Компьютерное моделирование нормальных и патологических процессов в медицинской практике

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

ПЕТРОВ И.Б.

157

КОМПЬЮТЕРНОЕ УДК 5

МОДЕЛИРОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

Петров И. Б.

Московский физико-технический институт, 141700 г. Долгопрудный Московской области

Численное моделирование биомеханических процессов в медицинской практике проводится на основе моделей механики сплошных сред и численных методов решения соответствующих систем дифференциальных уравнений в частных производных.

Математическое моделирование как нормальных физиологических, так и патологических процессов является в настоящее время одним из самых актуальных направлений в научных исследованиях. Дело в том, что современная медицина представляет собой, в основном, экспериментальную науку с огромным эмпирическим опытом воздействия на ход тех или иных болезней различными средствами. Что же касается подробного изучения процессов в биосредах, то их экспериментальное исследование является ограниченным, и наиболее эффективным аппаратом их исследования представляется математическое моделирование. Разработка этого аппарата предполагает:

- построение замкнутой механико-математической модели процесса, описывающей поведение биологической среды на основе системы уравнений в частных производных механики сплошных сред (МСС);

- разработка замыкающих систему МСС реологических соотношений, описывающих поведение той или иной среды (для гидродинамики это уравнения состояния, для механики деформируемого твердого тела (МДТТ) - соотношения между компонентами тензоров напряжений и деформаций);

- корректную математическую постановку задачи, т.е. представление замкнутой системы МСС, постановка необходимых для ее решения начальных и граничных условий, условий на кон-

тактных границах (если они есть);

- разработку или реализацию вычислительных методов, адаптированных к специфике решения конкретной задачи;

- разработка алгоритма численного решения задачи и его программная реализация;

- численное решение задачи и визуализация полученных результатов.

Разумеется, при исследовании биомедицинских проблем встречаются процессы, для математического описания которых используются аппараты обыкновенных дифференцированных уравнений (ОДУ), систем алгебраических нелинейных уравнений, разностные отображения, теории бифуркций, хаоса и порядка. Примеры успешного использования таких математических аппаратов представлены в [1] для прогнозирования развития болезни, в [2-5] - для решения задач нелинейной динамики в биологии, химической кинетике и др.

Кроме того, при изучении некоторых медицинских процессов необходимо численно решать жесткие системы ОДУ, например, при моделировании протекания химических реакций, что представляет собой самостоятельную проблему, которой посвящена обширная литература [6-8].

Развитие численных методов решения задач МСС началось с проблем газодинамики (обтекание тел, спускаемых в плотных слоях атмосферы, точечного взрыва). Затем при помощи этих методов решались задачи физики плазмы, МДТТ и мн. др. Известно, что некоторые математические методы развивались под влиянием биомедицинских проблем, например, методы математической статистики, уравнение Вольтерра, нелинейные разностные отображения, теория хаоса и порядка, конечные автоматы, нейросети, методы решения жестких ОДУ

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | 2009 | ТОМ 1 | НОМЕР ИД

158

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

Постановки биологических и медицинских задач, которые приводят к необходимости численного решения систем уравнений в частных производных (МСС, уравнения параболического и эллиптического типа) появились относительно недавно. Они представлены в работах [9-11]. Для численного решения таких задачи использовались методы, ранее применявшиеся для решения задач газогидродинамики [12-16]. Реологические соотношения для биологических сплошных сред разрабатывались в работах [17-19].

Круг рассматриваемых задач из этой области достаточно широк.

Так, в работах [10-11] рассматривались биохимическая и электрокардиографическая модели инфаркта миокарда, анализ которых выявил механизм его формирования и некоторые закономерности его течения. Сопоставление результатов расчетов с клиникой острого инфаркта миокарда выявило, что они позволяют отличить инфаркт миокарда легкого клинического течения от инфаркта тяжелого клинического течения. Тяжесть острого инфаркта, как показали вычислительные эксперименты, определяется скоростью некротизации.

Механическая (в рамках МСС) модель сердца рассматривалась в работах [20-22]. Подобное рассмотрение представляет большой интерес для клинической практики, т.к. изучение работы сердечной мышцы в условиях частичного изменения ее механических характеристик позволит понять, как изменится функционирование всего сердца и кровеносной системы в условиях частичного некроза. Однако разработка полной физикоматематической трехмерной модели, учитывающей электрохимические эффекты, их связь с напряжениями в сердечной мышце и численное решение соответствующей динамической пространственной задачи в рамках МСС, по-видимому, является перспективной проблемой.

Исследование распространения импульсов Пуркинье (структуры кабельного типа, проводящие импульсы от предсердий до желудочков в сердце) проводится в работах [23, 24]. Основываясь на численном эксперименте с использованием математической модели МакАллистера-Нобла-Тасена, описывающей динамику распространения импульсов в волокнах Пуркинье, авторы этих работ обнаружили различные режимы распространения этих импульсов. В частности оказалось, что при различных режимах возбуждения возможно появление таких явлений, как отражения, автоколебания, аннигиляция, солитоноподобные режимы. Интересно, что подобные явления имеют место в нервных волокнах, возбуждение импульсов в которых описывается в рамках известной математической модели Ходжкина-Хаксли [25, 26].

Описание простейших математических моделей работы систем кровообращения и сердца мож-

но найти, например, в [27, 28]. Функции кровеносной системы человека, которая состоит из малого и большого кругов кровообращения, очень важны и разнообразны, поэтому их моделирование, как в нормальных, так и в патологических условиях, представляет одну из важнейших задач медицины.

По-видимому, на сегодняшней день наиболее адекватными представляются динамические модели пульсирующих течений несжимаемой жидкости в системе растяжимых трубок. В работах [29-31] использовалась квазиодномерная гидравлическая модель несжимаемой жидкости в деформируемом кровеносном сосуде переменного сечения, обобщенная на случай иерархической ветвящейся системы кровеносных сосудов факториальной структуры. Подобная же иерархическая (или сетевая) квазиодномерная модель использовалась и для математического описания работы дыхательной системы на участке трахея - бронхи [31, 33].

Иной подход моделирования функционирования кровеносной системы, базирующейся на квазитрехмерной системе кровообращения, предложен в [32]. В этом случае моделированию подлежит изменение всех параметров, которые могут быть на выходе, например, концентрации активных веществ и давление в крови на разных участках кровеносной системы, а также скорости кровостока.

В [30] рассматривался нестационарный квазипериодический режим кровообращения головного мозга. С учетом взаимодействия с большим кругом кровообращения, в этой работе рассчитана динамика изменения параметров крови в различных отделах головного мозга, подтверждена гипотеза о связи изменений объема крови в процессе сердечного цикла с движением спинномозговой жидкости, возрастания амплитуды пульсовой волны, распространяющейся в сосудах Виллизиева круга в основании головного мозга и масштабных артерий в грудной и брюшной полости.

По инициативе нейрохирургов Главного военного клинического госпиталя им. Бурденко и Института скорой помощи им. Склифосовского была поставлена задача о расчете последствий черепномозговых травм. Надо сказать, что в рамках модели сплошной среды реальным представляется постановка задач о расчете травм костей, грудной клетки, суставов, появлении гематом в мягких тканях тела, что также рассматривалось в работе. Экспериментальным данным, описывающим последствия черепно-мозговых травм, посвящены хорошо известные в нейрохирургии работы [34, 35]. Изучение областей повреждения мозга, при различных динамических воздействиях на него, путем математического моделирования в рамках МСС, может дать важную информацию о последствиях травм. В газете «Известия» от 13.08.2003 г. опубликована статья «Бомба для мозгов», в кото-

ШЯ НОМЕР | ТОМ 1 | 2009 | РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

ПЕТРОВ И.Б.

159

рой утверждается, что в настоящее время составлена трехмерная компьютерная карта мозга человека, над которой в течение нескольких лет в шести странах мира работали 20 тыс. нейрохирургов и невропатологов. Данные для этой карты получены в результате сканирования мозга 7 тыс. человек. Идея такой деятельности крайне важна, поскольку теперь с высокой степенью точности известно, какие области мозга управляют теми или иными его функциями. Понятно, что определив области повреждения мозга при различных динамических нагрузках на него (или при черепно-мозговых травмах), мы сможем определить те области функции организма, которые могут оказаться поврежденными или измененными. В нейрохирургической практике хорошо известен следующий факт: области поражения мозга при черепно-мозговой травмах не всегда совпадают с областями, прилежащими к месту удара. Примером этому является феномен «противоудара»: при ударе затылком область повреждения мозга локализуется в лобной части головного мозга. Объяснение этому явлению можно дать только путем проведения численного исследования сложнейших волновых процессов, образующихся в неоднородной механической конструкции, которую представляет собой система череп-мозг (разумеется, речь идет только о механической системе, о принципах функционирования мозга, как об управляющей системе, речь не идет). Кроме того, механико-математические модели реакции рассматриваемой механической системы на динамические нагрузки можно использовать как инструмент для изучения различных параметров травмы (место приложения удара, сила удара, геометрия головы, атрофия мозга и др.) на вероятную степень риска. Эти задачи ставились в работах [36, 37]. В [38] численно изучали процесс распространения ударного импульса через 5-слойную биоконструкцию черепа человека, которая, как показали расчеты, оказалась идеальной противоударной защитой для мозгового вещества при естественных динамических воздействиях (разумеется, при действии боевых поражающих средств необходимо использовать дополнительные средства защиты головного мозга).

В работе [39] приводятся примеры расчетов многослойных защитных конструкций, которые могут использоваться для защиты как техники, в которой находится человек, так и тела (бронежилеты, каски, др.). Разработанные авторами вычислительные методы и алгоритмы позволяют изучать также динамические процессы, происходящие в теле человека, при воздействии динамических нагрузок. Такая задача оказывается весьма актуальной, поскольку появляется возможность априорного предсказания областей и степеней поражения тела при каких-либо опасных нагрузках. Области приложения подобных задач оче-

видны (кроме медицинской): спортивные травмы, травмы при производстве опасных видов работ в экстремальных условиях (например, горные или взрывные работы), боевых и полицейских операциях, автомобильных, авиационных, иных техногенных катастрофах.

К проблеме математического моделирования травматологических процессов относится и задача о залечивании ран. Численному изучению этого процесса посвящены работы [40, 41], в которых получено количественное описание динамики залечивания резаной раны кожного покрова человека.

Важнейшей областью в травматологии является проблема математического моделирования движения ног человека при ходьбе, с целью построения ортопедических протезов, имитирующих их движение. Авторы работы [42] не только строят такие модели, но и реализуют их. Для этих целей они использовали аппарат ОДУ Однако для моделирования распределения динамических нагрузок и деформаций при перемещении полной стопы, уже требуется использование аппарата дифференциальных уравнений в частных производных, в частности системы уравнений МДТТ. Создание подобных моделей для нужд травматологии и ортопедии представляется новой и актуальной задачей вычислительной медицины.

Перспективным направлением вычислительной медицины представляется компьютерная реализация виртуальных хирургических операций и предсказания их последствий. Разумеется, это очень сложное направление, которое только начинает появляться, а постановка некоторых задач до конца не ясна (например, моделирование работы хирурга с помощью скальпеля). Однако реализация некоторых виртуальных операций представляется реальной задачей. Так, в работе [43] представлено численное моделирование операций ли-тотрипсии (дробление почечных камней акустическим волнами, инициируемыми искровым разрядом или лазерным импульсом). Цель таких исследований - найти режимы работы литотрипто-ра (длительность и интенсивность импульса, количество импульсов), при которых фрагменты разрушенного камня были бы достаточно малыми для их выведения из организма естественным путем. Для этого численно исследовалась картина распространения акустического импульса в теле и в камне, а также решалась задача его разрушения.

Другой пример - моделирование офтальмологической операции экстракции (удаления) катаракты. Суть операции в том, чтобы с помощью лазера или ультразвукового факоэмульсификато-ра разрушить помутневший хрусталик (точнее его плотное ядро) так, чтобы не повредить сетчатку и роговицу глаза и вывести мутные хрусталиковые массы. Эта задача условно подразделяется на три

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | 2009 | ТОМ 1 | НОМЕР ИД

/L КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

U \J НОРМАЛЬНЫХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

части: первая - расчет импульсного воздействия на хрусталик, вторая - распространение акустического импульса в стекловидном теле до сетчатки и расчет динамического воздействия на нее (поскольку в результате взаимодействия импульса с сетчаткой последняя может расслаиваться), третья - вымывание мутных хрусталиковых масс из передней камеры глаза. Численное решение последней задачи, которое сводится к решению уравнения Пуассона, в двухмерном случае рассматривалось в работе [44], причем с использованием как прямоугольных, так и треугольных расчетных сеток. Расчеты сводились с целью определения застойных зон в передней камере глаза при вымывании мутных масс и оптимизации рабочих режимов хирургических инструментов. Проблема распространения импульса через хрусталик и стекловидное тело к сетчатке представляет сложную динамическую задачу, поскольку глаз представляет собой неоднородную механическую систему с рядом поверхностей раздела сред. Численное ее решение представлено в работе [45]. Моделирование этого процесса сводится к решению динамической системы уравнений гиперболического типа (уравнений МДТТ). Эти работы выполнялись в тесном контакте с сотрудниками Центра микрохирургии глаза им. академика С.Н. Федорова, который является соавтором этих работ.

Важным приложением вычислительной медицины представляются проблемы предсказания динамики развития онкологических заболеваний, т.е. развития опухолей, в том числе с учетом кровообращения. Для их численного решения используются уравнения гидродинамики, жесткие системы ОДУ, уравнения типа реакция-диффузия. Численное моделирование этих процессов проводится в работах [46, 71].

Отметим, что с помощью нелинейных уравнений параболического типа (реакция-диффузия) проводится также и численное моделирование процессов структурообразования в активных биосредах, колониях бактерий, микроорганизмов (например, Esherichia coli, Distyostelium discoicleum). Этим задачам посвящены работы [47-50], в которых численно решаются двух и трехмерные динамические задачи об образовании таких структур. Задачи структурообразования при свертывании крови и тромбообразовании рассматривались в работах [50, 51].

Численно-математический аппарат для решения рассматриваемого класса биомедицинских задач является аппаратом решения уравнений в частных производных эллиптического, параболического и гиперболического типов, в основном, нелинейных. Кроме того, использовались системы уравнений МСС, в частности, гидродинамики несжимаемой идеальной или вязкой жидкости и МДТТ; чаще всего это линейно и нелинейно-

упругие, а также вязкоупругие среды (модель Максвелла).

Для решения задач гидродинамики используются уравнения Эйлера или Навье-Стокса, для задач МДТТ - система уравнений Ламэ (в напряжениях или деформациях).

Эти системы можно найти, например, в монографиях [52-54].

В данной статье не делается подробный анализ методов численного решения рассматриваемых уравнений в частных производных, поскольку такой обзор является темой отдельной работы. Речь пойдет о методах, которые оказались или могут оказаться наиболее употребимы для численного моделирования в медицине.

Численные методы решения эллиптических уравнений (уравнения Лапласа или Пуассона) подробно рассматриваются в известных монографиях [56-59]. Среди методов, представленных в литературе для решения этого класса задач, отметим наиболее широко используемые: в вычислительной практике - верхней релаксации, трехслойный метод Чебышева, метод Дугласа-Ренфор-да, попеременно-треугольный метод, многосеточный метод Р.П. Федоренко. В работе [60] предлагаются монотонные разностные схемы для численного решения этого типа уравнений на нерегулярных сетках. С использованием этого подхода рассматривалась задач о гидродинамическом течении в передней стенке глаза при экстракции катаракты.

Широкий класс процессов в биологии и медицине моделируется при помощи нелинейных уравнений параболического типа (реакция-диффузия). Исследованию свойств решений уравнений этого типа посвящены работы [4, 61, 62 и др.]. Для численного решения таких уравнений обычно используются двух и трехслойные разностные схемы типа Кранка-Никольсона, Нумерова, Толстых с последующим проведением итераций по нелинейности. Эти вычислительные методы описали в [12, 58, 59].

По-видимому, наибольшие трудности при численном решении рассматриваемых задач вызывают системы уравнений в частных производных гиперболического типа (МСС). Разработке вычислительных методов решения систем этого типа посвящены работы [63-67, 69, 70]. Наиболее эффективными для численного решения этого класса задач являются сеточно-характеристические методы [65-67,69,70]. Эти методы оказываются не только наиболее точными, но и позволяют наиболее корректно строить вычислительные алгоритмы на границах области интегрирования и границах раздела сред. Одним из наиболее важных показателей качества численного решения является его близость к точному вблизи областей с большими градиентами решений. Это вызвано немонотонным, в одномерном случае, поведением численных

ШЯ НОМЕР | ТОМ 1 | 2009 | РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

ПЕТРОВ И.Б.

161

решений, получаемых с помощью т.н. немонотонных схем (в линейном случае это, в соответствии с теоремой С.К. Годунова, схемы порядка точности выше первого) и «размыванием» разрывов схемами первого порядка точности. По этой причине многие работы, посвященные этой теме, направлены на регуляризацию решений уравнений гиперболического типа [59, 60, 66, 70]. В работе [70] приводятся определения и критерии монотонности разностных схем для этого типа уравнений в частных производны. В приложении к задачам медицины эти методы использовались при изучении процессов литотрипсии, офтальмологических операциях, черепно-мозговых травм, деформации сердечной мышцы [22, 37, 43, 44, 45].

Численное изучение биомедицинских процессов, о которых шла речь, показали эффективность использования численного моделирования для решения задач этой области науки.

Приведем результаты численного решения некоторых биомедицинских задач на основе системы уравнений МСС и методов, учитывающих характеристические свойства систем уравнений гиперболического типа.

На рис. 1 a, б представлена схема черепномозговой системы, которая бралась для моделирования последствий черепно-мозговых травм. Расчетные сетки, как четырехугольные, так и треугольные показаны на рис. 2 (соответственно, a, б, в).

Использовалась модель, включающая желудочки, мембраны, серое вещество и 5-слойную черепную коробку. В этой задаче рассматривались различные типы условий на контактной поверхности череп - серое вещество: свободное скольжение и слипание. Первое условие более соответствует реальному биомеханическому процессу.

Области максимальных сжимающих и растягивающих напряжений представлены на рис. 3 a,

б. Области поражения мозга образуются, в основном, в областях максимальных растягивающих и сдвиговых нагрузок, образующихся при черепномозговых травмах

Сравнение расчетной и полученной при томографических исследованиях областей поражения головного мозга видно на рис. 4 a, б (томография проведена в Главном военном клиническом госпитале имени Бурденко).

На рис. 5 показана схема глаза человека, которая использовалась при моделировании динамических процессов, происходящих в глазу при проведении офтальмологических операций по экстракции катаракты при помощи лазера или факоэ-мульсификатора.

Расчетные сетки, поля скоростей и области возможных поражений глаза при лазерном разрушении хрусталика приведены на рис. 6 (расчеты проводились сеточно-характеристическим методом).

Расчет давления в хрусталике глаза при лазерном воздействии и расчетная сетка при использовании метода конечных элементов приведен на рис. 7.

Результаты операции по разрушению почечного камня (процесс литотрипсии) показаны на рис. 8 а, б. Характер разрушения камня показан на рис.

8 б.

Точками отмечены сдвиговые разрушения, крестиками - откольные. Изоповерхности давления в теле человека после прохождения через почечный камень ударного импульса видны на рис. 8 a.

Схематичное изображение сердца человека (в разрезе) представлено на рис. 9.

Расчетная сетка, используемая при моделировании процесса начала сжатия сердца (систолы) и начального выталкивания крови, а также поля скоростей в сердце, дана на рис. 10.

Столкновение двух импульсов в волокнах Пур-кинье в автоколебательном режиме в четыре момента времени показаны на рис. 11 a, б, в, г (в расчетах были получены также режимы аннигиляции и солитоноподобные режимы).

Динамика залечивания кожной раны (пореза) представлена на рис. 12 а, б, в, г (трехмерные картины распределения плотности коллагена в четыре момента времени).

Структура, сформированная пассивными клетками E-coli в бактериальной колонии, отражающая механизмы межклеточной регуляции показана на рис. 13. Для ее получения численно решалась система нелинейных двумерных уравнений в частных производных параболического типа.

Спиралевидное двух- и трехмерное распространение волн возбуждений в нелинейной активной среде, в частности, в колонии одноклеточных организмов Dictyostelium discoideum, представлено на рис. 14 и 15. Особенность этих микроорганизмов состоит в том, что благодаря своей подвижности и хемотаксису, в определенных внешних условиях (при недостатке субстрата) амебы объединяются в псевдоорганизм, который благодаря согласованному движению составляющих его клеток ведет себя, как одно целое. В активной среде, сформированной этими клетками, образуется спиральная волна ЦАМФ (циклический аденозинмонофосфат) с центром в точке агрегации.

Для численного решения также использовалась система уравнений параболического типа как в двух, так и в трехмерном случаях. Начальные распределения концентрации ЦАМФ и ее дальнейшее «закручивание» в спираль, в двухмерном случае показано на рис. 14. Формирование трехмерное волны в активной среде с распределенным вдоль оси коэффициентом возбудимости, показано на рис. 15. Видно, что вихреобразная волна в передней части закручивается быстрей, чем в задней, что приводит к ее неравномерной закрутке.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | 2009 | ТОМ 1 | НОМЕР ИД

/СО КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ U А. НОРМАЛЬНЫХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

Рис. 1. Схема черепно-мозговой системы.

Рис. 2. Расчётные сетки моделирования: а) четырехугольные, б-в) треугольные.

Рис. 3. Области напряжений: а) сжимающих, б)растягивающих.

Рис. 4. Области поражения мозга: а) томограмма, б) расчёт.

И2 НОМЕР | ТОМ 1 | 2009 | РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

ПЕТРОВ И.Б.

163

Рис. 5. Схема глаза.

Рис. 6. Расчётные сетки, поле скоростей, области поражений при экстракции катаракты.

Рис. 7. Расчётная сетка давлений в хрусталике глаза.

Рис. 8. Литотрипсия почечного камня: а) изоповерхности давления в теле после удара, б) разрушение камня (точки - сдвиги, крестики - отколы).

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | 2009 | ТОМ 1 | НОМЕР ИЯ

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

164

Отметим, что данная статья имеет обзорный характер, подробные постановки задач, численные методы, определяющие уравнения, и обсуждения результатов расчетов приводятся в указанной литературе.

Автор выносит благодарность за внимание к циклу работ, о котором шла речь в статье действительному члену РАН О.М. Белоцерковскому, члену-корреспонденту РАН А.С. Холодову, профессору Г.Г. Малинецкому, профессору А.А. Полежаеву, профессору А.И. Лобанову, профессору Г.Ю. Резниченко.

Рис. 9. Схема сердца человека.

Рис. 10. Расчётная сетка моделирования систолы (слева), поле скоростей (справа).

ПВ НОМЕР | ТОМ 1 | 2009 | РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

ПЕТРОВ И.Б.

165

Рис. 11. Четыре момента столкновения двух импульсов в волокнах Пуркинье.

Рис. 12. Распределение плотности коллагена в четыре момента времени залечивания кожного пореза.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | 2009 | ТОМ 1 | НОМЕР ИЯ

166

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

Рис. 13. Межклеточная регуляция в бактериальной колонии.

1-8 (»г*

Рис. 14. Спиральная волна возбуждений в колонии одноклеточных.

Рис. 15. Трёхмерная вихреобр

азная волна возбуждений в колонии амёб.

ДВЯ НОМЕР I ТОМ 1 | 2009 I РАДИОЭЛЕКТРОНИКА I НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

ПЕТРОВ И.Б.

167

ЛИТЕРАТУРА

1. Марчук Г.И. Математические модели в иммунологии. М.: Наука, 1985, 240 с.

2. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М.: Наука, 1990, 270 с.

3. Резниченко Г.Ю. Лекции по математическим моделям в биологии. Ч. 1. Москва-Ижевск: Научно-издат. центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2002, 231 с.

4. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинец-кий Г.Г., Самарский А.А. Нестационарные структуры и диффузионный хаос. М.: Наука, 1992, 541 с.

5 Малинецкий Г.Г., Курдюмов С.П. (отв. ред.). Новое в синергетике. Взгляд в третье тысячелетие. -М.: Наука, 2002, 480 с.

6. РАкитский Ю.В., Устинов С.М., Черноруц-

кий И.Г. Численные методы решения жестких систем. М.: Наука. 1979, 208 с.

7. Федоренко Р.П. Жесткие системы обыкновенных дифференциальных уравнений. В кн. Вычислительные процессы и системы. Вып. 8, под ред. Г.И. Марчука. М.: Наука, 1991, 381 с.

8. ХайерЭ., Винер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-гиперболические задачи. М.: Мир, 1999, 685 с.

9. Макаров И.М. (отв. ред.) Информатика и медицина. М.: Наука, 1997, 208 с.

10. Белоцерковский О.М., Холодов А.С. (отв. ред.). Компьютерные модели и прогресс медицины. М.: Наука, 2001, 300 с.

11. Белоцерковский О.М. (отв. ред.). Компьютер и мозг. Новые технологии. М.: Наука, 2005, 322 с.

12. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977, 654 с.

13. Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилинейных уравнений. М.: Наука, 1978, 687 с.

14. Годунов С.К., Рябенький В.С. Разностные схемы. М.: Наука, 1973, 400 с.

15. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Физматлит, 1994, 442 с.

16. Магомедов К.М., Холодов А.С. Сеточнохарактеристические методы. М.: Наука, 1988, 288 с.

17. Регирер С.А. Лекции по биологической механике. М.: МГУ, 1980.

18. КондАуров В.И., Никитин А.В. Конечные деформации вязкоупругих мышечных тканей // Прикладная математика и механика, 1987. т. 51, вып. 3. с. 443-452.

19. КондАуров В.И., Никитин Л.В. Модель биологически активного вязкоупругого тела. Тематический сборник «Методы расчета изделий из высокоэластичных материалов». Рига, 1986. с. 107-108.

20. Gosfa K.D., Hunter PJ., Pogers J.M., Gus-sione G.M., L.K. and A.D. Waldmen. A three-

dimensional limite elements method for large elastic deformations of ventricular myocardium. Part I. ASME // J.Biomech, Eng. 1996. v. 118 (4). Р. 452463

21. Panda S.C. and Natarajon R. Finite-element method of stress analysis in the human left ventricular layered wull structure // Med.Biol.Eng.Comp., 1977. v. 15. Р. 67-71.

22. Петров И.Б. О численном моделировании биомеханических процессов в медицинской практике // Информационные технологии и вычислительные системы, 2003, №1-2. с. 102-111.

23. АслАниди О.В., Морнев О.А. Эхо в возбудимых волокнах сердца // Математическое моделирование, 1999. т. 11. №9. с. 3-22.

24. Пашко Р.А., Петров И.Б. Моделирование распространения импульсов в волокнах Пуркинье. В пер. сб. Обработка информации и моделирование. М.: МФТИ, 2002. с. 171-181.

25. АслАниди О.В., Морнев О.А. Могут ли нервные импульсы отражаться? // Письма в ЖЭТФ, 1997. т. 65. с. 553-558.

26. АслАниди О.В., Морнев О.А. Новое в пространственно-неоднородных возбудимых средах с рефракторностью: отражение сталкивающихся импульсов возбуждения // Биологические мембраны, 1997. т. 14. с. 621-625.

27. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.:Высшая школа, 1987, 638 с.

28. Бегун П.И., Афонин П.Н. Моделирование в биомеханике. М.:Высшая школа, 2004, 389 с.

29. Абакумов М.В., Ашметов И.В., Ешкова Н.Б., Кошелев В.Б., Мухин С.И., Соснин Н.В., Тишкин В.Ф., Фаворский А.П., Хруменко А.Б. Методики математического моделирования сердечно-сосудистой системы // Математическое моделирование, 2000. т. 12, №2. с. 106-117.

30. Ашметов И.В., Буничева А.Я., Мухин С.И., Соколова Т.В., Соснин Н.В., Фаворский А.П. Математическое моделирование гемодинамики в мозге и в большом круге кровообращения. В кн. Компьютер и мозг. Новые технологии. М.: Наука, 2005, 321 с.

31. Холодов А.С. Некоторые динамические модели внешнего дыхания и кровообращения с учетом их связности и переноса вещества. В кн. Компьютерные модели и прогресс медицины. М.: Наука, 2001, с. 127-165.

32. Евдокимов А.В., Холодов А.С. Квазистационарная пространственно-распределенная модель замкнутого кровообращения организма человека. В кн. Компьютерные модели и прогресс медицины. -М.: Наука, 2001. с. 164-193.

33. Peadley T.J., Schroter R.C., Sudllow M.F. Energy loses and pressure drop in models of human airways // Respir. Physiol., 1970, № 9. Р. 371-386.

34. Лебедев А.П., Крылов В.В. Замечания к патогенезу ушибов мозга, возникающих по противоудар-

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | 2009 | ТОМ 1 | НОМЕР ИД

168

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НОРМАЛЬНЫХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

ному механизму,в остром периоде их развития // Нейрохирургия, 1998. с. 22.

35. Adams J.H., Graham D.I., Genmarelli. T.A. Head injury in man and experimental animals: neuropathology // Acta Neuro Chir. v. 32. Р. 15-30.

36. Агапов П.И., Белоцерковский О.М., Петров И.Б. Численное моделирование последствий механического воздействия на мозг человека при черепно-мозговой травме // Журнал вычислительной математики и математической физики. т. 49, №9. с. 1711-1720.

37. Агапов П.И., Петров И.Б. Расчет повреждений мозга при черепно-мозговой травме. В кн. Компьютер и мозг, Новые технологии (отв. ред. О.М. Белоцерковский). М.: Наука, 2006. с. 28-38.

38. Агапов П.И., Васюков А.В., Петров И.Б. Компьютерное моделирование волновых процессов в покровах мозга при черепно-мозговой травме. В пер. сб. Процессы и методы обработки информации. М.: МФТИ, 2006. с. 154-163.

39. Петров И.Б., Челноков Ф.И. Численное исследование волновых процессов и процессов разрушения в многослойных преградах // Журнал вычислительной математики и математической физики, 2003. т. 43, №10. с. 1562-1579.

40. Olsen L., Sherratt J.A., J.A. and P.K. Maini.

A Mechanical Model for Adult Dermal Wound contraction and Permanence of the Contracted Tissue Displacement Profile // J. Theor. Biol., 1995. v. 177.

Р. 113-128.

41. Пашков Р.А. Численное моделирование контракции кожной раны. В сб. Процессы и методы обработки информации. М.: МФТИ, 2005. с. 194-200.

42. Фарбер Б.С., Витензон А.С., Морейнис И.Ш. Теоретические основы построения протезов нижних конечностей и коррекция движения. М.: ЦНИИПП, 1995. Ч. 2, 574 с.

43. Жуков Д.С., Петров И.Б., Тормасов А.Г. Численное и экспериментальное изучение разрушения твердых тел в жидкости // Известия АН СССР, сер. Механика твердого тела, 1991. с. 183-190.

44. Федоров С.Н., Егорова Э.В., Холодов А.С., Бубнов А.В. О численном моделировании процессов ирригации и аспирации при экстракапсулярной экстракции катаракты. В кн. Вопросы кибернетики (под ред. О.М. Белоцерковского). М.: ВИНИТИ, 1982. с. 99-114.

45. Балановский Н.Н., Бубнов А.В., Обухов А.С., Петров И.Б. Расчет динамических процессов в глазу при лазерной экстракции катаракты // Математическое моделирование, 2003. т. 15, №11. с. 37-44.

46. Kolobov A.V., Polezhaev A.A., Solyanyk G.I. Stability of shape in pre-angiogenic stage of growth depends on the migration capacity of cancer ulls.

In: Mathematical Modeling Computing in Biology and Medicine (Ed.: V.Capasso). Bologna: Progetto Leornrdo, 2003. Р. 603-609.

47. Budriene E.O., Polezhaev A.A., Ptitsyn M.O.

Mathematical modeling of intercullar regulation causing the bacterial colonies // J. Theor Biol. 1998. v. 135, Р. 323-341.

48. Петров И.Б., Полежаев А.А., Шестаков А.С.

Численное моделирование волновых процессов в нелинейных активных средах // Математическое моделирование, 2000. т. 12. №1. с. 38-44.

49. Polezhaev A.A., Paskov R.A., Lobanov A.I., I.B. Petrov. Spatial patterns formed by chemotactic bacteria Escherichia coli // Internetional Journal of Development Biology, 2006. v. 50, Р. 309-314.

