Программное обеспечение математического моделирования объекта криотерапевтического воздействия

3.3  ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО  ВОЗДЕЙСТВИЯ

Поставленные экспериментальные задачи предполагают проведение  большого объёма численных экспериментов, направленных как на оптимизацию технологии криотерапевтического воздействия, так и на исследование тепловых процессов в криотерапевтическом комплексе в целом.  С учетом этого для моделирования поведения объекта криотерапевтического воздействия (оболочки тела пациента) в условиях интенсивного внешнего отвода теплоты, было разработано программное обеспечение с высоким уровнем дезинтеграции. Построение математического эксперимента на базе большого числа совместимых подпрограмм  и функций позволяет сократить объём машинного и рабочего времени при подготовке численного эксперимента и унифицирует решаемые задачи. Все подпрограммы, используемые в биологической части математического эксперимента сосредоточены в большом программном модуле BIOTEXT.TPU.

Программные продукты, использованные в численном эксперименте, построены на алгоритмическом языке Turbo Pascal 7.0. В этой программной среде возможно формирование особого вида программных продуктов - так называемых TPU-модулей. TPU-модули представляют собой исполняемые файлы, которые становятся доступными после упоминания их в заголовке программы. Применение TPU-модулей, как стандартных, так и специальных, значительно сокращает объём текста конкретной программы и уменьшает число ошибок при формировании новых программных продуктов за счёт широкого применения ранее отлаженных программных документов. Примером применительно к поставленной задаче был разработан TPU-модуль BIOTEXT.TPU. , который включает в себя комплекс подпрограмм и функций, обеспечивающих имитацию поведения биологического объекта во время его принудительного охлаждения криогенной газовой средой. В конечном счете , подпрограммы модуля обеспечивают вычисление изменения теплосодержания в узловых точках моделируемого объекта искусственного охлаждения. Наряду с вычислением текущего теплового баланса моделируемой системы, подпрограммы и функции модуля автоматически определяют условия однозначности математической модели. По данным поступающим из основного программного модуля определяют  граничные условия для наружного слоя объекта, т.е. рассчитывают интенсивность конвективного отвода теплоты. Однозначно определяют перенос  теплоты на границе оболочки ядра тела. Формируют начальные условия, т.е. задают распределение температур во всех точках моделируемого объекта до начала искусственного охлаждения. Благодаря большому объему встроенных математических констант, объект криотерапевтического воздействия во всех экспериментах обладает Одинаковыми характеристиками, что соответствует действительной физической картине, так как и на практике варьируются только внешние условия охлаждения, а объект низкотемпературного воздействия остается неизменным.

Ниже приводится обзор основных программных подпрограмм, использованных для построения численного эксперимента. 

Моделирование процессов  переноса теплоты  в биологических объектах основано на использовании физических свойств, характеризующих слои, через которые энергия переносится теплопроводностью. Для систематизации данных о физических свойствах моделируемых слоев и упрощения доступа к ним стандартные характеристики покровообразующих слоёв (эпителий, жировая ткань и мышечная ткань) хранятся в виде подпрограммы BOCONST. При каждом обращении подпрограмма BOCONST возвращает во внешний программный модуль несколько одномерных массивов, которые  содержат основные физические характеристики  тканей: теплоёмкость,  теплопроводность, влагосодержание, плотность, величину энтальпии в точке начала дефростации и тепловыделение от метаболистических процессов в единице массы.

Физические свойства (теплопроводность, теплоёмкость, плотность и влагосодержание) слоёв, образующих оболочку тела, существенно различаются. Поэтому при выполнении вычислений в каждой узловой точке моделируемого объекта необходимо учитывать тип ткани слоя, в состав которого входит данная точка. Для упрощения учёта строения моделируемого объекта в подпрограммах образующих  математическую модель используются целочисленный индекс ns_i, по которому производятся констант для вычисления текущих значений теплоёмкости, теплопроводности, влагосодержания и т.д. для каждой материальной точки. С точки зрения организации вычислительного процесса массив ns_i,  является основой формирования условий однозначности численного эксперимента, так как обеспечивает геометрическую достоверность математической модели.   Для упрощения подготовки численного эксперимента формирование целочисленного массива ns_i,  автоматизировано. Для чего программном модуле BIOTEXT используется подпрограмма BIO_NSS, которая формирует целочисленный массив по данным о толщине эпителиального и жирового слоя. Алгоритм формирования массива NSS приведён на рис. … Программа вычисляет текущую координату элементарного участка  и сравнивает значение этой координаты с заданными границами моделируемых слоёв. В зависимости от результата вычислений целочисленный массив получает одно из трёх значений: индекс 1 соответствует мышечной ткани, индекс 2 - эпителиальной ткани, индекс 3 – жировой ткани. Учитывая, что при вычислениях проще пользоваться целочисленными индексами, для обозначения границ моделируемых слоёв удобно задавать целочисленные индексы точек, в которых происходит смена физических свойств. В частности,  для контроля за соблюдением условий гипотермической безопасности, в ходе численного эксперимента необходимо контролировать температуру оболочки на границах покровообразующих слоев.  Для этого удобно определить номер узловых точек  находящихся на границе покровных слоев.  Граница между эпителием и жировой тканью обозначена индексом , границу между жировой тканью и мышечной тканью индексом . Вычисление значений этих индексов происходит с учётом заданных геометрических размеров слоёв. Подпрограмма BIO_NSS запускается при первичном обращении к программе, т.е. в тот момент, когда моделируемое время эксперимента равно нулю. Вызов программы происходит из основной стартовой подпрограммы BIOSTART.