Ученые МГУ разработали детальные и масштабные модели органов человека
Исследование по детализации и масштабированию моделей органов человека, а также математическое моделирование перераспределения потоков крови при синдроме портальной гипертензии провели ученые факультетов вычислительной математики и кибернетики (ВМК) и фундаментальной медицины МГУ совместно с сотрудниками Медицинского научно-образовательного центра МГУ, сообщает 2 июня пресс-служба университета.
Математическому моделированию функционирования печени и почек посвящено множество работ, которые обычно описывают имитацию кровотока в сгенерированных структурах сосудистой сети органов. Тогда как исследования ученых МГУ посвящены включению в программный комплекс CVSS (CardioVascular Simulating System) разработанных моделей этих органов с учетом базовых топологических и функциональных характеристик печени и почек.
Программный комплекс CVSS может выполнять одновременно несколько задач: представление трехмерного графа сердечно-сосудистой системы и возможность его модификации, перемещение графа или его части в пространстве; редактирование, хранение, контроль входных данных и проведение расчетов параметров течения крови на выбранных графах.
При этом, кроме расчетов гемодинамических течений, CVSS позволяет моделировать перенос кровотоком различных веществ. Так, например, с помощью программного комплекса CVSS учеными выполняется моделирование выработки и поглощения веществ для расчета динамики инсулина и глюкозы, в том числе были проведены численные эксперименты по воспроизведению изменения концентраций инсулина и глюкозы в процессе проведения перорального теста толерантности к глюкозе.
Доцент кафедры вычислительных методов факультета ВМК МГУ Александр Хруленко рассказал о принципах построения CVSS:
«Системе кровообращения сопоставляется граф эластичных трубок. Узлы графа представляют собой точки ветвления сосудов, ткани или органы, а ребра графа — крупные, средние артерии и вены или жгуты однородных мелких сосудов. Кровь считается вязкой несжимаемой жидкостью. Течение крови по каждому из сосудов системы описывается в квазиодномерном приближении законами сохранения, конкретизируется зависимостью площади поперечного сечения сосуда от величины давления внутри сосуда. Всем вершинам графа в соответствии с их функциональным значением сопоставлены математические модели».
Для обучения нейронных сетей в комплексе CVSS создана возможность выполнения серий расчетов однотипных моделей, которые отличаются набором параметров, подобранных специальным образом.
Предполагается, что в дальнейшем эта возможность будет использована в системах искусственного интеллекта, предназначенных помогать медикам в принятии решений о наличии патологий сердечно-сосудистой системы у конкретных пациентов и постановке диагнозов.
«Одним из направлений работы является детализация моделей различных органов. В настоящее время проводится моделирование работы структурных элементов почки (нефрон) и печени (гепатоцит). Модели построенных структурных элементов масштабированы, для чего использованы фрактальные размерности, найденные по алгоритму Box-counting», — дополнила рассказ коллеги доцент кафедры вычислительных методов факультета ВМК МГУ Анна Буничева.
Кроме того, ученые разрабатывают для CVSS модели маточного кровообращения, которые позволят исследовать влияние на кровоток процесса ремоделирования (физиологической перестройки) спиральных артерий при беременности.
Результаты проведенных исследований ученые МГУ представили на Всероссийской конференции «Ломоносовские чтения-2023».
