Моделирование медико-биологических процессов.

Основные виды моделирования. Есть реальный мир вещей и явлений - звезд, атомов, перемещений, жизни организмов, болезней. А есть отображающий эту реальность мир моделей, с которыми, в конце концов, работает наша мысль. Анализируя модели, мы прогнозируем свойства или дальнейшее поведение реального объекта.

Модель - это искусственно созданный человеком объект любой природы, который замещает или воспроизводит исследуемый объект так, что изучение модели способно давать новую информацию об объекте. Модель всегда беднее реального объекта, 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 является живой организм в целом или его части, которые представляют собой очень сложные системы. Поэтому исследователь неизбежно выбирает упрощенную точку зрения, подходящую 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 различных препаратов, методов лечения. К такому типу моделей относятся лабораторные животные, изолированные органы, культуры клеток. Этот вид моделирования - самый древний и играет большую роль в современной науке (первые полеты в космос, испытание новых лекарств и так далее).

2) Физические (аналоговые) модели – это физические системы или устройства, которые обладают 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 крупным сосудам может быть смоделирован электрической цепью из конденсаторов и сопротивлений. К физическим моделям относятся технические устройства, заменяющие органы и системы живого организма. Это: аппараты искусственного дыхания, которые моделируют легкое; аппараты искусственного кровообращения (модель сердца) и так далее. Физическое моделирование является традиционным для медицины и в настоящее время достаточно широко используется и в лечебной практике, и в исследовательских целях.

3) Кибернетические модели – это различные устройства, чаще всего электронные, с помощью которых моделируются информационные процессы в живом организме. Среди информационных процессов один из самых распространенных - это управление (например, - движением руки, всего тела или управление величиной зрачка). Предполагается, что развитие ЭВМ и создание супер-ЭВМ следующих поколений позволит решить проблему “искусственного интеллекта”, то есть супер-ЭВМ будут кибернетической моделью работы мозга человека.

4) Математическая модель - это система формул, функций, уравнений, описывающих те или иные свойства изучаемого объекта, явления или процесса. Закон всемирного тяготения, закон Ома и так далее - все это математические модели реальных физических явлений. Когда же изучают динамические процессы, то математической моделью обычно является система дифференциальных уравнений (то есть уравнений, содержащих производные), так как именно производные отражают изменение интересующих нас величин в исследуемой системе. Математическое моделирование какого-либо процесса возможно, когда достаточно хорошо изучены его физические и биологические закономерности. Но перечень таких процессов в живом организме пока еще невелик. Внедрение ЭВМ расширило возможности математического моделирования в медицине, так как стало возможным моделирование более сложных систем.

Отличительные особенности метода математического моделирования состоят в следующем:

1. Во-первых, математическое моделирование позволяет исследовать поведение биологической системы в таких условиях, которые трудно создать в эксперименте или клинике, причем без существенных материальных затрат.

2. Во-вторых, уменьшается время исследования, так как на ЭВМ можно за короткое время “разыграть” огромное число вариантов опыта.

3. В-третьих, математическая модель облегчает решение задач по лечению болезней, так как позволяет очень быстро, в считанные секунды, ответить на вопросы, возникающие при лечении.