LABORATOŘ BIOKYBERNETIKY A POČÍTAČOVÉ PODPORY VÝUKY ÚPF, 1. LF UK

Transkript

1 LABORATOŘ BIOKYBERNETIKY A POČÍTAČOVÉ PODPORY VÝUKY ÚPF,. LF UK

2

3 Nátroje pro tvorbu modelů Tvorba modelu Tvorba imulátoru Nátroje pro tvorbu imulátorů Formalizace fyziologických vztahů Implementace modelu do imulátoru Vytváření imulačního modelu Vytváření uživatelkého rozhraní imulátoru Ověřování chování imulačního modelu Verifikace imulátoru ve výuce Chování modelu je jiné než chování biologického originálu Dotatečně dobrá hoda chování modelu chováním biologického originálu Nové požadavky na imulátor nové požadavky na imulační modelu

4 Formalizace fyziologických vztahů Annual Review of Phyiology 972 A.C. Guyton

5 Functional block Divider Formalizace fyziologických vztahů??!! Integrator Multiplier PPA PLA Summator PCP PCP=.55 PLA+.45 PPA

6 Formalizace fyziologických vztahů Multiplier Guyton Simulink Divider Guyton Summator Guyton Integrator Guyton Nátroje pro tvorbu modelů Simulink Simulink Simulink Functional block Simulink Guyton

7 NON-MUSCLE OXYGEN DELIVERY VASCULAR STRESS RELAXATION MUSCLE BLOOD FLOW CONTROL AND PO2 26 OSV PK u^3 PK x o Xo P2O upper limit 8 MO u^3 27 POT^3 HM xo 27 VVE P3O 242 PVO 223 POT AHM HM 6 AHM 58A NOD CNA 42.3 RFN lower limit.35 PVO RBF PRA CNX CNE REK PPC AHY 8 AHZ AH7 AHM lower limit 3 RFN.4 AH AOM.9898 AMM.3333 CNR RBF AUM 82 CN CNY lower limit 4 CNZ 6 AM AHM 4 AH u NOD 22 upper limit 5. lower limit.4 RFN.2 ARF EXC 87 AHC AH2 GP3 PDO APD AH4 26 AAR AM VPF 2 POM PMO VIM PM GF4 GF3 xo u^3 P3O^ TVD OVA QO2.333 GF3 97 BFN 4 POT algebraic loop breaking VIM.95 RMO upper limit 8 PO 232 OSA VV7 VV GLP 3.67 VV7 VV2 6 lower limit Z AHM 5 lower limit.5 25 Z 29 PPC POE 248 AAR TVD STH TRR.8 VV7 DVS 5 93 STH VV6. PFL EVR AAR 33 AOM 8 VUD lower limit.3.25 SRK P2O POT 8 VUD GFR 99 PM4 x o OVA DOB 236 QOM BFM THIRST AND DRINKING P4^3 GFN P4O 8..5 KIDNEY DYNAMICS AND EXCRETION RR xo 2A u^2 PM^2 5 OVA POV AMM lower limit lower limit RDO AU POT 245 PMO 5 RMO PM3 24 PK2 8 POV BFM AOM x o M AM AU AH8 lower_limit_ NON-MUSCLE LOCAL BLOOD FLOW CONTROL 4 POV POB POD 273 ARM POK lower limit.2 AR 4 AR3 AR xo lower limit.5 2 RAR. AR2 RAR AUM PAM 3.5 PON A3K.3 32 xo.85 VAS PA VAE 5 VBD VVR 6 BFN PGS PIF xo VVS.3 QVO 2.8 VVS lower limit. VVE.825 QVO PVS AUC AB u^ AUK AUB^ RPT 22 2 VPE PPA PGL AUZ AUN 3 AU AUN calculation.2 AU AUV xo 33 AUY AUH. 8 VVR 7 PPA AUH AVE PPD AUTONOMIC CONTROL SVO QLO AU 2 PPI 2-(.5/u) DFP PPI = 2 - (.5/VPF) e- DFP xo VPF REK u^2 CHY^2 7 NOD PGC PGR PG CNA 8 NED.25 9 xo 23. NAE CNA 42 6 HM PIF 576 upper limit PGP NID PTC PGH HMD VRC 2 xo HPL xo HMD HPR STH. VG RKC VRC 24 CKE xo. 5 RC V2D.4 VPF 75 KE KOD 6 VB HEART RATE AND STROKE VOLUME xo.3332 VGD 352 HPR PLF KID KED DHM 336b HPL xo VRC PFI 4 AM KCD.28 u^.625 PP3^. u^.625 PA4^.625 xo 285 KE 27 5 xo HM KIR CKE 3 (u/2)^ HMD.5 PP HYL PTS VIC PIF VPF 4 4 VTW PRM VEC CHY 3 VP 2 VTS VTW PULMONARY DYNAMICS AND FLUIDS RED CELLS AND VISCOSITY HEART HYPERTROPHY OR DETERIORATION VIC KIE KCD.3 HM2 4 RCD PPA4 336c PPO CPF PRA RC 33 PPI HR PTT = (VTS/2)^2 PTT PLF PLF xo VG 85 POT 5 35 xo 25 KI GPR VTS PPA HSR 34 POS POS.99 PA HSL.92 PPC e-7 PPD VG e-8 48 PPN PCP SVO 338 VIE POY 47 AVE 86 VTS lower limit.2375 xo 34 PTS = f(vif) VIM.333 VPF PO2 PPR AUM. 3 7 xo POT GPD VIM 329 PO CPN CPP PPC 32 PIF PTS xo CNA VIC VIF 2 84 CCD VID 2 VID VVR PLA VTC CIRCULATORY DYNAMICS GP2 83 VV9.3 AUD VID CKI VTL 3.59 AU.5e-6 GPD VTD. AUL GP VIF AUJ^AUZ AUJ uv xo ALDOSTERONE CONTROL IFP xo 2. VPA.48 PTT 2 3 DPI TISSUE FLUIDS PRESSURES AND GEL x7 o lower limit DPL PRA CNA 9 CPI DPC.4 4 PRA VPA.5 66 KN AMC VRA 5 QRO QRN = f(pra) CKE 5 CPI PIF lower limit QPO PLA AM AMT AMR 2.4 PR QPO 3 5 xo PRA PTC AMP = f(pa) 6 PIF DPL 5 VRA PPA AU8 AUM QRN AUH AUH 5.26 AMP PLD lower limit 5.2 DRA 5 RVM = f(pp2) Z8 39 AUN CALCULATION AUN 5 PPA xo when PA<5: AUN=6 when 2>PA<5: AUN=.2*(5-PA) when PA>=5: AUC= VTL DPL PTC 38 AUB QRO 6 PP2 RPT VTL HMD HMD 52 AU2.5 AUB calculation PA QVO RVM PL PLA u AM2 AM3 PA HSR HPR DAU 35 when PA<4: AUB=.8578 AUB when 4>PA<7: AUB=.4286*(7-PA) when PA>=7: AUB= AUH.4 RPV DLA 3 AUB CALCULATION PA AU6 9.8 lower limit AM AM ANM PP QLN = f(pla) xo AM 49 RPA qrt AUC AUC calculation VP RVG RVM 53 QLN VLA QLO AUC CALCULATION CPA VLA when PA<4: AUC=.2 when 4>PA<8: AUC=.3*(8-PA) when PA>=8: AUC= PA PLA 25 EXC Z2 ANGIOTENSIN CONTROL DPC PR 5 VLE EXE P2O VP xo 3 VTL QRF POQ 5 ANT DPC.4 PVS.6 QLN 58 QLO 26 LVM = f(pa2) ANM PLA 57 AN 74 PVS CNE CP VPD VUD CNA 42 xo CPI 7 DFP VRA PLA 8 upper limit 8 PA lower limit 4. 5 VPA CNE PC^3 7 PA2 LVM 59 ANC (.2/u)^3 (.2/RFN)^3 CPP TVD. VB VLA 58 QLN 5.85 QLO.4 LVM HMD HPL POT POQ 59 HSL QAO QLO e-7 VVS RFN CPK 3 PA.897 VTC.42 53b 53a 6 VAS 8 PPC AN2 u REK.4 u^3 3.7 CV PA AN CPP VAS3 DAS 3.3 lower limit.7 ANM xo 6.8 PTC PVS AN5.4 VTC 9 VV8 PPC PRP VP CFC 2.95 DVS 6 CPP 72 VP PVS 2 RSN AR3 xo if (POD<) {POJ=PODx3.3} POZ lower limit.3 VV7 QAO BFN b ANM VB VVE RBF PA POJ 6.8 VRC BFM.4 DPP.47 PC 5.4 RVS POC VB 5 7 AUM DLP LPK CPR 7.4 DPL PC PC.7 67 PVS BFN BFM PGS DP 79 PPD PVG 39 7 PAM AUM CN2 ANTIDIURECTIC HORMONE CONTROL RVS RV 3 37 VIM VIM A2K RV 43 RVS RSM AUM RAM CAPILLARY MEMBRANE DYNAMICS 2.9 x o CN7.79 AMM VIM RAM ANU.6 ARM 4A ANU POA algebraic loop breaking 4 AVE lower limit.95 ARM POR.6 ANM.9456 xo AK ELECTROLYTES AND CELL WATER

8 Matlab/Simulink Softwarové nátroje pro tvorbu modelů

11 Matlab/Simulink Grafické zobrazení matematických vztahů?

12 GKf RAP RBF AffC TubC TubC GP=RAP-PAff PAff=RBF/AffC PTP=GFR/TubC GP PTP AVeCOP GKf NETP=GP-PTP-AVeCOP GFR=NETP*GKf Grafické zobrazení matematických vztahů? GFR GFR RPF APr APr B A (APr)^2 A*Apr GFR RPF B*(APr)^2 ACOP=A*Apr+B*(APr)^2 FF=GFR/RPF EPr=APr/(-FF) EPr^2 (-FF) B*EPr^2 ACOP+ECOP Matlab/Simulink A*EPr ECOP=A*EPr+B*EPr^2 AVeCOP=(ACOP+ECOP)/2

13 GKf RAP RBF AffC TubC TubC GP=RAP-PAff PAff=RBF/AffC PTP=GFR/TubC GP PTP AVeCOP GKf NETP=GP-PTP-AVeCOP GFR=NETP*GKf Grafické zobrazení matematických vztahů? GFR GFR RPF APr APr B A (APr)^2 A*Apr GFR RPF B*(APr)^2 ACOP=A*Apr+B*(APr)^2 FF=GFR/RPF EPr=APr/(-FF) EPr^2 (-FF) B*EPr^2 ACOP+ECOP Matlab/Simulink A*EPr ECOP=A*EPr+B*EPr^2 AVeCOP=(ACOP+ECOP)/2

14 GKf RAP RBF AffC TubC TubC GP=RAP-PAff PAff=RBF/AffC PTP=GFR/TubC GP PTP AVeCOP GKf NETP=GP-PTP-AVeCOP GFR=NETP*GKf Grafické zobrazení matematických vztahů? GFR GFRold-GFRnew Algebraic Contraint GFR RPF APr APr B A (APr)^2 A*Apr GFR RPF B*(APr)^2 ACOP=A*Apr+B*(APr)^2 FF=GFR/RPF EPr=APr/(-FF) EPr^2 (-FF) B*EPr^2 ACOP+ECOP Matlab/Simulink A*EPr ECOP=A*EPr+B*EPr^2 AVeCOP=(ACOP+ECOP)/2

15 Grafické zobrazení matematických vztahů? Ne! Grafické zobrazení tranformace vtupních hodnot na výtupní Matlab/Simulink

17 Kauzální modelovací nátroje Je jednoznačně definován potup výpočtu Kauzální modelování Model v Simulinku vyjadřuje píše způob výpočtu než trukturu modelované reality Matlab/Simulink

18 Akauzální modelovací nátroje Komponenty obahují rovnice Propojení komponent pře konenktory Soutava rovnic Akauzální modelování

19 Akauzální přítup Zobecnělé úilí (effort) Zobecnělá hybnot p e e=rf R C q=ce q Zobecnělá akumulace (quantity) p=lf L f Zobecnělý tok (flow) Obecné ytémové vlatnoti

20 Akauzální přítup e Zobecnělé úilí (effort) f Zobecnělý tok (flow) Obecné ytémové vlatnoti

21 Akauzální přítup e f Zobecnělé úilí (effort) Zobecnělý tok (flow) Obecné ytémové vlatnoti

22 Akauzální konektory e f Zobecnělé úilí (effort) Zobecnělý tok (flow)

23 Akauzální propojení Hodnoty propojených nonflow proměnných (e) jou tejné Součet toků (f) =

24 v v=v2=v3 v2 i i+i2+i3= i2 i i3 v3 i

25 p.v p.i Reitor n.v n.i R*i = v p.v v = p.v n.v n.v p.v p.i Capacitor i = C*der(v) n.v n.i p.i v i = p.i = n.i n.i p.v p.i Inductor L*der(i) = v n.v n.i p.v v = p.v n.v n.v p.v v = p.v n.v n.v p.i v n.i p.i v n.i i = p.i = n.i i = p.i = n.i

26 Potačí popi rovnicemi akauzální modelováni Blok Modelování v Modelice konektor PAO vodič typ flow P Q RC Q-QA PAW CS QA typ nonflow Hodnoty propojených nonflow proměnných jou tejné RP PA CL PPL CW P = tlak R*Q=P Součet toků = Q = tok Q=C*der(P) R*Q=P Q=C*der(P) Q=C*der(P)

27 Modelování v Modelice PAO Q RC PAW QA RP PA Potačí popi rovnicemi akauzální modelováni P Q-QA CS CL PPL CW R*Q=P R*Q=P Q=C*der(P) Q=C*der(P) Q=C*der(P)

