект и предмет исследований (диссертации). Объект исследования - модель двухкомпонентного сокращения сердечной мышцы. Предмет исследования - программный комплекс для моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой.
Цель работы. Разработка программного комплекса для моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- анализ предметной области;
- провести обзор существующих программных комплексов исследования сокращения сердечной мышцы;
- исследовать математическую модель компонентной структуры сокращения миокарда в результате воздействия кардиотропных препаратов;
- вычисление коэффициентов моделируемой функции оптимизационным методом градиентного спуска;
- проверить модель на адекватность;
- программная реализация моделирования двухкомпонентного разложения сокращения кардиологической кривой;
- исследовать возможность использования параметров сократительной активности миокарда для оценки действия фармакологических агентов на транспорт ионов кальция в сердечных клетках;
- статистическая обработка параметров сокращения сердечной мышцы.
Методы исследования и подходы - в ходе исследования были использованы основы теории сокращения сердечной мышцы, численные методы математического моделирования и вычислительного эксперимента, метод статистического анализа.
Научная новизна диссертационного исследования. Элементы научной новизны диссертационного исследования определяются следующими моментами:
1) выполнен анализ предметной области;
2) проведен сравнительный анализ существующих аналогов программных продуктов исследования сокращения кардиологической кривой, выявлены их особенности и недостатки;
3) изучена и проанализирована модель двухкомпонентного разложения кардиологической кривой;
4) произведено вычисление коэффициентов моделируемой функции методом градиентного спуска;
5) разработан программный комплекс для моделирования двухкомпонентного разложения сокращения сердечной мышцы, полученной экспериментально.
6) автоматизация процессов исследования позволяют выявить участие ионов кальция Са2+ в сокращении сердечной мышцы, а также детально рассмотреть воздействие определенных кардиотропных препаратов на процессы двухкомпонентного разложения кардиологической кривой.
Практическая ценность: разработанный программный продукт позволяет исследовать сократительную активность миокарда в результате инотропного воздействия и действия фармакологических препаратов. Программный комплекс может быть использован в научных исследованиях в лаборатории молекулярно - клеточной патологии и генодиагностики ТИНЦ НИИ кардиологии. Работа имеет большое практическое значение, поскольку решает важный аспект, связанный с проведением экспериментальных исследований процесса патологии сердечной мышцы и скрининга новых кардиотропных лекарственных препаратов.
Апробация материалов исследования. Основные положения диссертации обсуждались на:
- XIV Международной школы-конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инноватика-2018», г. Томск, 26-28 апреля 2018 года;
- VI Международной молодежной научной конференции «Математическое и программное обеспечение информационных, технических и экономических систем», г. Томск, 24-26 мая 2018 года.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 2 печатных изданиях [55,56].
В ходе выполнения работы были реализованы поставленные цель и задачи.
1. Исследована математическая модель двухкомпонентного разложения кривой сокращения сердечной мышцы и ее поведение в результате воздействия кардиотропных препаратов.
2. Разработан алгоритм вычисления коэффициентов оптимизируемой функции методом градиентного спуска и реализован программно.
3. В результате проделанной работы был разработан программный комплекс для моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой. Также в данную программу включен блок статистики для статистической обработки результатов измерений. Этот программный продукт сможет заменить устаревшую программу, запуск которой на современных компьютерах представляет огромные трудности.
Были проведены дополнительные консультации с сотрудниками НИИ кардиологии по поводу модернизации программы, учтены их замечания и конкретные пожелания.
Полученные результаты имеют прикладное значение, программа моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой используется для исследования сократительной активности миокарда в результате инотропного воздействия фармакологических агентов.
Результаты исследования докладывались на:
- XIV Международной школы-конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инноватика-2018», г. Томск, 26-28 апреля 2018 года;
- VI Международной молодежной научной конференции «Математическое и программное обеспечение информационных, технических и экономических систем», г. Томск, 24-26 мая 2018 года.
Результаты исследования опубликованы в изданиях:
- Сборник материалов XIV Международной школы-конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инноватика-2018» (готовится к печати);
- Материалы VI Международной молодежной научной конференции «Математическое и программное обеспечение информационных, технических и экономических систем» (готовится к печати).
Полученные результаты имеют прикладное значение, программа моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой может использоваться для исследования сократительной активности миокарда в результате инотропного воздействия и скрининга новых кардиотропных лекарственных препаратов.
1. Исследована математическая модель двухкомпонентного разложения кривой сокращения сердечной мышцы и ее поведение в результате воздействия кардиотропных препаратов.
2. Разработан алгоритм вычисления коэффициентов оптимизируемой функции методом градиентного спуска и реализован программно.
3. В результате проделанной работы был разработан программный комплекс для моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой. Также в данную программу включен блок статистики для статистической обработки результатов измерений. Этот программный продукт сможет заменить устаревшую программу, запуск которой на современных компьютерах представляет огромные трудности.
Были проведены дополнительные консультации с сотрудниками НИИ кардиологии по поводу модернизации программы, учтены их замечания и конкретные пожелания.
Полученные результаты имеют прикладное значение, программа моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой используется для исследования сократительной активности миокарда в результате инотропного воздействия фармакологических агентов.
Результаты исследования докладывались на:
- XIV Международной школы-конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инноватика-2018», г. Томск, 26-28 апреля 2018 года;
- VI Международной молодежной научной конференции «Математическое и программное обеспечение информационных, технических и экономических систем», г. Томск, 24-26 мая 2018 года.
Результаты исследования опубликованы в изданиях:
- Сборник материалов XIV Международной школы-конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инноватика-2018» (готовится к печати);
- Материалы VI Международной молодежной научной конференции «Математическое и программное обеспечение информационных, технических и экономических систем» (готовится к печати).
Полученные результаты имеют прикладное значение, программа моделирования двухкомпонентного разложения кардиологической кривой может использоваться для исследования сократительной активности миокарда в результате инотропного воздействия и скрининга новых кардиотропных лекарственных препаратов.