|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ |
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики МИРЭА
|
УТВЕРЖДАЮ Декан факультета кибернетики «____» ______________ 20____ г. | СОГЛАСОВАНО Учебно-методический _____________________ |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Б.3.В. ДВ.05.01. «Теоретические основы моделирования в медицине»
Направление подготовки
201000 Биотехнические системы и технологии
Профиль подготовки
Биотехнические и медицинские аппараты и системы
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
Очная
Москва 2011
1. Цель освоения дисциплины
Дисциплина «Теоретические основы моделирования в медицине» имеет своей целью формирование у обучающихся общекультурных (ОК-1, ОК-3, ОК-10, ОК-12, ОК-13,ОК-14) и профессиональных (ПК-2, ПК-3, ПК-5, ПК-6, ПК-18, ПК-22) компетенций в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 201000 «Биотехнические системы и технологии» (квалификация (степень) «Бакалавр»).
Получение:
-представления о методе математического моделирования, который применяется для изучения различных процессов, описывающих функционирование целостного организма и отдельных его систем;
-знания о функционировании организма, а также знания о развитии и лечении различных системных заболеваниях организма;
-умение построить формализованное описание объекта моделирования, исследование которого позволит управлять объектом моделирования и строить прогнозы его развития;
-опыта использования ЭВМ для решения систем дифференциальных уравнений с применением различных программных средств.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
· особенности биологического объекта, как объекта исследований;
· принципы и методы построения (формализация) и исследование математических моделей живых систем и способов их управления;
· методы представления математических моделей систем управления с сосредоточенными и распределенными параметрами;
· методы численного моделирования переходных режимов в живых системах при управляющих воздействиях;
Уметь:
· использовать математического моделирования для оптимизации лечебных воздействий;
Владеть:
· принципами и методами математического моделирования, навыками проведения компьютерных экспериментов для оценки оптимальных эффектов после лечебных воздействий;
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Теоретические основы моделирования в медицине» относится к вариативной части профессионального цикла (дисциплина по выбору).
При освоении дисциплины «Теоретические основы моделирования в медицине» обучающимся необходимо:
Знать:
· технологию разработки алгоритмов и программ, методы отладки и решения задач на ЭВМ в различных режимах;
· о методе математического моделирования для описания динамических процессов и систем;
· о функционировании организма в целом и различных его системах в норме и при наличии патологии;
Уметь:
· использовать знание английского языка в профессиональной деятельности;
· применять вычислительную технику для решения практических задач;
· ставить задачу и разрабатывать алгоритм ее решения, использовать прикладные системы программирования;
· использовать алгебраические и дифференциальные уравнения, для описания функционирования объекта моделирования и его исследования при различных возмущающих воздействиях, которыми могут являться различные методы лечебных воздействий;
Владеть:
· работой в системе MAT LAB или другими языками программирования ;
· методами описания динамических процессов во времени и решения различных дифференциальных уравнений;
Эти знания, умения и навыки должны быть приобретены в результате освоения следующих дисциплин, предшествующих дисциплине «Теоретические основы моделирования в медицине»:
- Иностранный (английский) язык; Информационные технологии; Программирование и основы алгоритмизации; Дифференциальные уравнения; Общая биология; Физика, биофизика и инженерная биофизика; Химия и биохимия.
Дисциплина является предшествующей для следующих дисциплин и практик:
- Управление в биологических системах;
- Биотехнические системы медицинского назначения;
- Динамические системы в биологии.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Теоретические основы моделирования в медицине» обучающийся частично обладает следующими компетенциями в виде знаний, умений, владений:
· владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке целей и выбору путей ее достижения (ОК-1):
- умеет обобщать и конкретизировать понятия предметной области моделирования живых систем;
- умеет анализировать предметную область для оценки эффективности лечебных воздействий;
- умеет формулировать постановку задачи для курсовой работы и решать подзадачи для ее выполнения;
· готов к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3):
- умеет работать в группе разработчиков математических моделей живых систем, выполняя роли аналитика;
· готов использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
- умеет использовать основные законы естественнонаучных дисциплин и применять методы математического моделирования для анализа результатов теоретических экспериментальных исследований в профессиональной деятельности;
· готов владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);
- умеет владеть основными методами обработки информации и навыками проведения компьютерных экспериментов;
· способен работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-13);
- умеет работать с информацией в глобальных компьютерных сетях для поиска и передачи необходимой информации;
· готов владеть одним из иностранных языков на уровне не ниже разговорного (ОК-14);
- владеет одним из иностранных языков не ниже разговорного для работы с зарубежными источниками по научной информации
· способен выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2);
- умеет словесные описания биологических процессов, происходящих в живых системах, описывать в виде физико-математических уравнений
· готов учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);
- умеет учитывать современнее тенденции развития научных представлений о живых системах и использовать это в своей профессиональной деятельности;
· готов использовать основные приемы обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);
- владеет приемами обработки экспериментальных данных, представление их в виде математических моделей и проведение компьютерных экспериментов;
· способен собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);
- умеет собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научную информацию по тематике исследования;
· способен осуществлять сбор и анализ медико-биологической и научно-технической информации, обобщать отечественный и зарубежный опыт в сфере биотехнических систем и технологий, проводить анализ патентной литературы (ПК-18);
- умеет осуществлять сбор и анализ научной информации по тематике исследований и проводить анализ патентной литературы;
· готов внедрять результаты исследований и разработок и организовывать защиту прав на объекты интеллектуальной собственности (ПК-22);
- умеет внедрять результаты научных исследований в практику и организовывать защиту прав на интеллектуальную собственность.
4. Содержание дисциплины (модуля)
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц (180 часов).
4.1. Наименование и содержание разделов дисциплины (модуля)
№ раздела | Наименование раздела | Содержание раздела |
1. | Математическое моделирование сахарного диабета (простейшая модель) | Основные понятия об углеводном обмене в организме. Блок-схема системы углеводного обмена. Построение простейшей математической модели сахарного диабета на основе модели Боли. Этапы и методы оценки параметров математической модели. Первый этап - параметры для здорового организма, второй – для больного диабетом. Исследование модели при различных режимах введения инсулина и обсуждение полученных результатов. |
2. | Математическое моделирование сахарного диабета (интегральная модель) | Интегральная модель углеводного обмена. Блок-схема транспорта глюкозы и гормонов в организме. Система уравнений, описывающих регуляцию концентрации глюкозы в крови и блок-схема, отражающая алгоритм вычислений. Система уравнений, описывающих регуляцию концентрации инсулина в крови и блок-схема алгоритма вычислений. Уравнение регуляции концентрации глюкагона в крови. Обсуждение результатов работы модели и значений ключевых параметров, определяющих область использования модели. |
3. | Математическое моделирование системы кровообращения человека. | Основное описание системы кровообращения. Понятие об отдельном участке сосудистого русла. Вывод уравнения динамики кровотока. Вывод уравнения динамики давления крови. Вывод уравнения динамики объема крови. Четырехрезервуарная модель кровообращения. Модель сердца для непрерывного потока крови. Вывод уравнения для оценки насосного коэффициента сердца |
4. | Математическая модель пульсирующего сердца. | Модель Хилла механики сердечной мышцы и ее модификации в модели . Математическое описание работы клапанов для левого и правого сердца. Математическая модель пульсирующего сердца и ее включение в модель общей системы кровообращения. Анализ расчетных и экспериментальных кривых динамики давлений крови в правом и левом сердце |
5. | Программа “Айболит” для диагностики и выбора индивидуального терапевтического лечения при сердечно-сосудистых заболеваниях | Программа “Айболит” для диагностики и выбора индивидуального терапевтического лечения при сердечно-сосудистых заболеваниях. |
4.2. Разделы дисциплины (модуля), виды учебной работы и формы аттестации
№ | Семестр* | Неделя семестра | Виды учебной работы и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости
Форма промежуточной аттестации | Макс. Кол-во баллов | |||
ЛК | ЛБ | ПР | СР | |||||
1. | 5 | 1-3 | 3 | 9 | 12 | Письменный опрос на практическом занятии | 4 | |
2. | 5 | 4-6 | 3 | 9 | 12 | Письменный опрос на практическом занятии | 4 | |
3. | 5 | 7-9 | 3 | 9 | 12 | Письменный опрос на практическом занятии | 4 | |
4. | 5 | 10-13 | 4 | 12 | 16 | Письменный опрос на практическом занятии | 4 | |
5. | 5 | 14-18 | 5 | 15 | 20 | Письменный опрос на практическом занятии | 4 | |
1-5. | 18 | 0 | 54 | 72 | Курсовая работа Экзамен | 40 40 | ||
ИТОГО: | 100 |
* Столбец включается в таблицу при 2-х и более семестрах изучения дисциплины (модуля).
