基于Java的藥代動力學(xué)計(jì)算軟件的實(shí)現(xiàn)

蔣理++錢家好++陳曉東++王利軍

摘要：開發(fā)藥代動力學(xué)計(jì)算軟件可以利用現(xiàn)在非常普及的個人計(jì)算機(jī)解決二次微分方程計(jì)算和曲線繪圖的問題。本項(xiàng)目開發(fā)的軟件可以提高相關(guān)檢測部門在相關(guān)計(jì)算上的速度與準(zhǔn)確度。

國內(nèi)外比較多見的相關(guān)軟件主要有NONLIN，NONMEN，3P87/3P97，NDST，ABE等。均為非開源軟件，使用的計(jì)算方法不一。其中3P97對樣本數(shù)據(jù)的擬合，計(jì)算房室模型參數(shù)計(jì)算部分可以做到免費(fèi)。本次研究的藥代動力學(xué)計(jì)算軟件可以與3P97配合使用，可以滿足大部分相關(guān)科研院所，學(xué)校師生的需求。

關(guān)鍵詞：藥代動力學(xué) 計(jì)算 微分方程 曲線圖

中圖分類號：TP313 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）09-0000-00

1 項(xiàng)目背景

在畜牧業(yè)、漁業(yè)養(yǎng)殖領(lǐng)域，用藥物防治動物疾病目前是一種最直接、最有效和最經(jīng)濟(jì)的措施，但藥物殘留對人類健康和生態(tài)環(huán)境存在著嚴(yán)重的威脅。如何控制藥物在動物體內(nèi)中的殘留，以保證產(chǎn)品在上市時能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是相關(guān)質(zhì)量檢測部門必須要解決的問題。動物在給藥后，藥物在動物體會按一定的規(guī)律消除。掌握藥物在生物體內(nèi)的消除時間，是解決動物產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要科學(xué)方法，也是科學(xué)發(fā)展觀在畜牧業(yè)、漁業(yè)養(yǎng)殖上的具體體現(xiàn)。只有嚴(yán)格遵守休藥期，遵循藥物代謝動力學(xué)，才能做到科學(xué)用藥、安全用藥。

描述某種藥物的代謝動力學(xué)特征，最常用的方法是將機(jī)體看成由房室組成，藥物在這些房室間的運(yùn)轉(zhuǎn)及從房室中消除的速率符合一級過程或線性動力學(xué)。只要機(jī)體內(nèi)某些部位吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)或消除藥物的速率常數(shù)相似，即可歸入一個房室，而不受解剖學(xué)位置和學(xué)功能的限制。

本項(xiàng)目開發(fā)的軟件可以提高相關(guān)檢測部門在相關(guān)計(jì)算上的速度與準(zhǔn)確度。國內(nèi)外比較多見的相關(guān)軟件主要有NONLIN，NONMEN，3P87/3P97，NDST，ABE等。均為非開源軟件，使用的計(jì)算方法不一。其中3P97對樣本數(shù)據(jù)的擬合，計(jì)算房室模型參數(shù)計(jì)算部分可以做到免費(fèi)。本次研究的藥代動力學(xué)計(jì)算軟件與3P97配合使用，可以滿足大部分相關(guān)科研院所，學(xué)校師生的需求。目前市面上實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的軟件也沒有實(shí)現(xiàn)免費(fèi)，相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也沒有做到開源，所以本軟件的開發(fā)具有實(shí)際的市場價值。

2 主要算法分析

一般藥代動力學(xué)的計(jì)算都涉及到二房室模型，休藥期二房室計(jì)算公式為：二次微分方程 ，手動解指數(shù)方程無疑會給科研人員帶來比較大的麻煩，同時殘留量的衰減曲線圖的繪制也很麻煩，手工繪圖也難免帶來誤差。開發(fā)藥代動力學(xué)計(jì)算軟件可以利用現(xiàn)在非常普及的個人計(jì)算機(jī)解決休藥期計(jì)算的問題。

解二次微分方程的算法主要思想是通過迭代的方法，選擇適當(dāng)?shù)牟介L和精確度ε，將微分方程的計(jì)算值與漸出現(xiàn)檢出限進(jìn)行比較，使得出的理論休藥期x盡量趨近真值，同時也要兼顧到少或避免發(fā)生得不到值的情況或由于循環(huán)時間過長而產(chǎn)生死循環(huán)的假象。同時在每次計(jì)算的時候描點(diǎn)作圖，將整個計(jì)算結(jié)果直接顯示在曲線圖上，使結(jié)果反映更加直觀。迭代求解流程如圖1。

在求解二次微分方程時，先將x設(shè)為0，然后進(jìn)入循環(huán)，循環(huán)內(nèi)計(jì)算 的值，將得到的值與最低殘留限值作比較，誤差小于設(shè)置誤差值時，判定X為所求值，否則X+=b，b為步長，繼續(xù)循環(huán)，在下一期計(jì)算前，判斷X是否小于3000*b，如小于繼續(xù)計(jì)算，否則判定X無解，根據(jù)大量的實(shí)際數(shù)值的計(jì)算，3000次循環(huán)足夠得到X值。

圖1 迭代求解二階微分方程流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

藥代動力學(xué)計(jì)算軟件主要有四個模塊：計(jì)算與繪圖，數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)報(bào)表與打印，用戶管理。

在計(jì)算與繪圖模塊，用戶輸入分布相的零時截距A， 消除相的零時截距B， 分布速率常數(shù)α，消除速率常數(shù)β，最低殘留限量Y，允許誤差大小ε，置信度σ，可以計(jì)算出理論置信時間范圍，并畫出圖像。同時要求輸入平均溫度，以方便數(shù)據(jù)分析。對不能算出置信時間范圍的數(shù)據(jù)會提示無法算出，輸入數(shù)據(jù)有明顯問題的，程序也會給予提醒。

數(shù)據(jù)管理模塊主要完成數(shù)據(jù)從Excel表格中導(dǎo)入導(dǎo)出。經(jīng)調(diào)研，科研機(jī)構(gòu)現(xiàn)階段數(shù)據(jù)模型的數(shù)量并不是特別巨大，而且研究人員也習(xí)慣于將數(shù)據(jù)存儲在Excel表格內(nèi)，所以軟件不再另外建立數(shù)據(jù)庫，直接對Excel表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，可以直接將Excel表中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算軟件的面板，點(diǎn)擊某一行時會將該行的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到參數(shù)輸入欄中并計(jì)算繪制曲線。如果新算的數(shù)據(jù)要加入到Excel表中，只需要使用新增功能即可。對于行列不符合規(guī)范的表格，系統(tǒng)會提醒數(shù)據(jù)格式不符合規(guī)范，無法打開。

數(shù)據(jù)報(bào)表與打印主要支持?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算后生成報(bào)告，幫助科研人員迅速生成文檔，除了參數(shù)，計(jì)算結(jié)果和圖片外，用戶可以自己編輯備注信息加到報(bào)表中。

在用戶管理模塊，為了方便用戶安裝使用，也不需要加裝其他數(shù)據(jù)庫軟件，用戶名和密碼經(jīng)加密后存儲在本地文件中。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了藥代動力學(xué)三房室模型與一房室模型的計(jì)算與繪制曲線圖的方法，三房室模型的實(shí)現(xiàn)方法與二房室類似，增加了一個計(jì)算因子，一房室模型在時間軸上用對數(shù)表示，曲線圖為一條直線。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時重新繪制了相關(guān)面板，可以在計(jì)算模型選擇菜單欄中靈活切換這幾種模型。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖2。

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果圖

參考文獻(xiàn)

[1]芮建中，盧建豐，凌樹森.NONMEN程序及其在臨床藥理學(xué)中的應(yīng)用.藥學(xué)進(jìn)展，1997.21.

[2]謝海棠，黃曉暉，孫瑞元.中國臨床藥理學(xué)與治療學(xué)，2001.4.

[3]Y. Daniel Liang Java.語言程序設(shè)計(jì).基礎(chǔ)篇（原書第8版），2011.6.

收稿日期：2015-08-05

作者簡介：蔣理（1982—），男，江蘇南京人，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，碩士研究生，研究方向：數(shù)據(jù)交換技術(shù)。錢家好（1995—），男，江蘇南京人，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生，專業(yè)：移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。陳曉東（1994—），男，江蘇宿遷人，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生，專業(yè)：移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。王利軍（1995—），女，河南商丘人，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生，專業(yè)：移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。