СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕМОДИНАМИКИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТИРОВАННАЯ НА ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДАЧАХ ИНТЕНСИВНОЙ ТЕРАПИИ

СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕМОДИНАМИКИ
СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТИРОВАННАЯ НА
ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДАЧАХ ИНТЕНСИВНОЙ ТЕРАПИИ
С.В. Фролов, С.В. Синдеев
ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический
университет»
E-mail: ssindeev@yandex.ru
Введение. Выбор способа лечения и прогнозирование последствий
применения методов терапии являются важнейшими задачами решаемыми
врачом во время проведения интенсивной терапии [1]. Для помощи врачу в
решении этих задач разрабатываются соответствующие программные
средства, которые интегрируются в систему поддержки принятия решений
врача [2, 3]. Одной из важнейших составляющих такой системы является
система моделирования гемодинамики сердечно-сосудистой системы [4].
Описание математической модели. Основу разработанной системы
составляет математическая модель сердечно-сосудистой системы в
сосредоточенных координатах. Структурная схема модели представлена на
рисунке 1. В математической модели сердечно-сосудистая система
представлена 14 эластичными камерами, включающими в себя большой и
малый круги кровообращения, левое и правое сердце и четыре сердечных
клапана.
Рисунок 1. Схема модели
сердечно-сосудистой системы. LV –
левый желудочек; AV – аортальный
клапан; A - аорта; UBA – артерии
верхней части тела; UBC – капилляры
верхней части тела; UBV – вены
верхней части тела; LBA – артерии
нижней части тела; LBC – капилляры
нижней части тела; LBV – вены нижней
части тела; RA – правый желудочек;
TV – трехстворчатый клапан; RV –
правый желудочек; PV – клапан
легочного ствола; PA – легочные
артерии; PC – легочные капилляры; PV
– легочные вены; LA – левое
предсердие; MV – митральный клапан
Минимальной структурной единицей модели является эластичная
камера, описываемая как объект с сосредоточенными координатами.
Каждая камера характеризуется: объемом крови V (см3 ) и давлением P( мм. рт.ст.)
крови в камере и объемным кровотоком q(см3 / с) ( входным и выходным).
Левое и правое сердце состоят из двух элементов – активного и
пассивного. Роль пассивного элемента выполняет камера предсердия,
которая не участвует в сократительной деятельности сердца. Камера
желудочка описывает работу сердца в период сжатия и расслабления.
Входные и выходные клапаны в модели описываются с учетом
явления регургитации (протекании небольшого объема крови через клапан
в обратном направлении при отрицательной разности давлений).
Вышеописанная модель является 0D моделью сердечно-сосудистой
системы. Данный класс моделей получил наибольшее распространение в
кардиохирургической практике из-за простоты получения исходных
данных [5].
Система моделирования гемодинамики. Используя приведенную
математическую модель, на языке Java разработана система
моделирования гемодинамики сердечно-сосудистой системы. Система
позволяет определять динамику всех основных параметров сердечнососудистой системы (объем, давление и кровоток). Главное окно
программы представлено на рисунке 2.
Рисунок 2. Главное окно системы
моделирования
гемодинамики
сердечно-сосудистой системы
Перед началом работы системы необходимо осуществить процедуру
индивидуализации математической модели – настроить параметры модели
под конкретного пациента (объем сердца, гидравлическое сопротивление
сосудов и т.д.). Введенные параметры можно сохранить в файл для
последующего использования в системе.
После того как исходные данные введены, может быть запущен
процесс расчета модели гемодинамики. Программа отображает графики
объемов, давлений и кровотоков для выбранных пользователем камер.
Пользователь может приостанавливать работу системы, а также
регулировать скорость расчета модели. Окно системы в процессе расчета
модели представлено на рисунке 3.
Рисунок 3. Графики изменения
гемодинамических
параметров
выбранных камер
Заключение. Разработанная система моделирования гемодинамики
представляет весьма обширный интерес как для практических приложений
(использование в диагностических программно-аппаратных комплексах),
так и для теоретических исследований.
Система может в дальнейшем использоваться для:
 планирования
хирургических
операций
(структурные
и
функциональные изменения сосудистой сети: шунты, искусственные
сосуды, временное пережатие сосудов) и прогнозирования их
последствий (потери крови, изменения в гемодинамике);
 планирования лечения фармакологическими препаратами;
 создания новых методик лечения и диагностики (артериальные
инъекции при онкологических заболеваниях, резонансные
воздействия на сердце при фибрилляции желудочков, диагностика
сердечных заболеваний по ретинальному кровообращению и др.).
В дальнейшем планируется включить в систему возможность
моделирования регуляторных процессов сердечно-сосудистой системы по
поддержанию требуемого уровня артериального давления (барорефлекс).
Библиографический список
1. Maggi Boult, Kate Fitzpatrick, Mary Barnes, Guy Maddern, Robert Fitridge. Developing
tools to predict outcomes following cardiovascular surgery // ANZ Journal of Surgery. 81.
2011. 768-773.
2. V.Diaz-Zuccarini, A.J. Narracott, G. Burrieschi, C. Zervides, D. Rafiroiu, D. Jones, D.R.
Hose, P.V. Lawford. Adaptation and development of software simulation methodologies
for cardiovascular engineering: present and future challenges from an end-user
perspective // Phylosophical transactions of the Royal Society A. vol. 367 no. 1898. 2009.
2655-2666.
3. S. Kashif Sadiq, Mardo D. Mazzeo, Stefan J. Zasada, Steven Manos, Ileana Stoica,
Catherine V. Gale, Simon J. Watson, Paul Kellam, Stefan Brew, Peter V. Coveney.
Patient-specific simulation as a basis for clinical decision-making // Phylosophical
transactions of the Royal Society A. 366, 2008. 3199 – 3219.
4. Thomas Heldt, Ramakrishna Mukkamala, George B. Moody, Roger G. Mark. CVSim: An
open-source cardiovascular simulator for teaching and research // The Open Pacing,
Electrophysiology & Therapy Journal. 3. 2010. 45-54.
5. L. Formaggia, A. Quarteroni, A.Veneziani. Cardiovascular Mathematics. Modeling and
simulation of the circulatory system – Springer-Verlag: Series MS&A, Vol. 1, 2009. 522
p.
Сведения об авторах
Фролов Сергей Владимирович – д.т.н., профессор, дата рождения:
28.12.1959г
Синдеев Сергей Вячеславович – аспирант 1 г.о. дата рождения: 07.12.1989
г
Вид доклада: устный (/ стендовый)