JP5102439B2 - Simulation system and computer program - Google Patents
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Description
この発明は、生体中の対象物質の濃度の時間変化をシミュレートするシミュレーションシステム及びコンピュータを当該シミュレーションシステムとして機能させるためのコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a simulation system for simulating a change in concentration of a target substance in a living body over time and a computer program for causing a computer to function as the simulation system.
生体中の物質濃度、特に血糖値と血中インスリン濃度については、糖尿病の診断に代表される医学上の理由から、これまでにも数値モデルを用いた記述が試みられてきた。 Descriptions of substance concentrations in living bodies, particularly blood glucose levels and blood insulin concentrations, have been attempted using numerical models for medical reasons represented by diabetes diagnosis.
ここで使用されるモデルとしては、例えばバーグマンのミニマルモデルを挙げることができる(例えば、非特許文献1及び非特許文献2参照)。
Examples of the model used here include Bergman's minimal model (see, for example, Non-Patent
このミニマルモデルは、血糖値、血漿インスリン濃度および末梢組織のインスリン作用点におけるインスリン作用量すなわちリモートインスリンを変数とする。ここで、時刻tにおける血糖値をG(t)、血漿インスリン濃度をI(t)、リモートインスリンをX(t)とすると、 G(t)、I(t)、X(t)はそれぞれ時間微分を左辺とする下記の微分方程式で記述される。 In this minimal model, the blood glucose level, plasma insulin concentration, and the amount of insulin action at the insulin action point of peripheral tissues, that is, remote insulin are variables. Here, assuming that the blood glucose level at time t is G (t), the plasma insulin concentration is I (t), and the remote insulin is X (t), G (t), I (t) and X (t) are time It is described by the following differential equation with the differential on the left side.
dG(t)/dt = -p1(G(t)-Gb)-X(t)・G(t)
dX(t)/dt = -p2・X(t)+p3(I(t)-Ib)
dI(t)/dt = -n(I(t)-Ib)+γ(G(t)-h) (ただし G(t)>h)
= -n(I(t)-Ib)+γ(G(t)-h) (ただし G(t)≦h)
ここで、式中の各パラメータは、
p1:インスリン非依存性ブドウ糖代謝速度
Gb: 血糖値基底値
p2:インスリンの作用点におけるインスリン取り込み能
p3:インスリン依存性ブドウ糖代謝に対するインスリン消費率
Ib:インスリン濃度基底値
n:単位時間あたりのインスリン消費量
γ:ブドウ糖刺激に対するインスリン分泌感度
h:インスリン分泌が開始される血糖値しきい値
であって、これらは各個人によって異なる値をセットすることができる。
dG (t) / dt = -p1 (G (t) -Gb) -X (t) ・ G (t)
dX (t) / dt = -p2 ・ X (t) + p3 (I (t) -Ib)
dI (t) / dt = -n (I (t) -Ib) + γ (G (t) -h) (G (t)> h)
= -n (I (t) -Ib) + γ (G (t) -h) (G (t) ≤h)
Where each parameter in the equation is
p1: Insulin-independent glucose metabolism rate
Gb: Blood glucose level
p2: Insulin uptake at the site of insulin action
p3: Insulin consumption rate for insulin-dependent glucose metabolism
Ib: Base value of insulin concentration
n: Insulin consumption per unit time γ: Insulin secretion sensitivity to glucose stimulation
h: blood glucose thresholds at which insulin secretion is initiated, and these can be set differently for each individual.
また、他の血糖値再現手法としては、糖尿病患者における血糖値予測の方法が挙げられる(例えば、特許文献1参照)。 In addition, as another blood glucose level reproduction method, there is a blood glucose level prediction method in a diabetic patient (for example, see Patent Document 1).
元来生体においては、血糖値の刺激に応じてインスリンを分泌する膵臓、インスリン濃度と血糖値に応じて血液中からグルコースを取り込みまたは血液中にグルコースを放出する肝臓、インスリンを末梢組織に分配する循環動態系、インスリンの作用を受けてグルコースを代謝する末梢組織という4ブロックが相互に関連して血糖値を制御している。しかしながら、上述したミニマルモデルでは、モデルの構成要素が上記生体の4ブロックとは対応しない抽象的な要素となっており、生体の血糖値変動、インスリン濃度変動をシミュレーションした結果を生体の4ブロックと関連づけて考えることが困難である。また、特許文献1に開示されている方法では、血糖値の予測を行うことは可能であるが、血糖制御に関する器官の状態を知ることはできない。
Originally, in the living body, the pancreas secretes insulin in response to stimulation of blood glucose level, the liver takes in glucose from or releases glucose in blood depending on insulin concentration and blood glucose level, and distributes insulin to peripheral tissues Four blocks, the peripheral system that metabolizes glucose under the action of the circulatory system and insulin, control blood glucose levels in relation to each other. However, in the minimal model described above, the components of the model are abstract elements that do not correspond to the four blocks of the living body, and the simulation results of the blood sugar level fluctuation and the insulin concentration fluctuation of the living body are expressed as four blocks of the living body. It is difficult to think in relation. Further, with the method disclosed in
この発明は、以上のような状況を考慮したものであり、生体の対象物質であるグルコース及び/又はインスリンの濃度の時間変化を、生体の構成要素(器官)のうちの膵臓、肝臓、インスリン動態および末梢組織と容易に対応させてシミュレートすることが可能なシミュレーションシステムシステム及びコンピュータを当該シミュレーションシステムとして機能させるためのコンピュータプログラムを提供することを目的とする。 The present invention takes the above-described circumstances into consideration, and changes in the concentration of glucose and / or insulin , which are target substances of a living body, with time , pancreas, liver, and insulin dynamics among the components (organs) of the living body. Another object of the invention is to provide peripheral tissues and readily made to correspond to a simulation system system and computer capable of simulating a computer program to function as the simulation system.
本発明に係るシミュレーションシステムは、記憶手段およびデータ入力手段を備えたコンピュータを用いて生体中の対象物質としてグルコース及び/又はインスリンの濃度の時間変化をシミュレートするシミュレーションシステムであって、
前記記憶手段が、前記対象物質に関する膵臓、肝臓、インスリン動態および末梢組織の機能が下記の微分方程式:
dY/dt=−α{Y(t)−β(BG(t)−h)} (但し、BG(t)>h)
=−α・Y(t)(但し、BG(t)≦h)
dX/dt=−M・X(t)+Y(t)
SR(t)=M・X(t)
RGout(t)=P1(Gb−BG(t))−P2・SR(t)・BG(t)+Goff(但し、BG(t)<Gb)
=−P2・SR(t)・BG(t)+Goff(但し、BG(t)≧Gb)
SRpost(t)=K・SR(t)
dI1(t)/dt=−A3・I1(t)+A5・I2(t)+A4・I3(t)+SRpost(t)
dI2(t)/dt=A6・I1(t)−A5・I2(t)
dI3(t)/dt=A2・I1(t)−A1・I3(t)
dBG(t)/dt=−K1・BG(t)−K2・I3(t)・BG(t)+RG(t)+RGout(t)
(但し、BG(t)は血中グルコース濃度、X(t)は膵臓から分泌可能なインスリン総量、Y(t)はグルコース刺激に対して新たに供給されるインスリン供給速度、SR(t)は膵臓からのインスリン分泌速度、RGout(t)は肝臓からの正味グルコース、SRpost(t)は肝臓通過後のインスリン、I1(t)は血中インスリン濃度、I2(t)はインスリン非依存組織でのインスリン濃度、I3(t)は末梢組織でのインスリン濃度、RG(t)は消化管からのグルコース吸収を表す変数であり、hはインスリン供給を刺激できるグルコース濃度のしきい値、αはグルコース刺激に対する追従性、βはグルコース刺激に対する感受性、Mは単位濃度あたりの分泌速度、Gbはグルコース濃度基底値、P1はGb以下のグルコース刺激に対するグルコース産生速度、P2は単位インスリン、単位グルコースあたりの肝臓糖取り込み速度、Kは肝臓でのインスリン取り込み率、Goffは基礎代謝に対するグルコース放出速度、A1は末梢組織でのインスリン消失速度、A2は末梢組織へのインスリン分配率、A3は肝臓通過後のインスリン分配速度、A4は末梢組織通過後のインスリン流出速度、A5はインスリン非依存組織でのインスリン消失速度、A6はインスリン非依存組織へのインスリン分配率、K1は末梢組織でのインスリン非依存グルコース消費速度、K2は末梢組織でのインスリン依存グルコース消費速度を表すパラメータである。)で記述された生体シミュレーションモデルを含むアプリケーションプログラムを記憶しており、
前記データ入力手段が、経口ブドウ糖負荷試験によって得られたグルコース濃度及び/又はインスリン濃度の時系列データを入力可能であり、
前記アプリケーションプログラムを実行することにより前記コンピュータを、
前記記憶手段に記憶された生体シミュレーションモデルを記述した前記微分方程式を用いて、前記生体器官の活動を模擬し、生体中の前記対象物質の濃度を逐次的に算出する算出手段、および
前記微分方程式のパラメータ値の組を複数生成し、算出手段によって算出される前記対象物質の濃度のデータが、前記データ入力手段によって入力された時系列データと最も近似するパラメータ値の組を、前記複数生成されたパラメータ値の組の中から取得する取得手段として機能させ、
取得手段によって取得された各パラメータ値をセットした前記微分方程式で記述された生体シミュレーションモデルによって生体中の対象物質の濃度の時間変化をシミュレートすることが可能となる。
A simulation system according to the present invention is a simulation system for simulating a temporal change in the concentration of glucose and / or insulin as a target substance in a living body using a computer having storage means and data input means ,
The storage means has the following differential equations in which pancreas, liver, insulin kinetics and peripheral tissue functions relating to the target substance are:
dY / dt = −α {Y (t) −β (BG (t) −h)} (where BG (t)> h)
= −α · Y (t) (However, BG (t) ≦ h)
dX / dt = −M · X (t) + Y (t)
SR (t) = M · X (t)
RGout (t) = P1 (Gb−BG (t)) − P2 · SR (t) · BG (t) + Goff (where BG (t) <Gb)
= −P2 · SR (t) · BG (t) + Goff (where BG (t) ≧ Gb)
SRpost (t) = K · SR (t)
dI1 (t) / dt = −A3 · I1 (t) + A5 · I2 (t) + A4 · I3 (t) + SRpost (t)
dI2 (t) / dt = A6 · I1 (t) −A5 · I2 (t)
dI3 (t) / dt = A2 · I1 (t) −A1 · I3 (t)
dBG (t) / dt = −K1 · BG (t) −K2 · I3 (t) · BG (t) + RG (t) + RGout (t)
(Where BG (t) is the blood glucose concentration, X (t) is the total amount of insulin that can be secreted from the pancreas, Y (t) is the insulin supply rate that is newly supplied in response to glucose stimulation, and SR (t) is Insulin secretion rate from the pancreas, RGout (t) is net glucose from the liver, SRpost (t) is insulin after passing through the liver, I1 (t) is blood insulin concentration, I2 (t) is in insulin-independent tissue Insulin concentration, I3 (t) is the insulin concentration in peripheral tissues, RG (t) is a variable representing glucose absorption from the gastrointestinal tract, h is a threshold of glucose concentration that can stimulate insulin supply, α is glucose stimulation , Β is the sensitivity to glucose stimulation, M is the secretion rate per unit concentration, Gb is the glucose concentration base value, and P1 is glucose below Gb Glucose production rate in response to pulmonary stimulation, P2 is unit insulin, liver glucose uptake rate per unit glucose, K is liver insulin uptake rate, Goff is glucose release rate relative to basal metabolism, A1 is insulin disappearance rate in peripheral tissues, A2 Is the rate of insulin distribution to the peripheral tissue, A3 is the rate of insulin distribution after passing through the liver, A4 is the rate of insulin efflux after passing through the peripheral tissue, A5 is the rate of insulin disappearance in the insulin-independent tissue, and A6 is the rate to the insulin-independent tissue insulin distribution rate, K1 is insulin independent glucose consumption rate in peripheral tissues, K2 is stored an application program including a parameter a is.) biological simulation model described in representing the insulin-dependent glucose consumption rate in peripheral tissues And
The data input means can input time series data of glucose concentration and / or insulin concentration obtained by oral glucose tolerance test ,
By executing the application program, the computer
Using the differential equation describing the biological simulation model stored in the storage means, a calculation means for simulating the activity of the biological organ and sequentially calculating the concentration of the target substance in the living body ; and
Wherein the set of parameter values of the differential equation generates a plurality, data of the concentration of the target substance to be calculated by the calculation means, a set of parameter values that best approximates the time series data input by said data input means, said to function as a acquisition means for acquiring from among the set of the plurality generated parameter values,
It is possible to simulate the temporal change of the concentration of the target substance in vivo by biological simulation model described by the differential equation of the parameter value was set that has been acquired by the acquisition means.
本発明のコンピュータプログラムは、コンピュータを、上述したシミュレーションシステムとして機能させるためのコンピュータプログラムである。これにより、生体の器官として、膵臓、肝臓、インスリン動態および末梢組織の機能が上記の微分方程式で記述された生体シミュレーションモデルによって、実際の生体の膵臓、肝臓、インスリン動態および末梢組織毎の活動に整合させて対象物質であるグルコース及び/又はインスリンの濃度の時間変化をシミュレートすることが可能となる。
The computer program of the present invention is a computer program for causing a computer to function as the above-described simulation system. As a result, the biological simulation model in which the functions of the pancreas, liver, insulin and peripheral tissues are described in the above differential equations as the organs of the living body. It is possible to match and simulate the time change of the concentration of the target substance glucose and / or insulin.
この発明によれば、実際の生体の膵臓、肝臓、インスリン動態および末梢組織毎の活動に整合させて対象物質であるグルコース及び/又はインスリンの濃度の時間変化をシミュレートすることが可能となり、医学的にその意味を理解しやすいシミュレーションを行うことができる。
According to the invention, the pancreas of biological actual, liver, it is possible to simulate the temporal change of the concentration of glucose and / or insulin, the subject material matched to the insulin kinetics and peripheral tissues per activity, It is possible to perform a simulation that is easy to understand medically.
以下、図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明が限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below based on the embodiments shown in the drawings. However, this does not limit the present invention.
図1は、本発明の実施の形態に係るシミュレーションシステムのハードウェア構成を示すブロック図である。本実施の形態に係るシミュレーションシステム100は、本体110と、ディスプレイ120と、入力デバイス130とから主として構成されたコンピュータ100aによって構成されている。本体110は、CPU110aと、ROM110bと、RAM110cと、ハードディスク110dと、読出装置110eと、入出力インタフェース110fと、通信インタフェース110gと、画像出力インタフェース110hとから主として構成されており、CPU110a、ROM110b、RAM110c、ハードディスク110d、読出装置110e、入出力インタフェース110f、および画像出力インタフェース110hは、バス110iによってデータ通信可能に接続されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a hardware configuration of a simulation system according to an embodiment of the present invention. The
CPU110aは、ROM110bに記憶されているコンピュータプログラムおよびRAM110cにロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。そして、後述するようなアプリケーションプログラム140aを当該CPU110aが実行することにより、後述するような各機能ブロックが実現され、コンピュータ100aがシミュレーションシステム100として機能する。
The
ROM110bは、マスクROM、PROM、EPROM、EEPROM等によって構成されており、CPU110aに実行されるコンピュータプログラムおよびこれに用いるデータ等が記録されている。
The
RAM110cは、SRAMまたはDRAM等によって構成されている。RAM110cは、ROM110bおよびハードディスク110dに記録されているコンピュータプログラムの読み出しに用いられる。また、これらのコンピュータプログラムを実行するときに、CPU110aの作業領域として利用される。
The
ハードディスク110dは、オペレーティングシステムおよびアプリケーションプログラム等、CPU110aに実行させるための種々のコンピュータプログラムおよび当該コンピュータプログラムの実行に用いるデータがインストールされている。後述するアプリケーションプログラム140aも、このハードディスク110dにインストールされている。
The
読出装置110eは、フレキシブルディスクドライブ、CD−ROMドライブ、またはDVD−ROMドライブ等によって構成されており、可搬型記録媒体140に記録されたコンピュータプログラムまたはデータを読み出すことができる。また、可搬型記録媒体140には、コンピュータを本発明に係るシミュレーションシステムとして機能させるためのアプリケーションプログラム140aが格納されており、コンピュータ100aが当該可搬型記録媒体140から本発明に係るアプリケーションプログラム140aを読み出し、当該アプリケーションプログラム140aをハードディスク110dにインストールすることが可能である。
The
なお、前記アプリケーションプログラム140aは、可搬型記録媒体140によって提供されるのみならず、電気通信回線(有線、無線を問わない)によってコンピュータ100aと通信可能に接続された外部の機器から前記電気通信回線を通じて提供することも可能である。例えば、前記アプリケーションプログラム140aがインターネット上のサーバコンピュータのハードディスク内に格納されており、このサーバコンピュータにコンピュータ100aがアクセスして、当該コンピュータプログラムをダウンロードし、これをハードディスク110dにインストールすることも可能である。
The
また、ハードディスク110dには、例えば米マイクロソフト社が製造販売するWindows(登録商標)等のグラフィカルユーザインタフェース環境を提供するオペレーティングシステムがインストールされている。以下の説明においては、本実施形態に係るアプリケーションプログラム140aは当該オペレーティングシステム上で動作するものとしている。
The
入出力インタフェース110fは、例えばUSB,IEEE1394,RS-232C等のシリアルインタフェース、SCSI,IDE,IEEE1284等のパラレルインタフェース、およびD/A変換器、A/D変換器等からなるアナログインタフェース等から構成されている。入出力インタフェース110fには、キーボードおよびマウスからなる入力デバイス130が接続されており、ユーザが当該入力デバイス130を使用することにより、コンピュータ100aにデータを入力することが可能である。
The input / output interface 110f includes, for example, a serial interface such as USB, IEEE1394, and RS-232C, a parallel interface such as SCSI, IDE, and IEEE1284, and an analog interface including a D / A converter and an A / D converter. ing. An
画像出力インタフェース110hは、LCDまたはCRT等で構成されたディスプレイ120に接続されており、CPU110aから与えられた画像データに応じた映像信号をディスプレイ120に出力するようになっている。ディスプレイ120は、入力された映像信号にしたがって、画像(画面)を表示する。
The
図2は、この発明の実施の形態に係るシミュレーションシステムの概念的構成を示す機能ブロック図である。図2に示すように、この発明のシミュレーションで用いる生体シミュレーションモデル140bは、膵臓ブロック1、肝臓ブロック2、インスリン動態ブロック3、末梢組織ブロック4とから構成され、各ブロックはそれぞれ入力と出力を持つ。
FIG. 2 is a functional block diagram showing a conceptual configuration of the simulation system according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the biological simulation model 140b used in the simulation of the present invention includes a
膵臓ブロック1は、血中グルコース濃度6を入力とし、インスリン分泌速度7を出力とする。肝臓ブロック2は、血中グルコース濃度6とインスリン分泌速度7を入力とし、正味グルコース放出8と肝臓通過後インスリン9を出力とする。インスリン動態ブロック3は、肝臓通過後インスリン9を入力とし、末梢組織でのインスリン濃度10を出力とする。末梢組織ブロック4は、正味グルコース放出8と、外部からのグルコース吸収5と、末梢組織でのインスリン濃度10を入力とし、血中グルコース濃度6を出力とする。グルコース吸収5は、外部から与えられるデータであり、この機能は例えば入力デバイス130を用いてユーザが検査データ等を入力することにより実現される。また、それぞれの機能ブロック1〜4は、アプリケーションプログラム140aがCPU110aにより実行されることにより実現される。
The
以下に、本実施例における各ブロックの詳細を示す。 Details of each block in this embodiment will be described below.
膵臓ブロック1の入出力の関係は、以下に示す微分方程式1を用いて記述される。また、微分方程式1と等価な、図3に示すブロック線図を用いて表現することもできる。
<微分方程式1>
dY/dt = -α{Y(t)-β(BG(t)-h)} (ただし、BG(t)>h)
= -α・Y(t) (ただし、BG(t)≦h)
dX/dt = -M・X(t)+Y(t)
SR(t) = M・X(t)
<変数>
BG(t):血中グルコース濃度
X(t):膵臓から分泌可能なインスリン総量
Y(t):グルコース刺激に対して新たに供給されるインスリン供給速度
SR(t):膵臓からのインスリン分泌速度
<パラメータ>
h:インスリン供給を刺激できるグルコース濃度のしきい値
α:グルコース刺激に対する追従性
β:グルコース刺激に対する感受性
M:単位濃度あたりの分泌速度
ここで、図2における膵臓ブロックへの入力である、血中グルコース濃度6は、BG(t)と対応する。図2における膵臓ブロックの出力である、インスリン分泌速度7は、SR(t)と対応する。
The input / output relationship of the
<
dY / dt = -α {Y (t) -β (BG (t) -h)} (where BG (t)> h)
= -α ・ Y (t) (However, BG (t) ≦ h)
dX / dt = -M ・ X (t) + Y (t)
SR (t) = M ・ X (t)
<Variable>
BG (t): Blood glucose level
X (t): Total amount of insulin that can be secreted from the pancreas
Y (t): Newly supplied insulin supply rate for glucose stimulation
SR (t): rate of insulin secretion from the pancreas <parameter>
h: threshold of glucose concentration that can stimulate insulin supply α: follow-up to glucose stimulus β: sensitivity to glucose stimulus
M: Secretion rate per unit concentration Here, the blood glucose concentration 6 which is an input to the pancreas block in FIG. 2 corresponds to BG (t). The insulin secretion rate 7, which is the output of the pancreas block in FIG. 2, corresponds to SR (t).
図3のブロック線図において、11は血中グルコース濃度(血糖値)BG、12はインスリン供給を刺激できるグルコース濃度のしきい値H、13はグルコース刺激に対する感受性β、14はグルコース刺激に対する追従性α、15は積分要素、16はグルコース刺激に対して新たに供給されるインスリン供給速度Y、17は積分要素、18は膵臓から分泌可能なインスリン総量X、19は単位濃度あたりの分泌速度M、20は膵臓からのインスリン分泌速度SRをそれぞれ示す。 In the block diagram of FIG. 3, 11 is blood glucose concentration (blood glucose level) BG, 12 is a glucose concentration threshold value H that can stimulate insulin supply, 13 is sensitivity β to glucose stimulation, and 14 is followability to glucose stimulation. α, 15 is an integral element, 16 is an insulin supply rate Y newly supplied in response to glucose stimulation, 17 is an integral element, 18 is a total amount of insulin X that can be secreted from the pancreas, 19 is a secretion rate M per unit concentration, 20 indicates the insulin secretion rate SR from the pancreas.
肝臓ブロック2の入出力の関係は、以下に示す微分方程式2を用いて記述される。また、微分方程式2と等価な、図4に示すブロック線図を用いて表現することもできる。
<微分方程式2>
RGout(t) = P1(Gb-BG(t))-P2・SR(t)・BG(t)+Goff (ただし、BG(t)<Gb)
= -P2・SR(t)・BG(t)+Goff (ただし、BG(t)≧Gb)
SRpost(t) = K・SR(t)
<変数>
BG(t):血中グルコース濃度
SR(t):膵臓からのインスリン分泌速度
RGout(t):肝臓からの正味グルコース
SRpost(t):肝臓通過後のインスリン
<パラメータ>
Gb:グルコース濃度基底値
P1:Gb以下のグルコース刺激に対するグルコース産生速度
P2:単位インスリン、単位グルコースあたりの肝臓糖取り込み速度
K:肝臓でのインスリン取り込み率
Goff:基礎代謝に対するグルコース放出速度
ここで、図2における肝臓ブロックへの入力である、血中グルコース濃度6は、BG(t)、インスリン分泌速度7はSR(t)と対応する。図2における肝臓ブロックの出力である、正味グルコース放出8はRGout(t)、肝臓通過後インスリン9はSRpost(t)と対応する。
The input / output relationship of the
<
RGout (t) = P1 (Gb-BG (t))-P2 ・ SR (t) ・ BG (t) + Goff (However, BG (t) <Gb)
= -P2 ・ SR (t) ・ BG (t) + Goff (However, BG (t) ≧ Gb)
SRpost (t) = K ・ SR (t)
<Variable>
BG (t): Blood glucose level
SR (t): rate of insulin secretion from the pancreas
RGout (t): Net glucose from the liver
SRpost (t): Insulin after passing through liver <Parameter>
Gb: Base value of glucose concentration
Glucose production rate in response to glucose stimulation below P1: Gb
P2: Liver glucose uptake rate per unit insulin and unit glucose
K: Insulin uptake rate in the liver
Goff: Glucose release rate relative to basal metabolism Here, the blood glucose concentration 6 which is an input to the liver block in FIG. 2 corresponds to BG (t), and the insulin secretion rate 7 corresponds to SR (t). The
図4のブロック線図において、21は血中グルコース濃度(血糖値)BG、22は膵臓からのインスリン分泌速度SR、23はグルコース濃度基底値Gb、24はGb以下のグルコース刺激に対するグルコース産生速度P1、25は単位インスリン単位グルコースあたりの肝臓糖取り込み速度P2、26は肝臓でのインスリン取り込み率K、27は基礎代謝に対するグルコース放出速度Goff、28は肝臓からの正味グルコースRGout、29は肝臓通過後のインスリンSRpostをぞれぞれ示す。 In the block diagram of FIG. 4, 21 is the blood glucose concentration (blood glucose level) BG, 22 is the insulin secretion rate SR from the pancreas, 23 is the glucose concentration base value Gb, and 24 is the glucose production rate P1 for glucose stimulation below Gb. , 25 is the liver glucose uptake rate P2 per unit insulin unit glucose, 26 is the insulin uptake rate K in the liver, 27 is the glucose release rate Goff relative to the basal metabolism, 28 is the net glucose RGout from the liver, 29 is the post-liver passage Insulin SRpost is shown.
インスリン動態ブロック3の入出力の関係は、以下に示す微分方程式3を用いて記述される。また、微分方程式3と等価な、図5に示すブロック線図を用いて表現することもできる。
<微分方程式3>
dI1(t)/dt = -A3・I1(t)+A5・I2(t)+A4・I3(t)+SRpost(t)
dI2(t)/dt = A6・I1(t)-A5・I2(t)
dI3(t)/dt = A2・I1(t)-A1・I3(t)
<変数>
SRpost(t):肝臓通過後のインスリン
I1(t):血中インスリン濃度
I2(t):インスリン非依存組織でのインスリン濃度
I3(t):末梢組織でのインスリン濃度
<パラメータ>
A1:末梢組織でのインスリン消失速度
A2:末梢組織へのインスリン分配率
A3:肝臓通過後のインスリン分配速度
A4:末梢組織通過後のインスリン流出速度
A5:インスリン非依存組織でのインスリン消失速度
A6:インスリン非依存組織へのインスリン分配率
ここで、図2におけるインスリン動態ブロックへの入力である、肝臓通過後のインスリン9は、SRpost(t)と対応する。図2におけるインスリン動態ブロックの出力である、末梢組織でのインスリン濃度10はI3(t)と対応する。
The input / output relationship of the insulin
<
dI1 (t) / dt = -A3 ・ I1 (t) + A5 ・ I2 (t) + A4 ・ I3 (t) + SRpost (t)
dI2 (t) / dt = A6 ・ I1 (t) -A5 ・ I2 (t)
dI3 (t) / dt = A2 ・ I1 (t) -A1 ・ I3 (t)
<Variable>
SRpost (t): Insulin after passing through the liver
I1 (t): Blood insulin concentration
I2 (t): Insulin concentration in non-insulin dependent tissues
I3 (t): Insulin concentration in peripheral tissues <parameter>
A1: Insulin disappearance rate in peripheral tissues
A2: Insulin distribution rate to peripheral tissues
A3: Insulin distribution rate after passing through the liver
A4: Insulin flow rate after passing through peripheral tissues
A5: Insulin disappearance rate in non-insulin dependent tissues
A6: Insulin distribution rate to non-insulin-dependent tissue Here, the insulin 9 after passing through the liver, which is an input to the insulin dynamic block in FIG. 2, corresponds to SRpost (t). The
図5のブロック線図において、31は肝臓通過後のインスリンSRpost、32は積分要素、33は肝臓通過後のインスリン分配速度A3、34および35は血中インスリン濃度I1、36は末梢組織へのインスリン分配率A2、37は積分要素、38および39は末梢組織でのインスリン濃度I3、40は末梢組織でのインスリン消失速度A1、41は末梢組織通過後のインスリン流出速度A4、42はインスリン非依存組織へのインスリン分配率A6、43は積分要素、44はインスリン非依存組織でのインスリン濃度I2、45はインスリン非依存組織でのインスリン消失速度A5をそれぞれ示す。 In the block diagram of FIG. 5, 31 is insulin SRpost after passing through the liver, 32 is an integral element, 33 is insulin distribution rate A3 after passing through the liver, 34 and 35 are blood insulin concentrations I1, and 36 is insulin to peripheral tissues. Distribution rate A2, 37 is an integral factor, 38 and 39 are insulin concentrations I3 in peripheral tissues, 40 is an insulin disappearance rate A1 in peripheral tissues, 41 is an insulin outflow rate A4 after passing through peripheral tissues, and 42 is an insulin-independent tissue Insulin distribution ratios A6 and 43 are integral elements, 44 is an insulin concentration I2 in an insulin-independent tissue, and 45 is an insulin disappearance rate A5 in the insulin-independent tissue.
末梢組織ブロック4の入出力の関係は、以下に示す微分方程式4を用いて記述される。また、微分方程式4と等価な、図6に示すブロック線図を用いて表現することもできる。
<微分方程式4>
dBG(t)/dt = -K1・BG(t)-K2・I3(t)・BG(t)+RG(t)+RGout(t)
<変数>
BG(t):血中グルコース濃度
RG(t):消化管からのグルコース吸収
RGout(t):肝臓からの正味グルコース
I3(t):末梢組織でのインスリン濃度
<パラメータ>
K1:末梢組織でのインスリン非依存グルコース消費速度
K2:末梢組織でのインスリン依存グルコース消費速度
ここで、図2における末梢組織ブロックへの入力である、末梢組織でのインスリン濃度10はI3(t)と、肝臓からの正味グルコース8は、RGout(t)と、消化管からのグルコース吸収5はRG(t)と対応する。図2における末梢組織ブロックの出力である、血中グルコース濃度6はBG(t)と対応する。
The input / output relationship of the
<
dBG (t) / dt = -K1 ・ BG (t) -K2 ・ I3 (t) ・ BG (t) + RG (t) + RGout (t)
<Variable>
BG (t): Blood glucose level
RG (t): Glucose absorption from the digestive tract
RGout (t): Net glucose from the liver
I3 (t): Insulin concentration in peripheral tissues <parameter>
K1: Insulin-independent glucose consumption rate in peripheral tissues
K2: Insulin-dependent glucose consumption rate in peripheral tissue Here, the
図6のブロック線図において、51は肝臓からの正味グルコースRGout、52は消化管からのグルコース吸収RG、53は積分要素、54は末梢組織でのインスリン非依存グルコース消費速度K1、55は末梢組織でのインスリン濃度I3、56は末梢組織でのインスリン依存グルコース消費速度K2、57は血中グルコース濃度BGをそれぞれ示す。 In the block diagram of FIG. 6, 51 is the net glucose RGout from the liver, 52 is the glucose absorption RG from the gastrointestinal tract, 53 is the integral element, 54 is the insulin-independent glucose consumption rate K1 in the peripheral tissue, 55 is the peripheral tissue Insulin concentrations I3 and 56 in FIG. 5 indicate insulin-dependent glucose consumption rates K2 and 57 in peripheral tissues, respectively, and blood glucose concentration BG.
次に、本発明の実施の形態に係るシミュレーションシステムの動作について説明する。図7は、本発明の実施の形態に係るシミュレーションシステムの動作の流れを示すフローチャートである。まず、ユーザは、対応するアイコンをダブルクリックするなど、入力デバイス130に対して所定の操作を行い、アプリケーションプログラム140aの起動をコンピュータ100aに指示する。これによりハードディスク110dからアプリケーションプログラム140aが読み出され、RAM110cにロードされる。このようにアプリケーションプログラム140aを起動させた後、ユーザは、OGTT(経口ブドウ糖負荷試験)等によって得られた消化管からのグルコース吸収5(つまり、ブドウ糖の摂取量)の時系列データと、このときのグルコース濃度(つまり、血糖値)及びインスリン濃度夫々の時系列データとを入力デバイス130によりコンピュータ100aに入力する。
Next, the operation of the simulation system according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a flowchart showing an operation flow of the simulation system according to the embodiment of the present invention. First, the user performs a predetermined operation on the
CPU110aは、これらのデータの入力を受け付け(ステップS1)、パラメータ値生成処理を実行する(ステップS2)。かかるパラメータ値生成処理は、生体シミュレーションモデル140bの上述のような各パラメータにセットするパラメータ値であって、それらのパラメータ値を生体シミュレーションモデル140bにセットし、ステップS1にて受け付けたグルコース吸収5を生体シミュレーションモデル140bに与えたときに、ステップS1にて受け付けたグルコース濃度及びインスリン濃度の時系列データ(以下、参照データという)と類似するグルコース濃度及びインスリン濃度の時系列データ(以下、シミュレーション結果データという)が、後述するシミュレーション処理S4によって得られるパラメータ値を算出する処理である。本実施の形態に係るパラメータ値生成処理S2は、具体的には、ランダムに複数のパラメータ値の組を生成し、これらのパラメータ値の組から、遺伝的アルゴリズムを使用して参照データに最も近似したシミュレーション結果データを得ることのできるパラメータ値の組を算出する処理となっている。なお、遺伝的アルゴリズム以外にも、パラメータ値の算出方法として、公知の最少二乗法、最急降下法、又はシミュレーテッドアニーリング等、他のアルゴリズムを用いてもよい。
The
次にCPU110aは、このようにパラメータ値生成処理S2によって生成したパラメータ値の組を、生体シミュレーションモデル140bにセットし(ステップS3)、シミュレーション処理を実行する(ステップS4)。かかるシミュレーション処理S4は、グルコース吸収5を生体シミュレーションモデル140bに与え、対応するインスリン濃度10及び血中グルコース濃度6を算出する処理である。グルコース吸収5としては、ステップS1にてユーザが入力したものを用いることもできるし、これとは別にユーザがグルコース吸収の時系列データを入力し、これを用いることもできる。また、CPU110aによって自動的にグルコース吸収の時系列データを生成し、これを用いることも可能である。図2に示すように、本システムを構成するブロック間の入力、出力は、相互に接続されフィードバック制御されるため、消化管からのグルコース吸収5を与えることで、血糖値、インスリン濃度の時系列変化を、数式に基づいて計算し、シミュレートすることができる。つまり、グルコース吸収5の時系列データを逐次的に生体シミュレーションモデル140bに与えると、各時刻におけるグルコース吸収に対応するインスリン濃度10及び血中グルコース濃度6が逐次算出され、結果としてインスリン濃度10及び血中グルコース濃度(血糖値)6の時系列データが得られることとなる。
Next, the
次にCPU110aは、シミュレーション処理S4によって得られたインスリン濃度10及び血中グルコース濃度6の時系列データをディスプレイ120に表示させ(ステップS5)、処理を終了する。このとき、本実施の形態に係るシミュレーションシステム100にあっては、図9及び図10に示すように、縦軸を血糖値又はインスリン濃度とし、横軸を時間としたグラフを生成し、これをディスプレイ120に表示する。なお、これに限定されるものではなく、例えば、各時刻における血糖値及びインスリン濃度の数値を時系列で並べて表示させてもよいし、表示させる対象を血糖値及びインスリン濃度ではなく、血中インスリン濃度35等、生体シミュレーションモデル140bで扱う他のデータとしてもよい。
Next, the
以上で説明したように、逐次的に算出された血糖値、インスリン濃度は、ディスプレイ120に表示される。これによって、上述のように生体器官を模擬した結果をユーザが容易に確認することができる。また、糖尿病診療支援システムのような医療システムの中の生体機能を模擬するサブシステムとして本システムを採用することもできる。この場合には、算出した血糖値、インスリン濃度の時系列変化を医療システムの他の構成要素に受渡し、これによって例えば糖尿病診療支援情報を作成する等、本システムによって算出した血糖値、インスリン濃度に基づいて信頼性の高い医療情報を得ることも可能である。
As described above, the blood glucose level and the insulin concentration calculated sequentially are displayed on the
また、シミュレーション処理S4における微分方程式の計算には、例えば、E-Cell(慶應義塾大学公開ソフトウェア)やMatLab(マスワークス社製品)を用いることができる。また、他の計算システムを用いてもよい。 Further, for example, E-Cell (Keio University public software) and MatLab (Massworks products) can be used for the calculation of the differential equation in the simulation process S4. Other calculation systems may also be used.
つぎに、本システムを用いて血糖値、インスリン濃度の時系列変化をシミュレートした例を示す。このとき、各ブロックのパラメータの一例として、表1に示す値を用いた。 Next, an example of simulating time-series changes in blood glucose level and insulin concentration using this system is shown. At this time, the values shown in Table 1 were used as an example of the parameters of each block.
上記条件でシミュレーションした結果を、血糖値6の時系列変動を図9に、末梢組織におけるインスリン濃度10の時系列変動を図10に、血中インスリン濃度35すなわちI3(t)34の時系列変動を図11に示す。また、血糖値の臨床実測値を図12に示す。本システムを用いてシミュレーションを実行することで、生理的変動と一致する結果が再現されている。
As a result of the simulation under the above conditions, the time series fluctuation of blood glucose level 6 is shown in FIG. 9, the time series fluctuation of
以上のように、本システムを用いることで、グルコース吸収に伴う血糖値、インスリン濃度の時系列変動を、生理的変動をよく近似したかたちで再現することが可能となる。また、本システムで用いている生体シミュレーションモデル140bは、血糖値の制御に関与する、膵臓、肝臓、インスリン動態、末梢組織にそれぞれ対応するブロックを構成要素として含むため、医学的にその意味を理解しやすいものである。 As described above, by using this system, it is possible to reproduce the time-series fluctuations of blood glucose level and insulin concentration accompanying glucose absorption in a form that closely approximates physiological fluctuations. In addition, the biological simulation model 140b used in this system includes blocks corresponding to pancreas, liver, insulin dynamics, and peripheral tissues, which are involved in blood glucose level control, as components, so medically understand its meaning. It is easy to do.
なお、本実施の形態においては、グルコースの吸収、蓄積、代謝及び/又はインスリンの分泌、輸送、作用に関わる膵臓、膵臓、肝臓、インスリン動態、末梢組織の各器官(組織)に各々対応したブロック1〜4を有する生体シミュレーションモデル140bを用いて、グルコース濃度及びインスリン濃度の時間変動をシミュレートする構成について述べたが、これに限定されるものではなく、生体シミュレーションモデルが上記の他の器官に対応するブロックを有し、他の物質濃度の時間変動をシミュレートする構成であってもよい。 In the present embodiment, the blocks corresponding to the organs (tissues) of the pancreas, pancreas, liver, insulin kinetics and peripheral tissues involved in glucose absorption, accumulation, metabolism and / or insulin secretion, transport and action. Although the configuration for simulating the temporal fluctuation of the glucose concentration and the insulin concentration using the biological simulation model 140b having 1 to 4 has been described, the present invention is not limited to this, and the biological simulation model is included in the other organs described above. It may be configured to have a corresponding block and simulate the time variation of other substance concentrations.
本発明のシミュレーションシステムは、対象物質に関する複数の生体器官の機能をブロックとして有する生体シミュレーションモデルを用いて、実際の生体の器官毎の活動に整合させて対象物質の濃度の時間変化をシミュレートすることが可能となり、医学的にその意味を理解しやすいシミュレーションを行うことができるという効果を奏し、生体中の対象物質の濃度、特に血糖値と血中インスリン濃度の時間変化をシミュレートするシミュレーションシステム及びコンピュータを当該シミュレーションシステムとして機能させるためのコンピュータプログラムとして有用である。 The simulation system of the present invention uses a biological simulation model having, as a block, functions of a plurality of biological organs related to a target substance, and simulates time-dependent changes in the concentration of the target substance in accordance with the activity of each organ of the actual biological body. Simulation system that simulates changes in the concentration of the target substance in the living body, especially blood glucose level and blood insulin concentration. It is useful as a computer program for causing a computer to function as the simulation system.
1 膵臓ブロック
2 肝臓ブロック
3 インスリン動態ブロック
4 末梢組織ブロック
5 グルコース吸収
6 血中グルコース濃度
7 インスリン分泌速度
8 正味グルコース放出
9 肝臓通過後インスリン
10 インスリン濃度
100 シミュレーションシステム
100a コンピュータ
110 本体
110 本体
110a CPU
110b ROM
110c RAM
110d ハードディスク
110e 読出装置
110f 入出力インタフェース
110g 通信インタフェース
110h 画像出力インタフェース
110i バス
120 ディスプレイ
130 入力デバイス
140a アプリケーションプログラム
140b 生体シミュレーションモデル
DESCRIPTION OF
110b ROM
110c RAM
110d
Claims (2)
前記記憶手段は、前記対象物質に関する膵臓、肝臓、インスリン動態および末梢組織の機能が下記の微分方程式:
dY/dt=−α{Y(t)−β(BG(t)−h)} (但し、BG(t)>h)
=−α・Y(t)(但し、BG(t)≦h)
dX/dt=−M・X(t)+Y(t)
SR(t)=M・X(t)
RGout(t)=P1(Gb−BG(t))−P2・SR(t)・BG(t)+Goff(但し、BG(t)<Gb)
=−P2・SR(t)・BG(t)+Goff(但し、BG(t)≧Gb)
SRpost(t)=K・SR(t)
dI1(t)/dt=−A3・I1(t)+A5・I2(t)+A4・I3(t)+SRpost(t)
dI2(t)/dt=A6・I1(t)−A5・I2(t)
dI3(t)/dt=A2・I1(t)−A1・I3(t)
dBG(t)/dt=−K1・BG(t)−K2・I3(t)・BG(t)+RG(t)+RGout(t)
(但し、BG(t)は血中グルコース濃度、X(t)は膵臓から分泌可能なインスリン総量、Y(t)はグルコース刺激に対して新たに供給されるインスリン供給速度、SR(t)は膵臓からのインスリン分泌速度、RGout(t)は肝臓からの正味グルコース、SRpost(t)は肝臓通過後のインスリン、I1(t)は血中インスリン濃度、I2(t)はインスリン非依存組織でのインスリン濃度、I3(t)は末梢組織でのインスリン濃度、RG(t)は消化管からのグルコース吸収を表す変数であり、hはインスリン供給を刺激できるグルコース濃度のしきい値、αはグルコース刺激に対する追従性、βはグルコース刺激に対する感受性、Mは単位濃度あたりの分泌速度、Gbはグルコース濃度基底値、P1はGb以下のグルコース刺激に対するグルコース産生速度、P2は単位インスリン、単位グルコースあたりの肝臓糖取り込み速度、Kは肝臓でのインスリン取り込み率、Goffは基礎代謝に対するグルコース放出速度、A1は末梢組織でのインスリン消失速度、A2は末梢組織へのインスリン分配率、A3は肝臓通過後のインスリン分配速度、A4は末梢組織通過後のインスリン流出速度、A5はインスリン非依存組織でのインスリン消失速度、A6はインスリン非依存組織へのインスリン分配率、K1は末梢組織でのインスリン非依存グルコース消費速度、K2は末梢組織でのインスリン依存グルコース消費速度を表すパラメータである。)で記述された生体シミュレーションモデルを含むアプリケーションプログラムを記憶しており、
前記データ入力手段が、経口ブドウ糖負荷試験によって得られたグルコース濃度及び/又はインスリン濃度の時系列データを入力可能であり、
前記アプリケーションプログラムを実行することにより前記コンピュータを、
前記記憶手段に記憶された生体シミュレーションモデルを記述した前記微分方程式を用いて、前記生体器官の活動を模擬し、生体中の前記対象物質の濃度を逐次的に算出する算出手段、および
前記微分方程式のパラメータ値の組を複数生成し、算出手段によって算出される前記対象物質の濃度のデータが、前記データ入力手段によって入力された時系列データと最も近似するパラメータ値の組を、前記複数生成されたパラメータ値の組の中から取得する取得手段として機能させ、
取得手段によって取得された各パラメータ値をセットした前記微分方程式で記述された生体シミュレーションモデルによって生体中の対象物質の濃度の時間変化をシミュレートすることを特徴とするシミュレーションシステム。 A simulation system for simulating a temporal change in the concentration of glucose and / or insulin as a target substance in a living body using a computer having a storage means and a data input means ,
The storage means has the following differential equations in terms of pancreatic, liver, insulin dynamics and peripheral tissue functions related to the target substance :
dY / dt = −α {Y (t) −β (BG (t) −h)} (where BG (t)> h)
= −α · Y (t) (However, BG (t) ≦ h)
dX / dt = −M · X (t) + Y (t)
SR (t) = M · X (t)
RGout (t) = P1 (Gb−BG (t)) − P2 · SR (t) · BG (t) + Goff (where BG (t) <Gb)
= −P2 · SR (t) · BG (t) + Goff (where BG (t) ≧ Gb)
SRpost (t) = K · SR (t)
dI1 (t) / dt = −A3 · I1 (t) + A5 · I2 (t) + A4 · I3 (t) + SRpost (t)
dI2 (t) / dt = A6 · I1 (t) −A5 · I2 (t)
dI3 (t) / dt = A2 · I1 (t) −A1 · I3 (t)
dBG (t) / dt = −K1 · BG (t) −K2 · I3 (t) · BG (t) + RG (t) + RGout (t)
(Where BG (t) is the blood glucose concentration, X (t) is the total amount of insulin that can be secreted from the pancreas, Y (t) is the insulin supply rate that is newly supplied in response to glucose stimulation, and SR (t) is Insulin secretion rate from the pancreas, RGout (t) is net glucose from the liver, SRpost (t) is insulin after passing through the liver, I1 (t) is blood insulin concentration, I2 (t) is in insulin-independent tissue Insulin concentration, I3 (t) is the insulin concentration in peripheral tissues, RG (t) is a variable representing glucose absorption from the gastrointestinal tract, h is a threshold of glucose concentration that can stimulate insulin supply, α is glucose stimulation , Β is the sensitivity to glucose stimulation, M is the secretion rate per unit concentration, Gb is the glucose concentration base value, and P1 is glucose below Gb Glucose production rate in response to pulmonary stimulation, P2 is unit insulin, liver glucose uptake rate per unit glucose, K is liver insulin uptake rate, Goff is glucose release rate relative to basal metabolism, A1 is insulin disappearance rate in peripheral tissues, A2 Is the rate of insulin distribution to the peripheral tissue, A3 is the rate of insulin distribution after passing through the liver, A4 is the rate of insulin efflux after passing through the peripheral tissue, A5 is the rate of insulin disappearance in the insulin-independent tissue, and A6 is the rate to the insulin-independent tissue insulin distribution rate, K1 is insulin independent glucose consumption rate in peripheral tissues, K2 is stored an application program including a parameter a is.) biological simulation model described in representing the insulin-dependent glucose consumption rate in peripheral tissues And
The data input means can input time series data of glucose concentration and / or insulin concentration obtained by oral glucose tolerance test ,
By executing the application program, the computer
Using the differential equation describing the biological simulation model stored in the storage means, a calculation means for simulating the activity of the biological organ and sequentially calculating the concentration of the target substance in the living body ; and
Wherein the set of parameter values of the differential equation generates a plurality, data of the concentration of the target substance to be calculated by the calculation means, a set of parameter values that best approximates the time series data input by said data input means, said to function as a acquisition means for acquiring from among the set of the plurality generated parameter values,
Simulation system characterized in that to simulate the temporal change of the concentration of the target substance in vivo by biological simulation model described respective parameter values acquired by the acquiring means in degrees Tsu Sorted said differential equation.
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