4.3. Лабораторные работы
Лабораторные работы планом не предусмотрены.
4.4. Практические занятия
№ | № раздела дисциплины | Тематика практических занятий | Трудоемкость |
1. | 2 | Исследование различных режимов введения инсулина на примере решения уравнений простейшей модели сахарного диабета численными методами. | 14 |
2. | 3 | Математическая модель системы кровообращения. Исследование методов вывода уравнения для оценки насосного коэффициента сердца. | 14 |
3. | 3 | Математическая модель пульсирующего сердца. Исследование построения математического описания работы клапанов для левого и правого сердца. | 14 |
4. | 4 | Исследование графических методов диагностики различных видов патологий системы кровообращения на примере работы программы “Айболит” | 12 |
5. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 201000 Биотехнические системы и технологии (квалификация (степень) «бакалавр») удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, должен составлять не менее 20% общего объема аудиторных занятий, при этом занятия лекционного типа не могут составлять более 40% общего объема аудиторных занятий.
На практических занятиях широко используется метод активного и интерактивного обучения – анализ и решения конкретной ситуации.
Примеры конкретных ситуаций на практических занятиях и при выполнении курсовой работы:
1. исследование эффективности различных режимов введения инсулина на основании простейшей модели диабета. Выполняется в компьютерном классе при интерактивном взаимодействии преподавателя и студентов.
2. обучающиеся самостоятельно проводят модельные эксперименты в системе MATLAB для оценки эффективности различных режимов введения инсулина при диабете первого и второго типа.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы обучающихся. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
По дисциплине «Теоретические основы моделирования в медицине» в качестве самостоятельной работы предусмотрено выполнение курсовой работы.
Порядок выполнения курсовой работы:
1. Описать теоретические основы решения задания по курсовой работе.
2. Составить блок схему программы для реализации задания по курсовой работе.
3. Провести вычислительные эксперименты в рамках задания курсовой работы.
4. Сделать выводы по результатам эксперимента.
5. Оформить теоретическую часть, прикладную, результаты эксперимента и выводы согласно требованиям по оформлению курсовых работ.
Тематика курсовой работы.
1. Определение кратность введения инсулина в течение суток для нормализации суточного профиля глюкозы в крови.
2. Расчет динамики изменения уровня глюкозы и инсулина в течение суток при различных режимах и дозах инсулина.
По заданным режимам лечебных воздействий и дозам инсулина оценить степень соответствия суточного профиля глюкозы у больного диабета с нормой. Работа проводится на основе модельного компьютерного эксперимента в системе MATLAB.
Для промежуточного контроля знаний обучающихся по каждой теме практических занятий проводится письменный опрос.
Перечень вопросов для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации – в соответствии с тематикой разделов дисциплины.
Примерный перечень вопросов:
1.
Вопросы по теме: Математические модели сахарного диабета.
1. Основные понятия об углеводном обмене в организме. Схема системы углеводного обмена. Физиологические функции каждой из систем организма, участвующей в углеводном обмене. Регуляция, надежность и устойчивость работы углеводного обмена.
2. Симптомы, свидетельствующие о возникновении «сахарного диабета». Динамика изменения концентрации глюкозы и инсулина в крови для здорового организма и больного диабетом. Понятие о базальном уровне глюкозы и инсулина. Способы регуляции суточного профиля глюкозы и инсулина.
3. Простейшая математическая модель сахарного диабета. Уравнение регуляции уровня глюкозы в крови, характеристика каждого параметра.
4. Простейшая математическая модель сахарного диабета. Уравнение регуляции уровня инсулина в крови, характеристика каждого параметра.
5. Кривые поступления глюкозы из вне и их утилизация. Способы математического описания экспериментальных кривых.
6. Кривые поступления инсулина из вне и их утилизация. Способы математического описания экспериментальных кривых.
7. Простейшая математическая модель сахарного диабета. Два подхода к оценке параметров модели.
8. Практические выводы, полученные по результатам исследования режимов введения инсулина на простейшей модели сахарного диабета. Расчетные кривые суточной динамики уровня глюкозы и инсулина для здорового организма.
9. Практические выводы, полученные по результатам исследования режимов введения инсулина на простейшей модели сахарного диабета. Расчетные кривые суточной динамики уровня глюкозы и инсулина для больного организма.
10. Интегральная математическая модель углеводного обмена и ее использование. Принципиальные отличия интегральной модели от простейшей модели сахарного диабета.
11. Интегральная математическая модель углеводного обмена и ее использование Блок-схема регуляции концентрации глюкозы в крови и уравнения соответствующие этой схеме. (Блок – схема прилагается).
12. Интегральная математическая модель углеводного обмена и ее использование Блок-схема регуляции концентрации инсулина в крови и уравнения соответствующие этой схеме. (Блок – схема прилагается).
Вопросы по теме: Математическая теория кровообращения.
1. Схема кровообращения человека и ее преобразование в структурную схему по модели . Определение каждой подсистемы и соответствующие индексы. Связь между подсистемами, направление потока крови. Основные параметры модели кровообращения (динамические и физические). Понятие о сосредоточенных параметрах. Принятые допущения.
2. Обобщенный участок сосудистого русла системы кровообращения. Уравнения динамики кровотока, давления крови и объема крови.
3. Блок-схема четырехрезервуарной модели кровообращения. Уравнения для потоков крови, давления и объемов крови. Преобразование уравнений через постоянный коэффициент В.
4. Вывод уравнения насосного коэффициента для левого и правого желудочков сердца.
5. Программа «Айболит». Преобразование структурной схемы кровообращения для различных видах патологий у конкретных больных (Рисунки структурных схем прилагаются).
6. Два подхода к построению математических моделей сердца. Уравнение Франка – Старлинга для непрерывного и пульсирующего потоков крови.
7. Математическая модель пульсирующего сердца. Модель Хилла для описания работы мышц с точки зрения механических функций. Двух элементная и трех элементная математическая модель механики сердечной мышцы. Описание полного напряжения в сердечной мышце в работах Фанга и .
8. Математическая модель пульсирующего сердца. Связь уравнения механики работы сердечной мышцы с параметрами модели системы кровообращения.
Виды самостоятельной работы обучающегося, порядок и сроки ее выполнения:
– подготовка к лекциям, лабораторным работам и практическим занятиям с использованием конспекта лекций, материалов практических занятий и приведенных ниже (п.7) источников; в течение 5-го семестра;
– оформление курсовой работы и теоретическая подготовка к ее защите; в течение 5-го семестра в соответствии с расписанием занятий.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
а) основная литература:
1. Моделирование системы кровообращения для диагностики и управления ликвидацией патологических нарушений: учеб. пособие / . — М.: МИРЭА, 2010. — 100 с.
2. Очарование нанотехнологии /Перевод с немецкого / Москва, БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010, 176 с.
3. «Математические модели в иммунологии и эпидемиологии инфекционных заболеваний. М.: БИНОМ Лаборатория знаний. 2011. – 296 с.
4. Основы математического моделирования: Учеб. пособие для вузов / . — М.: Горячая линия-Телеком, 2010. — 366 с
5. Моделирование систем: Учебник для вузов / [и др.]. — М.: Академия, 2009. — 316 с.:
б) дополнительная литература:
6. Инженерная физиология и моделирование систем организма. // Монография под ред. // Новосибирск: Сиб. Отд. Издательства Наука, 1987, 238 с.
7. Лищук теория кровообращения. – М.: Медицина, 1991, 256 с. , Асаченков моделирование инфекционных заболеваний. // Вычислительные процессы и системы. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985, с. 5 – 9.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. http://www. /
2. http://matlab. *****/
3. www. *****
4. http://konstb. *****/liter/InfTech. html
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
Лекционная аудитория должна быть оснащена презентационным оборудованием (персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран, программа для создания и проведения презентаций, например, Microsoft Office PowerPoint).
Компьютерный класс ИПУ РАН.
Процессор | Pentium 4, 1 ГГц и выше. |
Операционная система | Windows XP или более поздняя версия. |
Память | 1 ГБ ОЗУ |
Дисковое пространство | 40 ГБ,. |
Монитор | Super VGA (800 ´ 600) или более высокое разрешение с 256 цветами. |
Указывающее устройство | Microsoft Mouse, Microsoft IntelliMouse или совместимое указывающее устройство. |
Для проведения лабораторных работ и практических занятий необходим компьютерный класс с установленной программой Microsoft Visual Studio 2008, MatLab 6.5 + Simulink 4.0 или более поздние их версии.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии» и профилю подготовки «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»
Бабушкина
Программа одобрена на заседании кафедры
(протокол № ___ от «___» _______ 20__ г.)
Заведующий кафедрой БМЭ
