Témata
Reklama

HumMod Golem Edition

Fyziologie je v dnešní době jedním z nejprogresivnějších oborů zkoumajících fungování biologických organizmů. Snaha vysvětlit děje, kterými organizmus reaguje na aktuální stav a podmínky okolí, se více a více posouvá k exaktnějším metodám podložených fyzikálními zákony přírody. HumMod Golem Edition, rozsáhlý matematický model fyziologických procesů v lidském těle, se snaží tyto děje podchytit.

Na lidské tělo je možné nahlížet jako na velmi komplexní systém tvořený velmi úzce propojenými soustavami, které si mlhavě každý jistě pamatuje ze střední školy: srdečně-cévní (kardiovaskulární), trávicí (gastro-intestinální), nervová, dýchací (respirační), vylučovací, termoregulační, hormonální (endokrinní) soustava atd. Náš matematický model HumMod Golem Edition verze 0.1.3429 dokáže simulovat funkční spojení těchto soustav v časovém měřítku od několika minut po několik týdnů. Snahou je přitom simulované období neustále prodlužovat a simulovat tím i dlouhodobé děje. Model je přitom vytvářený metodou zpřesňování nejméně přesných částí. To znamená, že každý zkoumaný jev je zpočátku matematicky popsán co nejstručněji a až poté jsou hrubší části doplňovány detaily tak, aby se model více a více přibližoval realitě. Nemá přitom smysl počítat zrnka písku, když ho máme několik náklaďáků…

Reklama
Reklama
Reklama

Historie modelu

Základy dnešních komplexních modelů fyziologie člověka se datují do padesátých až šedesátých let dvacátého století. Tehdy jedním z mnoha oborů stimulovaných studenou válkou mezi západem a východem byla i fyziologie člověka. Byly položeny základy integrativní fyziologie, systémové biologie, či biokybernetiky [1]. Simulace diferenciálních rovnic tenkrát dokonce běžely rychleji než na dnešních moderních PC. Mohly za to analogové stroje, jejichž programování však bylo složitou a časově náročnou záležitostí, protože bylo nutné stroj manuálně „předrátovat“. Tyto stroje byly navrženy přímo pro spojité nelineární diferenciální výpočty v reálném čase. Byly však mnohem nepřesnější a chybnější než dnešní digitální technika a neumožňovaly flexibilní úpravy.

Celkový pohled na všechny systémy modelu v prostředí jazyka ModelicaJedním z prvních úspěšných pokusů o integrování kardiovaskulárního systému, přenosu krevních plynů, funkce ledvin, hormonů a příslušných nervových reflexů je práce publikovaná A. Gyutonem a spol. v roce 1972. [2].

Tento model pomocí asi 150 dobře zdokumentovaných proměnných testuje množství fyziologických hypotéz zaměřených zejména na akutní i chronické změny krevního tlaku a roli ledvin z pohledu jejich dlouhodobé regulace. Po tomto úspěšném začátku se podobné rozsáhlejší modely v Jackson City v americkém státě Mississippi vyvíjejí dodnes. Z této dílny od Gyutonova následníka Thomase Colemana a spol. pochází i poslední verze modelu zvaná HumMod [3, 4], která se stala základem i naší implementace.

Popis

Model je založen na zákonech zachování hmoty a energie, principech hydrauliky (krevní oběh), koncentračních gradientů (difuze), polopropustných membrán, aktivních membránových kanálků, elektroneutrality (sledování hlavních kationtů a aniontů) atd. Při známých parametrech je tak možné počítat aktuální hodnoty koncentrací, tlaků, teplot, objemů, množství různých látek na různých místech, jakož i jejich změny nebo vliv regulace.

Před použitím modelu se však jednotlivé scénáře testují nad daty z učebnic, nebo dokonce i z posledních vědeckých prací. Není výjimkou, že je nutné popisované okrajové situace modelu opravit tak, aby lépe odpovídaly realitě.

Implementace

Díky moderním modelovacím nástrojům, jakým je jazyk Modelica, je možné vytvářet a spravovat tak obrovské matematické modely, jako je právě naše open-source implementace modelu HumMod Golem Edition. Dnešní verze modelu při kompilaci ohlašuje téměř sto tisíc proměnných. Většina je však triviálních, generovaných z grafických propojení jednotlivých částí. Netriviálních, fyziologicky odlišných hodnot je přitom kolem pěti tisíc, z toho diferencovaných stavů je jen asi 150. Tyto stavy ve většině případů znamenají množství v jednotlivých kompartmentech těla. Jsou to množství krve, krvinek, vody, různých živin, hormonů, krevních plynů, minerálů, titrovatelných protonů, tepla, bílkovin, aminokyselin, léků, metabolických zplodin atd. Podle jejich důležitosti a distribuce v těle jsou disjunktně rozděleny do 1 až 10 sledovaných tělních oblastí.