50. Лобанов А.И., Старожилова Т.К., Гурия Г.Т. Численное исследование структурообразования при свертывании крови // Математическое моделирование, 1997. т. 9, №8. с. 83-95.

51. Гурия Г.Т., Лобанов А.И., Старожилова Т.К. Моделирование роста оторвавшегося тромба в пристеночном потоке. В кн. Компьютерные модели и прогресс медицины. М.: Наука, 2001. с. 250-263.

52. Седов Л.И. Механика сплошной среды. 3 изд. М.: Наука, 1976. т. 1-2.

53. Работнов Ю.Н. Механика твердого деформируемого тела. М.: Наука, 1979, 632 с.

54. Годунов С.К., РомЕнский Е.И. Элементы механики сплошных сред и законы сохранения. Новосибирск: Научная книга, 1998, 267 с.

55. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы сеточных уравнений. М.:Наука,1978, 590 с.

56. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989, 608 с.

57. Самарский А.А., Вабищевич П.Н.,

Матус П.П. Разностные методы с операторными множителями. Минск: ЦОТЖ, 441 с.

58. Петров И.Б., Лобанов А.И. Лекции по вычислительной математике. М.: Интернет-Университет, 2006, 523 с.

59. ФедоренкоР.П. Введение в вычислительную физику. М.: МФТИ, 526 с.

60. Холодов А.С. Монотонные разностные схемы на нерегулярных сетках для эллиптических уравнений в области со многими несвязанными границами

// Математическое моделирование, 1991. т. 3, №9. с. 104-113.

61. Самарский А.А. (ред.). Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент. М.:Наука, 1988. 170 с.

62. Самарский А.А., Змитренко Н.В., Курдю-мов С.П., Михайлов А.С. Эффект метастабиль-ностной локализации тепла в среде с нелинейной теплопроводностью // ДАН СССР, 1975. т. 233, №6. с. 1344-1347.

63. Годунов С.К., Забородин А.В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Прокопов Г.П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976, 400 с.

64. Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математические вопросы численно-

ШЯ НОМЕР | ТОМ 1 | 2009 | РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

ПЕТРОВ И.Б.

169

го решения гиперболических систем уравнений. М.:Физматлит, 2001, 607 с.

65. Петров И.Б., Холодов А.С. Численное моделирование некоторых задач механики деформируемого твердого тела сеточно-характеристическим методом // Журнал вычислительной математики и математической физики, 1984. т. 24, №5. с. 722-739.

66. Петров И.Б., Холодов А.С. О регуляризации разрывных численных решений уравнений гиперболического типа // Журнал вычислительной математики и матем. физики, 1984. т. 24, №8. с. 1172-1188.

67. Толстых А.И. Компактные разностные схемы и их применение в задачах аэродинамики. М.: Наука, 1990, 230 с.

68. Смолянов В.В. Математические модели биологических тканей. М.:Наука, 1980, 368 с.

69. Головизин В.М., Карабасов С.А. Метод прыжкового переноса для численного решения гиперболических уравнений. Точный алгоритм для моделирования конвекции на эйлеровых сетках. Препринт ИБРАЭ РАН №IBRAE-2000-04. М.: РАН, 2000, 40 с.

70. Холодов А.С. , Холодов А.Я. О критериях монотонности разностных схем для уравнений гиперболического типа // Журнал вычислительной математики и математической физики, 2006. т. 46, №9. с. 1638-1667.

71. Астанин С.А., Колобов А.В., Лобанов А.И.

Влияние пространственной гетерогенной среды на рост и инвазию опухоли. Анализ методами математического моделирования. В кн. Медицина в зеркале информатики. М.: 2006. с. 163-194.

Петров Игорь Борисович,

член-корреспондент РАЕН, д.ф.-м.н., профессор МФТИ, 141700 г. Долгопрудный Московской области, Институтский пер.,9,

тел.: + 7 (495) 408-66-95, e-mail: petrov@mipt.ru

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | 2009 | ТОМ 1 | НОМЕР ИД

"7 О КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / \J НОРМАЛЬНЫХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

COMPUTER SIMULATION OF NORMAL AND PATHOLOGICAL PROCESSES IN MEDICAL PRACTICE

Petrov I.B.

Московский физико-технический институт, 141700 г. Долгопрудный Московской области

The article presents a numerical simulation of biomechanical processes in medical practice is based on models of continuum mechanics and numerical methods for solving the corresponding systems of differential equations in partial derivatives. Topics covered by the article include formulation of the mathematical model on the basis of equations of deformable body mechanics, choice of appropriate difference schemes and their extension to triangular meshes, correct introduction of boundary conditions and solution of contact problems with several interacting bodies of arbitrary shape.

ИИ НОМЕР | ТОМ 1 | 2009 | РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