Vývoj simulačního SW modelu umělého krevního řečiště s integrovaným metabolismem glukózy

Abstract

Práce se zabývá vývojem simulačního softwarového modelu umělého krevního řečiště s integrovaným metabolismem glukózy. Na základě matematického popisu kardiovaskulárního systému a glukózové kinetiky byl sestaven modulární model složený z pěti vzájemně provázaných bloků: modelu srdce, rezervoáru, dialyzátoru, katetru a flow cely s GOD senzorem. Model byl implementován v prostředí REXYGEN s numerickou integrací metodou Runge-Kutta 4. řádu. Součástí práce je popis fyzického modelu a experimentální měření provedené při dvou bolusových aplikacích glukózy o koncentracích 555~mmol/l a 1110~mmol/l. Identifikace parametrů softwarového modelu byla formulována jako optimalizační úloha minimalizující odchylku simulovaného a naměřeného ustáleného stavu, přičemž byl využit globální evoluční optimalizátor jDE. Softwarový model úspěšně reprodukoval všechny tři referenční ustálené stavy fyzického modelu PRE, POST a POST2 s odchylkou do 3~\%. Dynamika přechodového děje po aplikaci bolusu nebyla v současné fázi reprodukována z důvodu omezené identifikovatelnosti úlohy. Práce navrhuje postup dalšího rozvoje zahrnující identifikaci z dynamického průběhu a využití dynamického modelu katetru jako předpokladu pro přechod k digitálnímu dvojčeti systému.

This thesis deals with the development of a simulation software model of an artificial bloodstream with an integrated glucose metabolism. Based on the mathematical description of the cardiovascular system and glucose kinetics, a modular model was assembled consisting of five interconnected blocks, namely the heart model, reservoir, dialyzer, catheter and flow cell with GOD sensor. The model was implemented in the REXYGEN environment with numerical integration using the fourth-order Runge-Kutta method. The thesis includes a description of the physical model and experimental measurements performed during two bolus glucose applications with concentrations of 555~mmol/l and 1110~mmol/l. Parameter identification of the software model was formulated as an optimization problem minimizing the deviation between the simulated and measured steady-state output, using the global evolutionary optimizer jDE. The software model successfully reproduced all three reference steady states of the physical model PRE, POST and POST2 with a deviation of less than 3~\%. The dynamics of the transient response after bolus application were not reproduced at this stage due to limited identifiability of the optimization problem. The thesis proposes a further development plan including identification from dynamic data and the use of a dynamic catheter model as a prerequisite for the transition to a digital twin of the system.