Моделирования медико-биологических процессов
Основные виды моделирования
Существует реальный мир вещей и явлений – звезд, атомов, движения, живых организмов,
болезней. А существует отображающий эту реальность мир моделей, с которыми, в конечном
итоге, работает наша мысль. Анализируя модели, мы прогнозируем свойства или дальнейшее
поведение реального объекта.
Модель – это искусственно созданный человеком объект любой природы, который
замещает или воссоздает исследуемый объект так, что изучение модели способно давать новую
информацию об объекте. Модель всегда содержит меньше информации, чем реальный объект, она
всегда отображает лишь некоторые его черты, причем в разных случаях – разные. Все зависит от
задачи, для решения которой создается модель.
Объектами исследования в биологии и медицине есть живой организм в целом или его
части, которые представляют собой очень сложные системы. Поэтому исследователь неизбежно
выбирает упрощенную точку зрения, которое подходит для решения конкретно поставленной
задачи. Выбор модели определяется целями исследования. Можно выделить 4 вида моделей,
используемых в медицине и биологии:
1) Биологические предметные модели служат для изучения общих биологических
закономерностей, действия разных препаратов, методов лечения. К этому типу моделей относятся
лабораторные животные, изолированные органы, культуры клеток. Этот вид моделирования
самый древний, и он играет большую роль в современной науке (первые полеты в космос,
испытание новых счет и т.д.).
2) Физические (аналоговые) модели – это физические системы или устройства, которые
владеют аналогичным с моделируемым объектом поведением. Физическая модель может быть
реализована в виде некоторого механического устройства или в виде электрической цепи.
Например, процесс движения крови по большим сосудам может быть смоделирован
электрической цепью из конденсаторов и сопротивлений. К физическим моделям относятся
технические устройства, которые заменяют органы и системы живого организма. Это – аппараты
искусственного дыхания, которые моделируют легкое, аппараты искусственного кровообращения
(модель сердца) и т.д. Физическое моделирование является традиционным для медицины и в
данное время довольно широко используется и в лечебной практике, и в исследовательских целях.
3) Кибернетические модели – это разные устройства, чаще всего электронные с помощью
которых моделируются информационные процессы в живом организме. Среди информационных
процессов один из наиболее распространенных – это управление. (Например, движением руки,
7
всего тела или управление величиной зрачка). Предполагается, что развитие компьютерной
техники и создания супер-компьютеров следующих поколений разрешит решить проблему
"искусственного интеллекта", то есть супер-компьютеры будут кибернетической моделью работы
мозга человека.
4) Математическая модель – это система формул, функций, уравнений, которые
описывают те или другие свойства исследуемого объекта, явления или процесса. Закон
всемирного тяготения, закон Ома и т.д. все это математические модели реальных физических
явлений. Когда же изучают динамические процессы, то математической моделью обычно есть
система дифференциальных уравнений (то есть уравнений удерживающие производные) так как
именно производные отбивают изменение интересующих нас величин в исследуемой системе.
Математическое моделирование какого-нибудь процесса возможно, когда довольно хорошо
изученные его физические и биологические закономерности. Но перечень таких процессов в
живом организме пока еще небольшой. Внедрение компьютеров расширило возможности
математического моделирования в медицине, так как стало возможным моделирование более
сложных систем.
Отличительные особенности метода математического моделирования состоит в
следующем:
во-первых, математическое моделирование разрешает исследовать поведение биологической
системы в таких условиях, которые тяжело создать в эксперименте или клинике, причем без
больших материальных затрат,
во-вторых, уменьшается время исследования, так как на компьютере можно, за короткое время
"переиграть" огромное число вариантов опыта,
в-третьих, математическая модель облегчает решения задач по лечению болезней, так как
разрешает очень быстро, в считанные секунды, ответить на вопросы, которые возникают при
лечении.__