Model srdce. Všimněte si kombinace akauzálních hydraulických (černé silné linky) a signálových (slabé) konektorů. Multidoménové konektory jsou velmi silnou stránkou jazyka Modelica.

Nejdůležitějším parametrem je pro nás přehlednost samotného modelu, proto jsme zvolili možnost grafického modelování pomocí schémat. Objektový modelovací jazyk umožňuje definovat vlastní grafické prvky v různých fyzikálních i chemických doménách – v elektrické doméně například odpor, cívku či kondenzátor, v hydraulické například pružnou hadici, setrvačnost toku a podobně. Modelování pak spočívá v jejich propojování a instancování s různými parametry na různých místech v diagramech (schématech). Aby přitom nevzniklo jedno velké nepřehledné schéma, je možné využít hierarchický návrh tohoto jazyka a pomocí diagramů definovat nové velmi komplexní prvky. Základní schéma takto sestává z 10 základních fyziologických soustav a z toho každá z nich je dekomponovaná na 5–15 pododdílů, přičemž každá tato součást může mít další a další schémata. Tím vzniká na jednu stranu velmi rozsáhlý model, avšak na druhou stranu je možné se velmi podrobně zabývat libovolnou jeho částí nebo ji jen simulovat samostatně s předdefinovanými vstupy.

Možnosti využití modelu

Ukazuje se, že množství fyziologických veličin se navzájem ovlivňuje i poměrně komplikovaným způsobem, kdy je velmi obtížné předpovědět nebo přepočítat tyto vlivy jinak než pomocí numerické počítačové simulace. V dnešní době bohužel zatím není možné dané modely využít přímo k diagnostikování nebo k plné optimalizaci veškerých léčebných postupů, protože není možné nastavit všechny parametry modelu tak, aby odpovídaly konkrétnímu jedinci. S velkým úspěchem jej ovšem lze využít při demonstrování dynamických přechodů ve velké škále zdravotních komplikací při výuce medicínských oborů. Numerické výstupy modelu je přitom možné snadno transformovat do virtuálních monitorů a laboratorních výsledků, které mohou být shodné s těmi, s nimiž se běžně doktor setkává v praxi. A co víc, model může interaktivně reagovat na studentem zvolený způsob léčby a tím mu umožní léčit „nanečisto“ a lépe si tak osvojovat zkušenosti z chování neuvěřitelně složitého lidského organismu.

Marek Mateják, Filip Ježek

Laboratoř biokybernetiky a počítačové podpory výuky, Ústav patologické fyziologie, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze

Reference:
[1] Počátky kybernetiky a jejího pronikání do biomedicínské oblasti u nás. Zdeněk Wünsch, Fyziologický ústav 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy
[2] Circulation: overall regulation. Guyton AC, Coleman TG, Granger HJ. Annu Rev Physiol. 1972;34:13–46.
[3] //hummod.org, Původní americký model HumMod, Thomas Coleman a spol.
[4] HumMod – Large Scale Physiological Models in Modelica, Jiri Kofranek, Marek Matejak, Pavol Privitzer. Institute of Pathophysiology, First Faculty of Medicine, Charles University. U nemocnice 5, 128 53 Praha 2, Czech Republic

Univerzita Karlova v Praze, 1. lékařská fakulta
Marek.Matejak@lf1.cuni.cz
filip.jezek@lf1.cuni.cz
patf.lf1.cuni.cz

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 120730
Datum: 27. 06. 2012
Rubrika: Trendy / Strojírenství & Zdravotnictví
Autor:
Firmy
Související články
Strojírenské fórum 2018: Zaměřeno na nové technologie a materiály

Příběh pátého ročníku Strojírenského fóra se začal psát 10. května 2018 na půdě Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně konferencí na téma moderní výrobní technologie a materiály s důrazem na aditivní výrobu z velké části kovových materiálů a na inovativní aplikace kompozitních materiálů. Na sto účastníků z řad výrobní a akademické sféry vyslechlo na 13 přednášek a následně v pozdních odpoledních hodinách se větší část z nich odebrala na exkurzi po šesti VaV pracovišťích zaměřených na nové technologie. Plný den poznání a nových setkání. Pojďme se k němu vrátit fotoreportáží.

900 000 nástrojových datových záznamů navíc

Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

Ověřování koncepčních návrhů

Nyní v říjnu je to právě rok od okamžiku, kdy americká společnost Altair získala do svého portfolia revoluční výpočetní nástroj SimSolid, který se svým použitím zaměřuje především na konstrukční oddělení, jimž nabízí možnost snadno provádět překvapivě rychlé pevnostní analýzy koncepčních návrhů.

Související články
Ultra lehké komponenty vyráběné 3D tiskem

V posledních letech se do širšího povědomí dostávají aditivní technologie, neboli 3D tisk, kde je součást tvořena přidáváním materiálu nikoliv jeho odebíráním, jako je tomu u klasického obrábění. Jejich využití je zkoumáno napříč nejrůznějšími obory od strojírenství přes architekturu až po medicínu a módu. Pokud se omezíme na 3D tisk kovů, zjistíme, že aditivní technologie jsou brány jako prostředek pro výrobu tvarově složitých a občas konvenčními způsoby zcela nevyrobitelných dílů. Jsou brány jako jakási ideální výrobní technologie pro výrobu čehokoliv. V posledních letech se navíc stále více skloňuje spojení aditivní technologie a topologické optimalizace, což je způsob návrhu tvaru dílu na základě matematické optimalizace. Jak lze tušit, navržený tvar je značně složitý a často bývá označován jako organický. Takové díly jsou údajně vhodné pro 3D tisk, ale není tomu tak. Ve většině případů je realita daleko prozaičtější. Použití aditivní technologie je pouze jediná možnost, jak takový díl vyrobit.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

CNC řízení pro rychlostní a multifunkční obrábění

Výsledek obráběcího procesu v parametrech přesnost/rychlost/povrch je dán mnoha faktory na straně stroje, nástrojů, způsobu programování a upínání, přičemž může existovat i více cest k jednomu stanovenému cíli. V tomto článku bychom se chtěli zaměřit na CNC řídicí systém, který je dnes bezpochyby podstatnou a nenahraditelnou složkou tohoto procesu. Řídicím systémem přitom většinou rozumíme jak vlastní řídicí počítač, tak i pohony os a vřeten a systémy odměřování polohy.

Velmi rychlá dvojčata

SolidCAM a InventorCAM jsou jeden a tentýž CAM program integrovaný v různých CADech (SolidWorks a Autodesk Inventor), proto má smysl mluvit o obou najednou. Neliší se funkčně totiž opravdu vůbec, pouze je uživatel ovládá ve svém oblíbeném CADu.

Virtuální stroj pomáhá vyhnout se poškození

Kolize během obrábění jsou vždy nákladnou záležitosti. Tím, jak se výroba vybavuje stále vyšší úrovní automatizace a s rozšiřováním aplikací internetu věcí (IIoT) nabývá prevence chyb na složitosti i časové náročnosti. Japonský výrobce CNC strojů Okuma , který si jako jediný na světě vyrábí veškeré klíčové komponenty obráběcích strojů sám, vyvinul digitální řešení, které slouží k přípravě, simulaci a otestování celého procesu obrábění před jeho zahájením. Během vlastního obrábění provádí systém Collision Avoidance Systém (CAS) velmi přesnou virtuální simulaci s předstihem v řádu milisekund před vlastním řezáním. Jakékoli kolize, které by mohly nastat, jsou tak zablokovány předtím, než mohou způsobit vážná poškození - šetříc čas a peníze provozovatele stroje.

Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

Digitalizujeme svět obrábění

Digitalizace v oblasti obráběcích strojů je poměrně nový fenomén. Svět digitalizace se stává svébytným ekosystémem a Siemens jako jediný má pro jeho vytvoření a fungování potřebnou škálu nástrojů – od simulačních programů pro plánování a virtuální zprovoznění strojů, výrobků i procesů přes řídicí systémy a další prvky průmyslové automatizace po monitoring a sběr dat, cloudová úložiště i manažerské nadřazené systémy. Jaké výhody digitalizace přináší, ukázal Siemens na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně mimo jiné také na prototypu multifunkčního obráběcího centra MCU450 společnosti Kovosvit MAS.

Propojené systémy ve výrobě

Ekonomická síla firmy, její produktivita a úspěch na trhu závisí do značné míry na tom, jak chytře a efektivně společnost využívá data, která má k dispozici, a na tom, jaká data vůbec má k dispozici. Sběr a vyhodnocování dat umožňují procesy neustále monitorovat a vylepšovat. Digitalizace všech částí výroby a následná chytrá analýza dat tak zvyšuje produktivitu a efektivitu výroby, umožňuje rychlejší uvedení výrobku na trh, energeticky účinný provoz a ekonomickou výrobu velkého množství individualizovaných výrobků. Společnost Siemens nabízí komplexní portfolio softwarových a hardwarových řešení, která už dnes pomáhají digitalizovat celý vývojový a výrobní proces.

Větší řádkování při obrábění načisto

Při použití fréz s optimálně zakřiveným břitem pro frézování vnějších povrchů je možné časy na dokončovací obrábění značně snížit. Docílit toho lze vzájemnou souhrou stroje, nástroje a softwaru, jak ukazuje následující příklad.

Simulací ke zlepšení efektu mazání a chlazení

Optimalizace třískového obrábění moderní metodou simulace strategie mazání a chlazení je dnes podrobena systematickému výzkumu. Použitím simulace procesu třískového obrábění a simulace proudění chladicího média se značně sníží náklady na výzkum a vývoj.

Zubní náhrady aneb strojírenství i v dentálním průmyslu

Zubní náhrady se vyrábějí již od dob egyptských faraonů téměř stejným způsobem. Pouze materiály a metody se za tu dobu vyvinuly na úroveň 21. století.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit