JP5102439B2 - Simulation system and computer program - Google Patents

Simulation system and computer program Download PDF

Info

Publication number
JP5102439B2
JP5102439B2 JP2005137772A JP2005137772A JP5102439B2 JP 5102439 B2 JP5102439 B2 JP 5102439B2 JP 2005137772 A JP2005137772 A JP 2005137772A JP 2005137772 A JP2005137772 A JP 2005137772A JP 5102439 B2 JP5102439 B2 JP 5102439B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulin
glucose
concentration
rate
liver
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2005137772A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005353050A (en
Inventor
泰浩 高地
太計雄 斉藤
泰宏 内藤
弘 中島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sysmex Corp
Original Assignee
Sysmex Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sysmex Corp filed Critical Sysmex Corp
Priority to JP2005137772A priority Critical patent/JP5102439B2/en
Publication of JP2005353050A publication Critical patent/JP2005353050A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5102439B2 publication Critical patent/JP5102439B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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 Document 1 and Non-Patent Document 2).

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).

バーグマン(Bergman)等、アメリカン ジャーナル オブ フィジィオロジー(American Journal of Physiology)、1979年、第236巻、第6号、p.E−667−77Bergman et al., American Journal of Physiology, 1979, Vol. 236, No. 6, p. E-667-77 バーグマン(Bergman)等、ジャーナル オブ クリニカル インベスティゲイション(Journal of Clinical Investigation )、1981年、第68巻、第6号、 p.1456−67Bergman et al., Journal of Clinical Investigation, 1981, Vol. 68, No. 6, p. 1456-67. 特開平11-296598号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-296598

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 Patent Document 1, it is possible to predict a blood glucose level, but it is impossible to know the state of an organ related to blood glucose control.

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 simulation system 100 according to the present embodiment is configured by a computer 100a mainly composed of a main body 110, a display 120, and an input device 130. The main body 110 mainly includes a CPU 110a, a ROM 110b, a RAM 110c, a hard disk 110d, a reading device 110e, an input / output interface 110f, a communication interface 110g, and an image output interface 110h. The CPU 110a, ROM 110b, and RAM 110c. The hard disk 110d, the reading device 110e, the input / output interface 110f, and the image output interface 110h are connected by a bus 110i so that data communication is possible.

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 CPU 110a can execute a computer program stored in the ROM 110b and a computer program loaded in the RAM 110c. Then, the CPU 110a executes an application program 140a as described later, thereby realizing each functional block as described later, and the computer 100a functions as the simulation system 100.

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 ROM 110b is configured by a mask ROM, PROM, EPROM, EEPROM, or the like, and stores a computer program executed by the CPU 110a, data used for the same, and the like.

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 RAM 110c is configured by SRAM, DRAM, or the like. The RAM 110c is used for reading computer programs recorded in the ROM 110b and the hard disk 110d. Further, when these computer programs are executed, they are used as a work area of the CPU 110a.

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 hard disk 110d is installed with various computer programs to be executed by the CPU 110a, such as an operating system and application programs, and data used for executing the computer programs. An application program 140a described later is also installed in the hard disk 110d.

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 reading device 110e is configured by a flexible disk drive, a CD-ROM drive, a DVD-ROM drive, or the like, and can read a computer program or data recorded on the portable recording medium 140. The portable recording medium 140 stores an application program 140a for causing the computer to function as a simulation system according to the present invention. The computer 100a downloads the application program 140a according to the present invention from the portable recording medium 140. It is possible to read and install the application program 140a in the hard disk 110d.

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 application program 140a is not only provided by the portable recording medium 140, but also from an external device that is communicably connected to the computer 100a via an electric communication line (whether wired or wireless). It is also possible to provide through. For example, the application program 140a is stored in the hard disk of a server computer on the Internet. The computer 100a can access the server computer, download the computer program, and install it on the hard disk 110d. is there.

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 hard disk 110d is installed with an operating system that provides a graphical user interface environment such as Windows (registered trademark) manufactured and sold by Microsoft Corporation. In the following description, the application program 140a according to the present embodiment is assumed to operate on the operating system.

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 input device 130 including a keyboard and a mouse is connected to the input / output interface 110f, and the user can input data to the computer 100a by using the input device 130.

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 image output interface 110h is connected to a display 120 configured by an LCD, a CRT, or the like, and outputs a video signal corresponding to image data given from the CPU 110a to the display 120. The display 120 displays an image (screen) according to the input video signal.

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 pancreas block 1, a liver block 2, an insulin dynamic block 3, and a peripheral tissue block 4, and each block has an input and an output. .

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 pancreas block 1 receives blood glucose concentration 6 as input and outputs insulin secretion rate 7 as output. The liver block 2 receives blood glucose concentration 6 and insulin secretion rate 7 as inputs, and outputs net glucose release 8 and insulin 9 after passing through the liver as outputs. The insulin dynamic block 3 receives the insulin 9 after passing through the liver as an input and outputs the insulin concentration 10 in the peripheral tissue as an output. The peripheral tissue block 4 inputs net glucose release 8, external glucose absorption 5, and insulin concentration 10 in the peripheral tissue, and outputs blood glucose concentration 6 as an output. The glucose absorption 5 is data given from the outside, and this function is realized by the user inputting test data or the like using the input device 130, for example. Each functional block 1 to 4 is realized by the application program 140a being executed by the CPU 110a.

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 pancreas block 1 is described using the differential equation 1 shown below. Further, it can be expressed using a block diagram equivalent to the differential equation 1 shown in FIG.
<Differential equation 1>
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 liver block 2 is described using the differential equation 2 shown below. It can also be expressed using the block diagram shown in FIG.
<Differential equation 2>
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 net glucose release 8 which is the output of the liver block in FIG. 2 corresponds to RGout (t) and the post-liver insulin 9 corresponds to SRpost (t).

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 dynamic block 3 is described using the differential equation 3 shown below. It can also be expressed using a block diagram shown in FIG.
<Differential equation 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)
<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 insulin concentration 10 in the peripheral tissue, which is the output of the insulin kinetic block in FIG. 2, corresponds to I3 (t).

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 peripheral tissue block 4 is described using the differential equation 4 shown below. It can also be expressed using a block diagram shown in FIG.
<Differential equation 4>
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 insulin concentration 10 in the peripheral tissue, which is the input to the peripheral tissue block in FIG. 2, is I3 (t), and the net glucose 8 from the liver is RGout ( t) and glucose absorption 5 from the gastrointestinal tract correspond to RG (t). The blood glucose concentration 6, which is the output of the peripheral tissue block in FIG. 2, corresponds to BG (t).

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 input device 130, such as double-clicking a corresponding icon, and instructs the computer 100a to start the application program 140a. As a result, the application program 140a is read from the hard disk 110d and loaded into the RAM 110c. After starting the application program 140a in this manner, the user can obtain time-series data of glucose absorption 5 (ie, glucose intake) from the digestive tract obtained by OGTT (oral glucose tolerance test) and the like, and at this time The glucose concentration (that is, blood glucose level) and the time series data of each insulin concentration are input to the computer 100a by the input device 130.

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 CPU 110a accepts input of these data (step S1) and executes parameter value generation processing (step S2). The parameter value generation process is a parameter value to be set for each parameter as described above of the biological simulation model 140b. The parameter value is set in the biological simulation model 140b, and the glucose absorption 5 received in step S1 is set. Time series data of glucose concentration and insulin concentration (hereinafter referred to as simulation result data) similar to the time series data of glucose concentration and insulin concentration (hereinafter referred to as reference data) received in step S1 when given to the biological simulation model 140b. Is a process of calculating a parameter value obtained by a simulation process S4 described later. Specifically, the parameter value generation processing S2 according to the present embodiment randomly generates a plurality of parameter value sets, and uses the genetic algorithm to approximate the reference data most closely from the parameter value sets. This is a process of calculating a set of parameter values from which the simulation result data can be obtained. In addition to the genetic algorithm, other algorithms such as a known least square method, steepest descent method, or simulated annealing may be used as a parameter value calculation method.

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 CPU 110a sets the set of parameter values generated by the parameter value generation process S2 in this way in the biological simulation model 140b (step S3), and executes the simulation process (step S4). The simulation process S4 is a process for giving the glucose absorption 5 to the biological simulation model 140b and calculating the corresponding insulin concentration 10 and blood glucose concentration 6. As the glucose absorption 5, the one input by the user in step S <b> 1 can be used, or separately, the user can input the time series data of glucose absorption and use it. It is also possible to automatically generate and use glucose absorption time-series data by the CPU 110a. As shown in FIG. 2, since the input and output between the blocks constituting this system are connected to each other and feedback-controlled, by providing glucose absorption 5 from the digestive tract, the time series of blood glucose level and insulin concentration Changes can be calculated and simulated based on mathematical formulas. That is, when the time series data of glucose absorption 5 is sequentially given to the biological simulation model 140b, the insulin concentration 10 and blood glucose concentration 6 corresponding to the glucose absorption at each time are sequentially calculated, and as a result, the insulin concentration 10 and blood Time series data of medium glucose concentration (blood glucose level) 6 will be obtained.

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 CPU 110a displays the time series data of the insulin concentration 10 and the blood glucose concentration 6 obtained by the simulation process S4 on the display 120 (step S5), and ends the process. At this time, in the simulation system 100 according to the present embodiment, as shown in FIG. 9 and FIG. 10, a graph with the vertical axis representing blood glucose level or insulin concentration and the horizontal axis representing time is generated. This is displayed on the display 120. However, the present invention is not limited to this. For example, the blood glucose level and insulin concentration at each time may be displayed side by side in time series, and the target to be displayed is not blood glucose level and insulin concentration but blood insulin. Other data handled by the biological simulation model 140b, such as the density 35, may be used.

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 display 120. As a result, the user can easily confirm the result of simulating the living organ as described above. In addition, this system can be adopted as a subsystem that simulates a biological function in a medical system such as a diabetes care support system. In this case, the time series changes of the calculated blood glucose level and insulin concentration are transferred to other components of the medical system, thereby creating, for example, diabetes medical care support information, and the blood glucose level and insulin concentration calculated by this system. Based on this, it is possible to obtain highly reliable medical information.

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.

Figure 0005102439
また、微分方程式を計算するにあたり、変数の初期値の一例として表2の値を用いた。
Figure 0005102439
In calculating the differential equation, the values in Table 2 were used as an example of the initial values of the variables.

Figure 0005102439
また、消化管からのグルコース吸収速度は、図8に示す値を用いた。
Figure 0005102439
Moreover, the value shown in FIG. 8 was used for the rate of glucose absorption from the digestive tract.

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 insulin concentration 10 in the peripheral tissue is shown in FIG. 10, and the blood insulin concentration 35, that is, I3 (t) 34 time series fluctuation. Is shown in FIG. Moreover, the clinical measurement value of a blood glucose level is shown in FIG. By executing simulations using this system, results consistent with physiological fluctuations are reproduced.

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.

本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。It is a block diagram which shows the hardware constitutions of the simulation system which concerns on this Embodiment. 本発明の実施形態に係るモデルの全体構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the whole structure of the model which concerns on embodiment of this invention. 図2に示した膵臓モデルの構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the pancreas model shown in FIG. 図2に示した肝臓モデルの構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the liver model shown in FIG. 図2に示したインスリン動態モデルの構成を示すブロック線図である。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an insulin dynamic model shown in FIG. 2. 図2に示した末梢組織モデルの構成を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the structure of the peripheral tissue model shown in FIG. 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。It is a flowchart which shows the flow of operation | movement of the simulation system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態において入力として用いるグルコース吸収速度の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the glucose absorption rate used as input in embodiment of this invention. 本発明の実施形態において再現された血糖値の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the blood glucose level reproduced in the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態において再現された末梢組織インスリン濃度の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the peripheral tissue insulin density | concentration reproduced in embodiment of this invention. 本発明の実施形態において再現された血中インスリン濃度の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the blood insulin concentration reproduced in the embodiment of the present invention. 血糖値の臨床実測値の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the clinical measurement value of a blood glucose level.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Pancreas block 2 Liver block 3 Insulin movement block 4 Peripheral tissue block 5 Glucose absorption 6 Blood glucose concentration 7 Insulin secretion rate 8 Net glucose release 9 Insulin after passing through liver 10 Insulin concentration 100 Simulation system 100a Computer 110 Main body 110 Main body 110a CPU
110b ROM
110c RAM
110d hard disk 110e reading device 110f input / output interface 110g communication interface 110h image output interface 110i bus 120 display 130 input device 140a application program 140b biological simulation model

Claims (2)

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.
コンピュータを、請求項1に記載の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。 A computer program for causing a computer to function as the simulation system according to claim 1 .
JP2005137772A 2004-05-11 2005-05-10 Simulation system and computer program Expired - Fee Related JP5102439B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005137772A JP5102439B2 (en) 2004-05-11 2005-05-10 Simulation system and computer program

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004141721 2004-05-11
JP2004141721 2004-05-11
JP2005137772A JP5102439B2 (en) 2004-05-11 2005-05-10 Simulation system and computer program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005353050A JP2005353050A (en) 2005-12-22
JP5102439B2 true JP5102439B2 (en) 2012-12-19

Family

ID=35587446

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005137772A Expired - Fee Related JP5102439B2 (en) 2004-05-11 2005-05-10 Simulation system and computer program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5102439B2 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4861687B2 (en) * 2005-11-21 2012-01-25 シスメックス株式会社 Medical simulation system and computer program thereof
JP2007272427A (en) * 2006-03-30 2007-10-18 Sysmex Corp Artificial test computer system for living body, computer program thereof, and artificial test method of living body
JP4901226B2 (en) * 2006-01-27 2012-03-21 シスメックス株式会社 Medical simulation system and computer program thereof
JP2007312922A (en) * 2006-05-24 2007-12-06 Sysmex Corp System for predicting biological response and program for the same
JP4918285B2 (en) * 2006-05-24 2012-04-18 シスメックス株式会社 Biological organ function simulation system and program thereof
JP2009104558A (en) * 2007-10-25 2009-05-14 Osaka Univ Simulation device, data structure of biological model, model creation device, retrieval device, biological model development system, model generation program, and recording medium
JP5388564B2 (en) 2008-12-22 2014-01-15 シスメックス株式会社 Diabetes care support system, computer program, and recording medium
JP5083297B2 (en) * 2009-11-18 2012-11-28 セイコーエプソン株式会社 Predictive blood sugar level calculating device, predictive blood sugar level calculating method and program
FR3083076B1 (en) * 2018-06-29 2023-04-07 Commissariat Energie Atomique AUTOMATED PATIENT GLYCEMIA MONITORING SYSTEM

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5657255C1 (en) * 1995-04-14 2002-06-11 Interleukin Genetics Inc Hierarchic biological modelling system and method
US7353152B2 (en) * 2001-05-02 2008-04-01 Entelos, Inc. Method and apparatus for computer modeling diabetes
GB0121565D0 (en) * 2001-09-06 2001-10-24 Univ Robert Gordon Modelling metabolic systems
JP2003180400A (en) * 2001-12-20 2003-07-02 Japan Science & Technology Corp Method for processing metabolic circuit information, apparatus for processing metabolic circuit information, program, and recording medium
DE112005000458T5 (en) * 2004-02-26 2007-01-18 Kyoto University Organism simulation device and program

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005353050A (en) 2005-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5102439B2 (en) Simulation system and computer program
JP4918285B2 (en) Biological organ function simulation system and program thereof
Wyke et al. The effect of a programme to improve men’s sedentary time and physical activity: The European Fans in Training (EuroFIT) randomised controlled trial
JP6665240B2 (en) System for modeling changes in patient-specific vessel geometry and boundary conditions and method of operation thereof
JP4901226B2 (en) Medical simulation system and computer program thereof
Riley et al. Mobile and wireless technologies in health behavior and the potential for intensively adaptive interventions
KR102447195B1 (en) Digital apparatus and application for treating mild cognitive impairment and dementia
US20150051451A1 (en) Personal genome information environment providing device, personal genome information environment providing method, and computer program product
JP2006318162A (en) Prediction system for medical treatment effect and its program
Stecker et al. Adding value to relative-value units
JP4861687B2 (en) Medical simulation system and computer program thereof
EP1722345A1 (en) Biological simulation system and computer program product
EP1598766A2 (en) Simulation system for simulating material concentration in a living body and storage medium
JP2007312922A (en) System for predicting biological response and program for the same
Wang et al. The self-aware diabetic patient software agent model
JP5100979B2 (en) Biological simulation system and computer program
JP5388564B2 (en) Diabetes care support system, computer program, and recording medium
Christ et al. Using numeric simulation in an online e-learning environment to teach functional physiological contexts
Morita Design of mobile health technology
JP2006313481A (en) Function simulation system for organ of organism, and program therefor
EP1830333A1 (en) Medical simulation system, computer system and computer program product
JP2007272427A (en) Artificial test computer system for living body, computer program thereof, and artificial test method of living body
Imamović et al. Modelling and simulation of blood glucose dynamics
Timokhov et al. An intelligent system of remote personalized medical care with the possibility of a therapeutic impact
Fang Two basic statistical strategies of conducting causal inference in real-world studies

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080502

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101130

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110118

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20110215

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110512

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110516

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20110713

A912 Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20110729

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20111005

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20111021

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120928

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151005

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees