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PhysioSim - a full hard - and software physiological simulation environment applying a hybrid approach based on hierarchical modeling using algebraic and differential systems and dynamic Bayesian networks [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ciamak Abkai

218 pages
PhysioSim – A Full Hard- And Software Physiological Simulation Environment Applying A Hybrid Approach Based On Hierarchical Modeling Using Algebraic and Differential Systems and Dynamic Bayesian Networks Inauguraldissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften der Universität Mannheim vorgelegt von Dipl. Inf. Ciamak Abkai aus Teheran Mannheim, 2010 Dekan: Professor Dr. Felix Freiling, Universität Mannheim Referent: Professor Dr. Jürgen Hesser, Universität Heidelberg Korreferent: Professor Dr. Reinhard Männer, Universität Heidelberg Tag der mündlichen Prüfung: 08.10.2010 archologicalsimAthsystemphforcommonphtraryysiologicaltimemoeendmepsyclforingapplicabilitandanalysissimbulationofisandpresentsted.aTheinarcDBNhshoulditecturesystemisareconsid-methoeringapproachmoardwanarehaandutedsoftrequireswandarethissupphaortAllforareal-timeenphwhysiologicalandsimsoftulators,delingwhicinhysiologicalaretegratedvconsideration.eryshoimpdataortanphtAbstractfordemonstratingmedicalofeducationInandphriskelingmaols,nsimagmoemenet.
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PhysioSim – A Full Hard- And Software
Physiological Simulation Environment
Applying A Hybrid Approach Based On
Hierarchical Modeling Using Algebraic and
Differential Systems and Dynamic Bayesian
Networks



Inauguraldissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften
der Universität Mannheim









vorgelegt von

Dipl. Inf. Ciamak Abkai
aus Teheran



Mannheim, 2010







































Dekan: Professor Dr. Felix Freiling, Universität Mannheim
Referent: Professor Dr. Jürgen Hesser, Universität Heidelberg
Korreferent: Professor Dr. Reinhard Männer, Universität Heidelberg

Tag der mündlichen Prüfung: 08.10.2010

hitecture.AbstractsimAulation.systemeforysiologicalphbasisysiologicaltomo,dsuggestedeulateslhologicalingdepandysimtoulationeisthepresenextensibleted.togetherThedummarcaddhareitecturebisisconsid-stronglyeringds,hhes.ardwdareeducationalandvsoftinwextensivaresoftsupppurportvforthereal-timenophvironmenysiologicalicsimIBPulators,wwhicapproachthearereasoning,vineryFimpwortanmonitoring,tysiologicalforosedmedicaltheeducationtheandconriskysiologicalmaandnforagulator,emendelst.toInpconal-traryhtodesignotheraremoaredelingormethogenericds,orksinbthisrealized.wonenorktotheelfoulatorcusincludingis,toeproSaO2videsignalsmaximaltomosignaldelingmoexibilitwithyanalyzedandofextensibilitphyh.inThaismedicalistheprotovidedconceptsonmedicalthehonetohandpsycb3ymethoademonstratinghierarcapplicabilithicalofmoapproacdeliInngtrarynotationphinmoXMLelingandanalysisonols,otheranhandsimbthymoextendinghacurrenetbmethocomdsutedbreytimedynamicwhicstorequirescehasticofsystemhardwmoanddweling.arcDynamicFBathisyoseesianandNetframewwhaorkseaseenwandellAllascompdeterministictssystemleadmoadelingvbphysimsystemsenoft,algebraicaandydierenwhtialheqmuECG,ationsandleadvitaltoinwitionardssoftaaresophisticatedsimenThevironmendelingthesforDBNmedicalfurthermoresiminulation.domainsSppsycecicandsimysiologicalulationswhicofshouldhaemoedynamicstegratedandtophcommonysiologicalforbasedconsideration.pharmourthermorecokineticssystemandusedphar-shomaconewdforyendablendataamwhiccisarearerelatedppherformedandbhologicalyulations.theproprenZusammenfassungucEinimvundollst?ndigest.SystemulationzurebphVysiologiscchenKardioMobdellierungimmerundVSimonulndaVtingoimnh?mowirddernenpr?senSimtiert.yMeilensteineognitivsindysiologischierarczurhiscvheengMo4dellierungbisherigermitSXMLndundNeueInentegrationvvwieonunddeterministis-FculationhenwSystemihrerbf?resctersuchreibungenhdurcbhvSystemedievanongewinnenlinearenhlie?endalgebraiscneuenhenVundtodigezeigthenerenvtiellenVGle-hictriellerhhaftlicungenstemeoerl?utertderzuKesserungompartimenerfatenMethoundMonicSimhpht-deterministiscSystemenhewstovctersuchastiscvheeispielendynamischeheeSystem-askul?renbdieescerfahrenhreibungenhkdurcdeshscKlationenomtbinationertet.verdenonhestatischhenMounndModynamiscbhenehBaf?ryVes'sctehent.Netzen.dasDievSystemarconzeptenhitekturesserungsiehhktPheineeingesetzt,dynamisc-he-Inphtegrationulationenvatienon?pftHardwdieareor-(EmNaculations-Inteileterfaces)indus-unduSoftwissenscwherarey(zus?tzlicundheerfahrenphuysiologiscAns?tzeherMoerbdelle)aufgezeigt.vVor.hDasundSystemdistzuraufdellieruEcundhulationtzeit-Anonwysiologis-endunghenausgelegt,sodaVitalfunktionendieserdenf?rEinzelnendorgestelltieunmedizinischheAnhandAuonsbildungallbb(z.B.esondersdynamiscwicSimhdtigsist.vSSystems)perdeneziellemoHardwVare-aufScN?tzlichneitittstellenEinsatz(IBPSystems,mediziniSaO2,heECG)uwurdenunf?rhdieundEmewulationZus?tzlicvwonBaquasi-eces'schNetzetenez?glicPSimaundtidellierungenoten-Vital-kPenarameterdellen,enetenfallswicmkrelt,Bedeutungdiepheineheexiblorg?ngeeunErwrseiterunghdesAbscmediwirdzSystemiDemonstrationnisconhenKSimzurulatorserbinderVerl?sslicergleiceithonzurysiologie-MoniFr-Ger?tenull-ScaledieSimenfallsulatorenwieerm?glicwirdhen.sehrInmiteinemysiologiscdetailliertenSimStandvderPTtenecerknhniksind.werdenrksUnivMoersitProf.yAndoftheHeidelbdergraicMedicalesianPhAbkysicserGroupProf.-ColinExpUsingerimenDierentialtalBaRadiationwTherapt:yMaUniv2010ersitReviewyJ?rgenofReinhaMannheimProf.ThesistkinsonPhysioSimdeling-AlgebAAndFSystemsullDynamicHayrd-NetAndoSoftApplicanwCiamakaaireyPhysiological31st,SimulationExpEnvironmenttApplyingers:ADr.HybHesserridDr.ApprroachM?nnerBasedDr.OnAHierarchicalDieseEhrenwk?hrtlicheheErkl?orungdenIcStellenhhvinersicFhere,eh?rdedassdieenvalsorliegendeennArbheiteitohnehHilfe?hnlicDritternoundeinerohneorgelegen.BenMaiutzuCiamakng6anderertnommenenalswurdendersolcangegebkenentlicQuellengemacundt.HilfsmittelArbvhatongleicmirerangefertigtderwurde.herDieormauscdenkbPr?fungsbenvutztenMannheim,Quellen31.w2010?rtlichAboaidersinngem??ZitatDanksagungn...icIiwishedwtoseilivhaftlicehlicdelibsolceratelyd,tetoheficroBer?hrungnundtalsontheitlyterdisziplin?rethekessenereinitiallfactshstofheslife,enandgeholfenseevifAnsicIhcouldhnotersplalseaganzrnThoreauwhathitehadArbtoare,teacphh,Asanddiesenot,aufwhenStelleIdencamemirtohdie,hdiscocvoerAufmthatLeistungImithhiedenenaThemendtennotam.livonned...hHenryErfahrungenDaevideThoreauerw(1817-1862)hDreiandhalbscJahrehDissertationszeitraum,oneineDieZeitErfahrungendereinunivArbersit?tspneolitisceit,hendieUmHwPhelzungen,ndinhedenenhologiscicekteht.meinerGelegenheitZugeh?rigkdankbareitResultatzuAndencUnivhersit?tenhenMannheim,en,Heidelbeierg,dderpTt,echnihnis-wissensccDiskussionen,henMeinInformatikeinfac(TI),durcdemterungInstitutenf?rerbringen.Computergest?tztehMedizinvielen(IerscCM)wissenscohenderunddemhKlinikuminMannheimknicDadurchkttemehrcwirklict?glichneuesicsammelnhermeinwPar.ektivObreicwhohleitern,solcMenscheundZeitenWissenmithaftler,GewissheitnacderdemFvorscH.D.h(s.o.).ungGesamnicdie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csiceistandhungsbganzUnbMitesondersrundmeinemenMen(UnivtordenundProDoktorvH?feraamterhaerProf.ertrauenDr.olleginnenrer.onnat.ersit?tJ?rgenebHesserhab,enderemicehez?glicesohwhohlFsete8tsvmoralisclegenhwunlterst?zteKlinikumalsdelbaucECOMODISheucjedDr.esehrrgearbZeitterdisziplin?redut.rcundhCathiseinihrefaclehlicheheshererWissenhaftlicundalsseinenouhilfreicnhensondernIdeenh?tze.ineindiehrickritischEinsatztigewurdeRicmeinenhKtungmlenkte.Mannheim),Nat?rliclhMedaucyhef?reimdieevielenunReviewsdunsererjektesPVielenapallen.erraundedieicOptimierungs-hundECOMODISVZusammenerbeinigeesserungvorscorscerbrachl?ge.Dr.Stelle,ornmeMindestensraugenausoondankbarbHbinhicUnhameinerragenliebmedizinenula-FNicorauderAnettemeinerAbkLaufbahnaiUn,torohneDzmitryderendenmoralischhealsundKfreundlhicsehrheeUngezeigt,terst?tzungWissensc?bnierblindallunddiehinJahreherhinundwterst?tzungegmiriconhKsicundherol-nicahICMtersit?tsosowoheitvwder?reicawiePhjetzt.siSieGruppmamussteMannhnic(UnivhHtinerg)urddieMitgliedererfolgreiceshenPro-Tgageoten.inDankderhFdanorscFhuungMeikmiterlebJippen,esondernhaucerfolgreichimdiejektTzusammenageeitet.anhabdenenwirdinieFPraxishanderseitr?geaussiehhkFtraualsUlrikiKnsserderFTheorieKathrinbvescderhriebGmen.dankerstericMeinf?rbgro?eesondererterst?tzungDankumgiltlmeinerFFbamilie,hmeineniscElternSimIlsetoren.undDr.AbbasBecAbk,aimir,Anfangdiewissensctrotzhenderdurcwseineeitenterst?tzungFMenerne,bdieundsieStspankauf,sicichniclutden,urdamitwissensciundhrolege,SaucoalshreundnscsiBeidchabhmirseinerdassAusbildungguterwidmenhaftlkronncte,tstetsvnahedarfsind.sogarAnhenterfragusmUnerms.?dlic.Contents.1.Preamble.13.1.1dIn.tro.duction......Ba.........Elastic.................Structural.......n...........Eect...V...And...T..........13.1.239Motiv.ation....2.4.3.....................9.............33.........Systems.......................2.3.2....14.1.3.Purpwose.Of.The.W.ork..........en.....y.....2.4.4.......2.4.5.........Ba........................17.1.432Requiremenesselts................Windk.V.............34./.............2.3.In.............36.ylor........19.1.5.F.ormal.CommenOrderts..............38.esian...................Denition.................40.Conditional...........Probabil21stributions1.6.Pro.ject.Related.Publications..and.................................2.5.esi.w...............2.5.122.1.7.Outline................................2.2.4.V...................................2.2.5.essel./.essel....22.2.Basics.24.2.1.Compartmen.t.Mo.deling......2.2.6.essel.Circulatory.........................35.ODEs.Numerical.tegration....................24.2.1.1.1-.and2.3.12-CompartmenatExpansionMo.dels............................37.Higher.Metho.s............24.2.1.2.N-Compartmen.t.Mo.dels......2.4.y.Net.orks...................................2.4.1......27.2.2.Electrical.Equiv.alence.Of.Ph.ysiological.Systems..............2.4.2.And.Indep.dency................28422.2.1ConditionalResistiviteDiElemen.t..................43.Evidence.Reasoning...........................44.Inference..........29.2.2.2.Elasticit.y./.Compliance..............45.Dynamic.y.a.Net.orks.............................4630Denition2.2.3.Inertance................................47...Con.ten.ts.2.5.2.Unrolling..90...Soft.hitectures.....Solv.................................del.95.are.........101........47.3ArchitectureState.Of.The.Art.49883.1.Sim.ulation.Devices.And.F.ullObScale.Sim4ulators....................................Sim..50.3.1.1.Screen3.7Based.Sim.ulators......Ov.........ulation.........er.......89.........Solv.........del5.0.3.1.2.FScully.VR.Sim.ulators..........terface.......onen.................5...........5.1.1..........51.3.1.3.F.ull-Scale10SimSystemulators..................................4.4.1...................4.2..53.3.1.4.Sp.ecial.Purp.ose.Sim.ulators..Algebraic.................Dieren.................BN............57.3.2.Ph92ysiologicaltedMotdels............Mo.................4.3.2.t...............User.Visualization...........4.4.terface..57.3.2.1.Cardio.v.ascular.System..4.5.....................101.are.....................P........59.3.2.2.Respiratory.System..Multi.................3.6.ulation.Arc...........................78.Summary......63.3.2.3.Electroph.ysiology..........................81.System.85.System.erview............................65.3.3.Ph.ysiological85BasedSimPKKernelA.nd.PD.Mo.delin.g........................4.2.1.Solv................66.3.4.Sim.ulation.Systems.And.Description.Languages..4.2.2.tial.er..............................694.2.33.5DBNStaticerAnd.Dy.n.am.i.c.Ba.y.esian.Net.w.orks..........4.3.ject-Orien.Mo.Managemen.........................9.4.3.172deling3.5.1hemeInference..............................94.Mo.Managemen...............................4.3.3.In.And75.3.5.2.P.arameter.Learnin.g............96.Hardw.In.Comp.ts...........................98.Summary........75.3.5.3.Structure.Learning........................99.Realization.5.1.w..............................76.3.5.4.T.o.ols..101.Design.attern.................................5.1.2.Threading...............................102.77

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