生理系統(tǒng)建模與仿真

生理系統(tǒng)建模與仿真第1頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容6.1生理系統(tǒng)仿真的意義與作用6.2建立生理系統(tǒng)模型的基本方法6.3生理系統(tǒng)仿真的基本方法6.4生理系統(tǒng)模型的實(shí)例第2頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1生理系統(tǒng)仿真的意義與作用生理學(xué)可以說是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，對于生理系統(tǒng)的研究，傳統(tǒng)上有兩類方法：(1)臨床實(shí)驗(yàn)的方法：即在人體上進(jìn)行直接測量和實(shí)驗(yàn)；(2)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的方法：對于人體生理學(xué)研究而言，采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以看作是動(dòng)物模型。第3頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月一般而言，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法存在三個(gè)方面的局限性：1）動(dòng)物模型往往與人體差異較大，如何將其所得的結(jié)論推廣至人體是一個(gè)難題，在某些方面，其可信度和價(jià)值也值得懷疑；2）由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物存在個(gè)體差異，活體實(shí)驗(yàn)要得到具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律的結(jié)論，需要進(jìn)行大量的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，往往要耗費(fèi)大量的人力物力；3）受到實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件和實(shí)驗(yàn)手段的限制，如一些極端條件或?qū)嶒?yàn)周期過長等因素的限制。臨床實(shí)驗(yàn)雖然不存在上述的第一個(gè)局限性，但其余兩條仍然存在，而且，由于受倫理道德的限制，許多實(shí)驗(yàn)不能直接在人體上進(jìn)行。第4頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月生理學(xué)研究的第三種方法：生理系統(tǒng)的建模與仿真的方法彌補(bǔ)了上述傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的不足之處，稱為生理學(xué)研究的第三種研究方法。生理系統(tǒng)的建模與仿真方法，即是為了研究、分析生理系統(tǒng)而建立的一個(gè)與真實(shí)系統(tǒng)具有某種相似性的模型，然后利用這一模型對生理系統(tǒng)進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，這種在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程就稱為系統(tǒng)仿真。第5頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月模型大體可分為數(shù)學(xué)模型和物理模型兩類。物理模型是指實(shí)體的模型；簡單的物理模型如生理課上使用的—些物理教具：眼睛的模型、腦的模型等，復(fù)雜—些的如用于研究心臟功能的心室瓣膜模型和用膠皮管做成的血管模型。物理模型的特點(diǎn)主要是形象而且更接近于實(shí)際情況。其缺點(diǎn)是靈活性較差，且受到材料、加工等條件的限制、逐步被數(shù)學(xué)模型所取代。第6頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)學(xué)模型就是用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述研究對象的生理特性，它不象物理模型那樣追求與客觀實(shí)體的幾何結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)類似，只是要求較好地刻劃生理系統(tǒng)內(nèi)在的數(shù)量關(guān)系，從而可探求客觀實(shí)體的變化規(guī)律。例如，血液在血管中的流動(dòng)可以用流體力學(xué)的公式來描述；物質(zhì)的交換可以用連續(xù)性方程來描述，等等?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，凡是具有數(shù)學(xué)表達(dá)式的事物，都可編成計(jì)算機(jī)程序，不僅使許多繁雜的計(jì)算成為可能，而且使數(shù)學(xué)模型更加直觀和動(dòng)態(tài)化，從而動(dòng)態(tài)的模擬整個(gè)生理過程的活動(dòng)。第9頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)所建立模型的不同，系統(tǒng)仿真相應(yīng)的分成兩大類，即物理仿真和數(shù)學(xué)仿真。數(shù)學(xué)仿真由于往往都是借助于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，因此又稱為計(jì)算機(jī)仿真。第10頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月心臟模型的計(jì)算機(jī)仿真第11頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月膝關(guān)節(jié)模型的計(jì)算機(jī)仿真第12頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)仿真方法已經(jīng)普遍為許多領(lǐng)域所采用，并已顯現(xiàn)出許多其他實(shí)驗(yàn)手段所無法比擬的優(yōu)越性，主要反映在以下幾個(gè)方面：（1）可實(shí)現(xiàn)時(shí)空的伸縮：因?yàn)榉抡娉叨群蜁r(shí)間不一定等同于實(shí)際的時(shí)空尺度，故可實(shí)現(xiàn)時(shí)空的伸縮。例如，可在幾小時(shí)內(nèi)仿真實(shí)驗(yàn)出數(shù)百年中的事件，亦可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對宇宙空間進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。因此，系統(tǒng)仿真常常用來進(jìn)行預(yù)測。

第13頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）可實(shí)現(xiàn)極端條件下的實(shí)驗(yàn)：在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平上，有些極端條件下的真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是無法進(jìn)行的，例如電力系統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，以及許多生理實(shí)驗(yàn)都是無法進(jìn)行的，而運(yùn)用模型來進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)則不受這些實(shí)際條件的限制，可以隨意地考察系統(tǒng)在各種極端條件下的可能反應(yīng)。（3）可作為預(yù)研手段為真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)：例如在對生理系統(tǒng)的研究中，可通過進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)找出系統(tǒng)變化的規(guī)律性，然后再進(jìn)行少數(shù)活體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這樣既可節(jié)約大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，縮短實(shí)驗(yàn)周期，又可減少危險(xiǎn)性和提高效率。第14頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

正是由于仿真實(shí)驗(yàn)方法的上述優(yōu)勢，同時(shí)也由于生理系統(tǒng)自身的錯(cuò)綜復(fù)雜機(jī)制以及無擾動(dòng)在體實(shí)驗(yàn)手段的缺乏，在生理系統(tǒng)的研究中，建立模型和系統(tǒng)仿真的方法已成為基本的預(yù)研手段，并已應(yīng)用于幾乎人體的各個(gè)生理系統(tǒng)的研究中，發(fā)揮著重要的作用。第15頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2建立生理系統(tǒng)模型的基本方法要進(jìn)行系統(tǒng)仿真，首先要建立一個(gè)在某一特定方面與真實(shí)系統(tǒng)具有相似性的系統(tǒng)，真實(shí)系統(tǒng)稱為原型，而這種相似性的系統(tǒng)就稱為該原型系統(tǒng)的模型。對于生理系統(tǒng)，原型一般為真實(shí)的活體系統(tǒng)，而模型則為與這些活體系統(tǒng)在某些方面相似的系統(tǒng)。廣義而言，生理系統(tǒng)的模型不僅僅包括人造的物理或數(shù)學(xué)的模型，也應(yīng)包括動(dòng)物模型。但我們在這里所討論的模型概念僅限于狹義的人造模型。第16頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著電子技術(shù)的發(fā)展，建立模型的方法已由最初的靜態(tài)發(fā)展為動(dòng)態(tài)，由形態(tài)相似的實(shí)體模型發(fā)展為性質(zhì)和功能相似的電路模型，由用簡單數(shù)學(xué)公式描述的模型發(fā)展為用計(jì)算機(jī)程序語言描述的復(fù)雜運(yùn)算模型。然而，盡管模型的概念是建立在與其原型具有某種相似性的基礎(chǔ)之上的，但是，相似并不是等同。尤其是對生理系統(tǒng)的模型而言，到目前為止，還無法構(gòu)造一個(gè)與其原型完全一樣的模型。當(dāng)然，那也不是建立模型的目標(biāo)。第17頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)模型的建立往往蘊(yùn)含著下列三層意思：（1）理想化；（2）抽象化；（3）簡單化。這三點(diǎn)精辟地指出了建模與仿真方法的特色。從某種意義上說，在建立模型時(shí)并不苛求與其原型的等同性，相反，往往依所研究的目的將實(shí)際條件理想化，將具體事物抽象化，同時(shí)還常常對一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行一系列的簡化以適應(yīng)解決問題的需要。例如，對循環(huán)系統(tǒng)的研究時(shí)，實(shí)際的血液循環(huán)網(wǎng)是個(gè)大的閉合回路，同時(shí)又與全身各個(gè)器官和系統(tǒng)相耦合和作用。但根據(jù)建模的目的，可以有形形色色的模型。例如，當(dāng)研究心肌的力學(xué)特性時(shí)，可建立心肌的力學(xué)模型，而忽略其他因素的作用；而當(dāng)研究血管的輸運(yùn)作用時(shí)，則可將心臟簡化為一個(gè)泵。第18頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月正是由于在建立模型過程中所采用的理想化、抽象化、簡化等手段，一般而言，模型是難于全面地反映其所描述的客觀事物的，而僅僅能在有限的角度反映事物的某些特征。鑒于這一基本事實(shí)，把通過模型的方法對事物的表述稱為模型空間。同時(shí)，由于模型是基于某一真實(shí)系統(tǒng)而構(gòu)造的，因此，在模型空間所得出的問題的解就與真實(shí)空間同一問題的解有必然的聯(lián)系。第19頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.1物理模型按照真實(shí)系統(tǒng)的性質(zhì)而構(gòu)造的實(shí)體模型即物理模型。對生理系統(tǒng)而言，其物理模型通常是由非生物物質(zhì)構(gòu)成的，根據(jù)其與原型相似的形式可分為如下四種類型。

1.幾何相似模型

2．力學(xué)相似模型

3．生理特性相似模型

4．等效電路模型第21頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月1.幾何相似模型按照真實(shí)系統(tǒng)的尺度構(gòu)造比例而建立的物理模型，強(qiáng)調(diào)模型與原型的幾何形態(tài)上的相似性。例如在建立主動(dòng)脈血管模型時(shí)，采用將尸體的主動(dòng)脈取下后灌注硅橡膠，并在大約13.3kPa的生理壓強(qiáng)下進(jìn)行鑄型，先造成主動(dòng)脈弓的陽模，然后再用此陽模鑄型而構(gòu)造出與人體主動(dòng)脈幾何尺度相似的模型。第22頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月2．力學(xué)相似模型血液循環(huán)動(dòng)力學(xué)是循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)重要規(guī)律，為了研究這種流動(dòng)中的力學(xué)特性，在構(gòu)造模型時(shí)著重于與原型在動(dòng)力學(xué)特性上的相似性，例如保證血液所受的力，它的速度和加速度與活體情況相似。因?yàn)槟Ｐ筒牧吓c血管不同，故若要保證其力學(xué)方面的相似性，則往往犧牲其幾何方面的相似性，所以，也有人稱循環(huán)系統(tǒng)中的力學(xué)相似模型為畸變模型。第23頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月3．生理特性相似模型此時(shí)，既不追求幾何形態(tài)上的相似，亦不追求動(dòng)力學(xué)上的相似，而是以模擬出的生理特性為評判標(biāo)準(zhǔn)。例如當(dāng)建立主動(dòng)脈瓣膜時(shí)，將以其所給出的主動(dòng)脈血壓波型是否與生理波形相似為標(biāo)準(zhǔn)而構(gòu)造其物理模型。第24頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月4．等效電路模型因?yàn)樵S多系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性都可用一個(gè)等效電路來描述，故亦可用模擬電路作為系統(tǒng)的一個(gè)模型。例如在循環(huán)系統(tǒng)中，常常將血流阻尼等效為電阻，血流慣性等效為電感，血管彈性等效為電容，血壓等效為電壓，而血流等效為電流。第25頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

物理模型的優(yōu)點(diǎn)是直觀、形象化、易于理解，可以在控制條件下進(jìn)行長時(shí)間重復(fù)實(shí)驗(yàn)，對于所要進(jìn)行測量的物理量也有明確的意義，有時(shí)還可為數(shù)學(xué)模型的建立提供一些數(shù)據(jù)。但是，構(gòu)造一套物理模型有時(shí)將花費(fèi)比較大的投資，建立的周期較長，且應(yīng)用范圍有限，很難修改模型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利用其做試驗(yàn)就受到限制。所以，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，數(shù)學(xué)模型受到越來越多的重視。第26頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月 6.2.2數(shù)學(xué)模型

所謂數(shù)學(xué)模型，就是用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述事物的數(shù)學(xué)特性，它不像物理模型那樣追求與客觀事物的幾何結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)的相似性，但可較好地刻劃系統(tǒng)內(nèi)在的數(shù)量聯(lián)系，從而可定量地探求系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律。同時(shí)，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了數(shù)學(xué)模型的發(fā)展。凡是具有數(shù)學(xué)表達(dá)式的事物，都可以編成計(jì)算機(jī)程序。這不僅使許多繁雜的計(jì)算成為可能，還使數(shù)學(xué)模型更加直觀形象和動(dòng)態(tài)化。第27頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)采用數(shù)學(xué)模型來刻劃生理系統(tǒng)中的定量關(guān)系時(shí)，數(shù)學(xué)表達(dá)式中的各個(gè)參數(shù)代表系統(tǒng)的固有特性。例如血流中的阻尼系數(shù)表征血液的粘稠度。由醫(yī)學(xué)上可知，當(dāng)人體內(nèi)的固有特性發(fā)生變化時(shí)，則對應(yīng)于各種病癥。例如當(dāng)血管彈性系數(shù)下降時(shí)則對應(yīng)于動(dòng)脈硬化。因此，當(dāng)一個(gè)模型中的參數(shù)變化時(shí)，就相當(dāng)于構(gòu)造了種種病例，而這種參數(shù)的改變對于軟件形式的數(shù)學(xué)模型而言，可以說是輕而易舉的。第28頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

構(gòu)造一個(gè)數(shù)學(xué)模型主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：（1）系統(tǒng)中各個(gè)作用環(huán)節(jié)的描述；（2）表征系統(tǒng)的固有特征量的提取。第一個(gè)內(nèi)容即是尋求一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系來描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和內(nèi)在聯(lián)系。這種數(shù)學(xué)表述既可以是線性的，也可以是非線性的，既可以是解析的．也可以是邏輯運(yùn)算，只要是可合理地描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)都可采納。后一個(gè)內(nèi)容即參量的提取則主要來源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)然，在某些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏的情況下，亦可采用擬合、迭代、尋優(yōu)等手段來確定模型參量。第29頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月建立生理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法主要有如以下兩種：1．黑箱方法2．推導(dǎo)方法第30頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月1．黑箱方法所謂黑箱方法，是科學(xué)方法論中的一個(gè)重要概念。黑箱是指對所研究的系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造和機(jī)理一無所知，僅僅能從外部的可觀測量，如系統(tǒng)的輸入與輸出來考察系統(tǒng)。如果還部分地知道系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)等信息，則此系統(tǒng)稱為灰箱；若對系統(tǒng)的信息完全掌握時(shí)，則該系統(tǒng)就稱之為白箱。對于生理系統(tǒng)，可以說有的是知之甚少，有的是還不完全了解，因而，這些問題的研究就屬于黑箱或灰箱問題。例如，生理系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)和補(bǔ)償機(jī)理目前還不很清楚，可觀測的情況還主要是作為輸入的外部刺激，以及相應(yīng)的系統(tǒng)反應(yīng)，即輸出的變化情況。因此，這一調(diào)節(jié)系統(tǒng)即為黑箱或灰箱系統(tǒng)。第31頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

要研究黑箱系統(tǒng)，顯然有兩種辦法，一種是打開黑箱的辦法，即通過一定手段，如生理解剖、化驗(yàn)等，達(dá)到使原來不可觀測和控制的系統(tǒng)參量成為可直接觀測和控制的。這種方法并不總是可行的，至少在以下兩種情況下打開黑箱的辦法是無法做到的：其一是對于那些內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，生命系統(tǒng)就屬于此類，由于觀測手段有限，尚無法完全了解；其二是對于那些若打開黑箱，則其操作會(huì)嚴(yán)重干擾原系統(tǒng)，而使獲得的觀測信息不可靠或根本無法表征原系統(tǒng)。例如對于心臟的研究，若不開胸，則無法直接觀測在體心臟的某些狀況，而一旦開胸，則系統(tǒng)將處于異常狀態(tài)．那么所記錄的觀測結(jié)果就不一定是在體心臟的情況了。第32頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月另一種方法，即不打開黑箱，而僅僅通過黑箱外部的輸入與輸出關(guān)系的研究來得出一些關(guān)于黑箱內(nèi)部情況的推理，從而達(dá)到了解黑箱內(nèi)部構(gòu)造及特性和機(jī)理等情況的方法就更為可取。這樣一種不去追究系統(tǒng)內(nèi)部細(xì)節(jié)，而僅利用外部觀測來研究系統(tǒng)的功能和特性的方法就稱之為黑箱方法。第33頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)閮H僅依據(jù)輸入輸出特性來觀察系統(tǒng)而得出的關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性的推論不一定與實(shí)際系統(tǒng)的情況一致，而只能是一個(gè)具有與實(shí)際系統(tǒng)相似的輸入和輸出特性的系統(tǒng)，或者說是在輸入與輸出特性上相似的模型。因而，在采用黑箱方法研究時(shí)，其中的系統(tǒng)（或所謂的黑箱）也稱之為黑箱模型。第34頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月作為數(shù)學(xué)模型，一個(gè)黑箱問題實(shí)際上就是構(gòu)造一個(gè)聯(lián)系輸入與輸出的傳遞函數(shù)，黑箱問題由三部分組成：輸入X(s)，輸出Y(s)和黑箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)，這三者間的關(guān)系如下：

Y(s)=H(s)X(s)第35頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月由此可見，對于黑箱，其數(shù)學(xué)模型即為滿足某一特定輸入輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)。那么，欲建立某一系統(tǒng)的黑箱模型，則需要獲得該系統(tǒng)的輸入與輸出的信息。這兩方面信息的獲取常常通過對實(shí)際系統(tǒng)施加某種刺激并同時(shí)記錄下系統(tǒng)的響應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)．刺激信號即為系統(tǒng)的輸入函數(shù)X(s)，而系統(tǒng)在此刺激下的響應(yīng)則為系統(tǒng)的輸出函數(shù)Y(s)。第36頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月例如，為了研究血壓對心率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用機(jī)制，則可通過一個(gè)可令血壓下降的刺激如失血，同時(shí)記錄下心率在此刺激下的反應(yīng)，那么，由此而獲得的關(guān)于血壓與心率之間的函數(shù)關(guān)系即為此心率受血壓影響而進(jìn)行調(diào)節(jié)的黑箱模型，這里就沒去追究這種由血壓所引起的心率變化是如何產(chǎn)生的等內(nèi)部細(xì)節(jié)。第37頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月黑箱方法具有簡單易行，不破壞系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在解決生命系統(tǒng)的問題上有其獨(dú)到之處，但它僅僅強(qiáng)調(diào)了外部觀測和系統(tǒng)在某一方面的整體功能。對于某些問題而言，這已足夠了，但對另一些問題，則可能還需要進(jìn)一步了解系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、局部細(xì)節(jié)以及作用機(jī)理。此時(shí)，黑箱方法就應(yīng)與其他方法一起結(jié)合運(yùn)用。

第38頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月 2．推導(dǎo)方法 推導(dǎo)方法適用于那些內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理已部分地被人們所認(rèn)識(shí)的系統(tǒng)。那么，就可根據(jù)該系統(tǒng)的物理化學(xué)過程以及解剖學(xué)與生物學(xué)知識(shí)，用分析的方法推導(dǎo)出描述系統(tǒng)功能和特性的模型。推導(dǎo)方法首先要確定生理系統(tǒng)在解剖構(gòu)成上的劃分，而系統(tǒng)的劃分是以被研究的系統(tǒng)功能為原則，將那些與這些功能有關(guān)的劃入系統(tǒng)內(nèi)，否則，則應(yīng)劃到系統(tǒng)之外。一旦確定了系統(tǒng)的組成，則可利用已知的有關(guān)該系統(tǒng)的構(gòu)造、功能、機(jī)理等知識(shí)來推出其數(shù)學(xué)模型。例如用于研究藥物動(dòng)力學(xué)的房室模型；耳蝸對聲音的感受器模型；前庭平衡系統(tǒng)中的半規(guī)管模型等，都可用推導(dǎo)方法來建立。第39頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月利用已有的認(rèn)識(shí)來構(gòu)造一個(gè)與原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似的數(shù)學(xué)模型，則模型中的每一變量將對應(yīng)于原系統(tǒng)中的一個(gè)生理量，同時(shí)模型中的各個(gè)參量也具有較為明確的生理意義。這種由一組具有生理意義的參變量所構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型則稱為參數(shù)模型。因?yàn)閰?shù)模型中的各參量都對應(yīng)于相應(yīng)的生理參量，故參數(shù)模型中的各參數(shù)的取值一般需要通過生理實(shí)驗(yàn)來測定。第40頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

與黑箱模型相比，參數(shù)模型的生理意義較為明確，但其建立要求對系統(tǒng)有足夠的認(rèn)識(shí)和必要的實(shí)驗(yàn)手段。當(dāng)然，采用參數(shù)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)一般可獲得較多的關(guān)于系統(tǒng)的信息，并可較好地與實(shí)際生理病理現(xiàn)象相對應(yīng)。第41頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月但是，畢竟人們對自身的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)淺薄，因此，可以用推導(dǎo)方法建立的生理模型也為數(shù)不多，尤其是涉及神經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，就更難以用定量的方法來描述。由于人們對生理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)多處于定性的階段，對其定量的研究還很不夠，因此也給生理系統(tǒng)的建模以及模型在活體上的驗(yàn)證帶來了困難。另外，對于某些生理系統(tǒng)，我們所具備的生理解剖知識(shí)雖然尚未達(dá)到從推導(dǎo)方法建立數(shù)學(xué)模型的程度，但若其系統(tǒng)功能是清楚的，則可利用工程的方法建立一種與其功能上是一致的、而其內(nèi)部結(jié)構(gòu)未必有生理解剖基礎(chǔ)的功能性模型。第42頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3生理系統(tǒng)仿真的基本方法

建立研究對象的模型是為了進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。若所建立的是實(shí)體的物理模型，則將模型運(yùn)轉(zhuǎn)起來即可進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。例如，當(dāng)采用一個(gè)直流電機(jī)推動(dòng)容水膠囊向外擠出水流作為心臟泵血的物理模型時(shí)，則一經(jīng)開動(dòng)電機(jī)，此模擬系統(tǒng)即開始運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@種運(yùn)轉(zhuǎn)是模仿真實(shí)心臟的收縮泵血活動(dòng)的，故稱之為仿真。第43頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月然而一個(gè)數(shù)學(xué)模型建立后，與物理模型不同，尚不能直接進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。正如我們前面提到的，數(shù)學(xué)模型的仿真一般要借助計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這將包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：（1）建立一個(gè)仿真模型；（2）運(yùn)行仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。第44頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真模型與數(shù)學(xué)模型不同，數(shù)學(xué)模型僅僅是系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)描述，對于連續(xù)系統(tǒng)而言，就是一組數(shù)學(xué)方程式。為了可以利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，則需要將這些數(shù)學(xué)方程式轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)算法，并將其用計(jì)算機(jī)語言編制出程序，這種用計(jì)算機(jī)程序所表述的模型一般不完全等同于原來的數(shù)學(xué)模型，但應(yīng)該是一種很好的近似，并稱之為仿真模型。那么，仿真模型在計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行則形成了仿真實(shí)驗(yàn)。因此，計(jì)算機(jī)仿真與原型系統(tǒng)之間經(jīng)歷了兩個(gè)基本過程，即建立數(shù)學(xué)模型，而后再建立仿真模型。第45頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月為解決數(shù)學(xué)表達(dá)形式與計(jì)算機(jī)之間的銜接問題，或稱為仿真模型的構(gòu)造問題，產(chǎn)生了一門新的學(xué)科分支：系統(tǒng)仿真。第46頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月生理系統(tǒng)仿真主要應(yīng)用于三個(gè)方面的研究中：（1）用于研究人體系統(tǒng)的生理機(jī)制；（2）用于研究人體系統(tǒng)的病理機(jī)制及其診治方法；（3）用于研究在超常環(huán)境下生理系統(tǒng)的變化及防護(hù)辦法。第47頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4生理系統(tǒng)模型的實(shí)例6.4.1房室模型6.4.2血液循環(huán)系統(tǒng)模型6.4.3虛擬人模型第48頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.1房室模型

房室模型最初是在藥物動(dòng)力學(xué)中發(fā)展起來的，用于研究藥物在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律。后來，這一方法亦為其他生理系統(tǒng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的研究所采納，如內(nèi)分泌系統(tǒng)激素分泌代謝模型、血糖代謝模型、人工腎透析模型等，房室模型已成為一個(gè)典型的生理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。第49頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

房室，亦稱為組分，是一個(gè)由有限個(gè)子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，其中每一個(gè)子系統(tǒng)都稱之為一個(gè)房室。通常，一個(gè)房室既可以是解剖學(xué)或生理學(xué)意義上的一個(gè)器官或一組器官，亦可以是某種特定物質(zhì)在其內(nèi)均勻分布的虛擬容器。為了進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述，一般對房室做如下假定：（1）房室是具有固定容量的，內(nèi)含均勻分布的單一物質(zhì)的容器；（2）各房室間可以進(jìn)行物質(zhì)交換，外環(huán)境的物質(zhì)可輸入到一個(gè)或多個(gè)房室，一個(gè)或多個(gè)房室的物質(zhì)也可以輸出到外環(huán)境；（3）房室系統(tǒng)中的物質(zhì)交換，均服從物質(zhì)守恒定律，即系統(tǒng)中物質(zhì)總量的改變等于輸入總量與輸出總量之差。第50頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月按照上述規(guī)定，則一個(gè)兩房室系統(tǒng)可用如下示意圖來描述。圖中第i室的容積用Vi表示，指定物質(zhì)在第i室的總量及濃度則分別用Xi和Ci來表示。有Ci=Xi/Vi成立。各房室間以及房室與外環(huán)境間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)由物質(zhì)流動(dòng)速率kij與fij來表示，其中約定第一下標(biāo)為目標(biāo)房室的序號，而第二下標(biāo)為源房室的序號。第51頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)檠涸谖镔|(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中起著重要的作用，故在建立房室模型時(shí)，往往將血液總括為一個(gè)中心房室，此房室與其他稱為周邊房室的組織和器官的房室雙向聯(lián)系。房室模型的參數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)來確定。第54頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用房室模型建立藥物動(dòng)力學(xué)模型：房室系統(tǒng)與外環(huán)境的交換主要是藥物的輸入和排泄。根據(jù)給藥方式的不同，其輸入速率取不同的函數(shù)形式。對臨床上常用的四種給藥方式，其輸入速率可以用下面四種函數(shù)近似表示。第55頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）靜脈推注給藥：此時(shí)的給藥持續(xù)時(shí)間相當(dāng)短，可用δ函數(shù)來表示，當(dāng)設(shè)給藥總量為D時(shí)、則有：

f(t)=Dδ(t)（2）靜脈點(diǎn)滴給藥：此時(shí)藥物將以一個(gè)恒定速度在一個(gè)周期內(nèi)均勻地流入體內(nèi)。設(shè)給藥總量為D，給藥(即點(diǎn)滴)持續(xù)時(shí)間為τ,則其流入的速率為：

其中，u(t)為單位階躍函數(shù)：第56頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）肌肉注射給藥：此時(shí)，藥物要經(jīng)過肌肉的吸收才能進(jìn)入血液循環(huán)。在藥物被肌肉吸收的過程中，其吸收速率將隨著藥物的局部濃度的減少而減小。因此，可假設(shè)其流入的速率為指數(shù)衰減形式，對于給藥量D，設(shè)其衰減系數(shù)為α，則有：

（4）口服給藥：口服給藥的作用方式與肌肉注射類似，但藥物要經(jīng)過胃腸道吸收，因此藥物往往不能完全被利用，在吸收前即有被排泄或轉(zhuǎn)化的可能。設(shè)口服藥的利用率為F，則其流入體內(nèi)的速率可由下式描述：第57頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月藥物從體內(nèi)排出，主要通過尿道、呼吸道、胃腸道等途徑，因此，只要測定了排泄物中的藥量，就測得了系統(tǒng)的輸出量。第58頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，研究安替比林靜脈推注后的血藥濃度曲線，由于安替比林經(jīng)靜脈推注后20分鐘，就能在各組織間達(dá)到平衡，該藥在各組織中平衡時(shí)的濃度與在血漿中的濃度極其近似。因此對這類具有轉(zhuǎn)運(yùn)均衡性藥物的體內(nèi)過程，用一室模型模擬其體內(nèi)變化很合適。第59頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)質(zhì)量守恒定律，血液中藥物變化量等于該時(shí)刻藥物進(jìn)入血液速率與從血液排泄出去的速率之差，得：

由于靜脈推注時(shí)輸入f10=Dδ(t)得：

求解此微分方程，得：

那么，藥物血藥濃度為：第60頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月 6.4.2血液循環(huán)系統(tǒng)模型1．血管中血流的流體動(dòng)力學(xué)模型2．心臟收縮特性模型3．循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型第61頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月 1．血管中血流的流體動(dòng)力學(xué)模型 因?yàn)檠菏橇黧w，可以應(yīng)用流體力學(xué)理論來研究血液在血管個(gè)的流動(dòng)機(jī)理。若假設(shè)血液為不可壓縮的牛頓液體，且血管截面為圓形，則血液在血管中的流動(dòng)過程可以用流體力學(xué)中的納維—斯托克思方程來描述：

其中，ρ是血液的重力密度，v是血流速度，t是時(shí)間，p是血壓，μ是血液粘滯系數(shù)，g是重力加速度。第62頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)過一系列簡化和推導(dǎo)后，可以得出以下結(jié)論：血管中的血壓和血流的關(guān)系類似于電路中的電壓和電流之間的關(guān)系，因此，可以用一個(gè)等效電路來模擬血流在血管中的流動(dòng)狀態(tài)。第63頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月圖中電阻表示等效流阻，電感表示等效流感，電容表示血管順應(yīng)性，電壓表示血壓，電流表示血流。有了這樣—個(gè)模型，對于給定的血管和血液參數(shù)，就可計(jì)算當(dāng)血壓變化時(shí)的血流變化，或當(dāng)血流變化時(shí)的血壓變化，以及各參量的改變引起的變化，如血管硬化時(shí)的情況等。第64頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月2．心臟收縮特性模型對心臟收縮特性的研究主要分為以下三類：（1）將心室視為輸入輸出關(guān)系來描述的液壓裝置；（2）將心室視為一個(gè)泵，用心室的血壓/容積之比來描述；（3）將心室視為心肌纖維集合，用心肌機(jī)械特性來描述。第65頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）心室液壓裝置物理模型第66頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）心室的血壓/容積的等效電路模型第67頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）心肌機(jī)械特性模型第68頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月3．循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型（1）物理模型：人工心臟瓣膜檢測模型第69頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）

數(shù)學(xué)模型：血液循環(huán)與反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型第70頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.3虛擬人模型虛擬人體的發(fā)展已經(jīng)有幾十年歷史，到目前為止有美國、韓國和中國報(bào)道了“虛擬人”切片建模數(shù)據(jù)集，其中美國有三個(gè)大的信息源頭，并有全方位模擬人體的長遠(yuǎn)計(jì)劃：1、由美國國立醫(yī)學(xué)圖書館倡議的可視人體項(xiàng)目（VHP），側(cè)重于人體結(jié)構(gòu)的數(shù)字化以及相關(guān)知識(shí)庫的研究。2、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室提出的虛擬人體計(jì)劃（VirtualHuman），利用VHP數(shù)據(jù)側(cè)重人體機(jī)能模擬，目前為器官級。3、由美國科學(xué)家聯(lián)盟提出的數(shù)字化人體項(xiàng)目（DigitalHuman），所建造的數(shù)字人體信息庫是最完整的。其研究強(qiáng)項(xiàng)是細(xì)胞級虛擬人體模擬。第71頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字人(DigitizedHuman)：把人體的結(jié)構(gòu)以數(shù)字形式表達(dá)出來，能夠利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理?？梢暼?VisibleHumam)：從幾何學(xué)角度定量描繪人體的解剖結(jié)構(gòu)，屬于“解剖人”。物理人(PhysicalHuman)：在“可視人”基礎(chǔ)上，考慮人體組織的力學(xué)特性和形變等物理特性。生理人(PhysiomeHuman)：在“物理人”基礎(chǔ)上，包括生理特性的數(shù)字化人體稱為“生理人”。虛擬人(VirtualHuman)：研究人體微觀結(jié)構(gòu)及生化特性。虛擬人應(yīng)能最真實(shí)、最深入地從解剖、物理、生理、生化，從宏觀到微觀，從表象到本質(zhì)全面反映人體結(jié)構(gòu)和功能的交互式數(shù)字化人體。第72頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月美國國立醫(yī)學(xué)圖書館VHP虛擬人網(wǎng)站/research/visible/第73頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月/第74頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月解剖結(jié)構(gòu)瀏覽器第75頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第76頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第77頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月美國可視化人體網(wǎng)站//cdvhp/index.htm第78頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第79頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月幾個(gè)錄象實(shí)例第80頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月可視人計(jì)劃：1989年美國國立醫(yī)學(xué)圖書館建立了采集人體橫斷面CT、MRI（磁共振）和組織學(xué)數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，其目的是為利用計(jì)算機(jī)圖像重構(gòu)技術(shù)建造虛擬人體作準(zhǔn)備，項(xiàng)目名稱為VisibleHumanProject（VHP），即可視化人體。該項(xiàng)目由科羅拉多大學(xué)承擔(dān)實(shí)施，分別于1991年和1994年選擇了男女各一個(gè)活體。男的身高1.82米，女的身高1.54米。在他們死后，立即用CT和MRI作了軸向掃描，男的間距1毫米，共1878個(gè)斷面。女的間距0．33毫米，共5189個(gè)斷面。然后將尸體填充藍(lán)色乳膠并裹以明膠后冰凍至攝氏零下80度。再以同樣的間距對尸體作組織切片的攝影。這些數(shù)據(jù)稱為VHP數(shù)據(jù)集。第81頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月VHP數(shù)據(jù)集第82頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第83頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第84頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第85頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第86頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月VHP數(shù)據(jù)集的應(yīng)用：A．通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)行和傳播VHP數(shù)據(jù)集B．虛擬解剖圖譜C．虛擬內(nèi)窺鏡D．微觀組織三維重構(gòu)E．VHP動(dòng)畫F．作為解剖基礎(chǔ)的虛擬醫(yī)療處置培訓(xùn)設(shè)備。第87頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月虛擬內(nèi)窺鏡第88頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月VHP動(dòng)畫第89頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月虛擬人計(jì)劃：美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室于1999年10月分別向國家科學(xué)院以及國會(huì)遞交了關(guān)于虛擬人體計(jì)劃的正式報(bào)告，其主要設(shè)想是將人類基因組計(jì)劃、人體機(jī)能建模和可視人計(jì)劃的研究結(jié)果結(jié)合起來。所謂虛擬人體是將數(shù)據(jù)、生物物理和其它模型以及高級計(jì)算算法整合成一個(gè)研究環(huán)境，研究人體對外界刺激的反應(yīng)。將物理學(xué)（例如組織的電和力學(xué)屬性）和生物學(xué)（生理和生化信息）結(jié)合起來構(gòu)成一個(gè)平臺(tái)，能夠預(yù)報(bào)對各種外界刺激（生理、生物化學(xué)乃至心理學(xué)）的反應(yīng)并且能夠觀察結(jié)果。第90頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月虛擬人體計(jì)劃構(gòu)成虛擬人體計(jì)劃是從微觀到宏觀全方位模擬人體，包含宏觀、微觀和中觀3個(gè)層次，包括多個(gè)子課題:第91頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

A．呼吸和心搏的神經(jīng)控制呼吸和心搏具有連續(xù)調(diào)節(jié)的機(jī)制。稱為中樞模式發(fā)生器（CPG）的腦干神經(jīng)電路系統(tǒng)確定呼吸和心搏的工作模式，力學(xué)感受器、血流化學(xué)感受器以及其它神經(jīng)電路系統(tǒng)提供各種模式調(diào)節(jié)的反饋。研究人員正在開發(fā)一種呼吸和心搏電路系統(tǒng)的整合模型，可以控制血?dú)庵醒鹾投趸妓?。最終目標(biāo)是描述呼吸的正常和異常模式。

第92頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

B．虛擬人體的呼吸系統(tǒng)模型虛擬人體的呼吸系統(tǒng)模型將特定的器官解剖模型（肺臟）和生理模型（呼吸和心血管）結(jié)合起來。建模的條件包括正常的肺、哮喘肺和肺炎胸腔（肺穿孔），生成的肺音概貌和診斷檢查中實(shí)際記錄的人的肺音進(jìn)行比較。

第93頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

C．虛擬鼠圖譜建造由于對鼠的遺傳特征和基因機(jī)能已經(jīng)進(jìn)行了透徹的研究，對鼠建立模型可以充當(dāng)人體模型的原型。研究的領(lǐng)域包括：正常動(dòng)物、能夠誘發(fā)動(dòng)物患病的特定處置、特定的遺傳類型。鼠的數(shù)字化模型需要橫斷面數(shù)字化數(shù)據(jù)。常規(guī)醫(yī)用CT的空間分辨率為1－2毫米數(shù)量級，這項(xiàng)研究將以小于0.1毫米的空間分辨率產(chǎn)生重構(gòu)的圖像，其精確程度達(dá)到醫(yī)生研究人體生理學(xué)需要的精確性。第94頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

D．基于可視人建模的癌癥放療規(guī)劃系統(tǒng)癌癥放療規(guī)劃的挑戰(zhàn)是放射劑量大小和面積的極小化。癌癥放療規(guī)劃系統(tǒng)利用VHP男性頭部和軀干的冰凍CT圖像建造了一個(gè)虛擬人體軀干，并開發(fā)了放射線對臨近組織的擴(kuò)散算法，使得放射劑量得到優(yōu)化。第95頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月第96頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月

E．人體有限元網(wǎng)格模型要從理性上預(yù)防災(zāi)難就首先要對人體災(zāi)難