28 Example: Simple pulmonary mechanic model Simulink olution

29 Potačí popi rovnicemi akauzální modelováni Modelování v Modelice P RC = Q LC=, Q-QA PAW QA RP =,5 CS=,5 PA CL=,2 PPL CW=,2 L*der(Q)=P R*Q=P R*Q=P Q=C*der(P) Q=C*der(P) Q=C*der(P)

30 Example: Simple pulmonary mechanic model Simulink olution

31 Příklad: Elatický kompartment <V <V <V V V V StreedVolume = max(vol-v,); Preure V Vol Preure = (StreedVolume/Compliance) V

32 Příklad: Elatický kompartment <V <V <V V V V StreedVolume = max(vol-v,); Preure ExternalPreure V Vol Preure = (StreedVolume/Compliance) + ExternalPreure; V

33 Příklad: Elatický kompartment <V <V <V V V V StreedVolume = max(vol-v,); Preure ExternalPreure V Vol Preure = (StreedVolume/Compliance) + ExternalPreure; V der(vol) = q; tok - q

34 Příklad: Elatický kompartment <V <V <V V V V StreedVolume = max(vol-v,); Preure ExternalPreure V Vol Preure = (StreedVolume/Compliance) + ExternalPreure; der(vol) = q; V tok - q preure

35 Příklad: Elatický kompartment <V <V <V V V V StreedVolume = max(vol-v,); Preure Název konektoru: referencepoint ExternalPreure V Vol Preure = (StreedVolume/Compliance) + ExternalPreure; V der(vol) = q; Název konektoru: referencepoint tok - referencepoint.q referencepoint.preure

36 Příklad: Elatický kompartment Třídy: Vzory Komponenty: Intance Název akauzálního konektoru: referencepoint Vol Preure

37 referencepoint.preure referencepoint.q initial equation Vol = initialvol; equation der(vol) = referencepoint.q; StreedVolume = max(vol-v,); Vol Preure Preure = (StreedVolume/Compliance) + ExternalPreure; referencepoint.preure = Preure; end VacularElacticBloodCompartment;

38 Vtup ExternalPreure konektor 2 Vtup V Vtup Compliance konektor konektor ReferencePoint konektor 3 Výtup Preure Výtup Vol

39 Elatické kompartmenty cév Toky krve v cévách (mají tlak a průtok) Řízené čerpadlo (pravá komora) Sběrnice řídících ignálů Regulovatelné odpory

40 VacularCompartment organbloodflo... organbloodflow Signal bone organbloodflow Signal brain organbloodflow Signal fat organbloodflo... organbloodflow Signal kidney organbloodflow Signal kin q_in organbloodflow Signal keletal... q_out 34 ml min... Kidney_NephronCount_Total_xNormal Kidney_NephronCount_Total_xNormal Nephro... TGF_Vacular_ignal Anetheia_VacularConductance TGFEff... AlphaPool_Effect A2Pool_LogConc AlphaBlocade_Effect AplhaR... AlphaPool_Effect GangliaGeneral_NA AlphaBlocade_Effect Kidney_MyogenicDelay_PreureChange Myogen... GangliaGeneral_NA q_in Affere... kidney 23 ml min... Nephro... Aneth... A2Effe... AplhaR... Effere... 6 ml/min/... Kidney_Acurate... q_out organbloodflow Signal repirat... organbloodflow Signal leftheart organbloodflow Signal rightheart organbloodflow Signal otherti... peripheral

41 Quantitative Human Phyiology (QHP) Thoma Coleman

42 Změna nátrojů pro tvorbu imulátorů Nátroje pro tvorbu imulátorů Směr imulátory putitelné v prohlížeči

43 Automatické generování modelu jako virtuálního řadiče Automatické generování modelu jako.net aembly Tvorba imulačního modelu v protředí Matlab/Simulink Model jako virtuální řadič Řídící vrtva Model jako.net aembly Řídící vrtva Tvorba animací (v Adobe Flah) Vývoj imulátoru (programátorká práce) Interaktivní animace Vývojové protředí Control Web Interaktivní animace Vývojové protředí Microoft ViualStudio.NET Ditribuce imulátorů Tvorba cénářů výukových programů využívajících imulační hry a imulátory

44

45

46 Protředí.NET 3.5 Model jako virtuální řadič Modelica.NET Automatické generování modelu jako.net aembly Model jako.net aembly Řídící vrtva Vývojové protředí Microoft ViualStudio Tvorba imulačního modelu v protředí Matlab/Simulink Modelica Tvorba animací v Expreion Blend Vývoj imulátoru (programátorká práce) Interaktivní animace Řídící vrtva Interaktivní animace Vývojové protředí Control Web Ditribuce imulátorů v prohlížeči Tvorba cénářů výukových programů využívajících imulační hry a imulátory