生理系统建模与仿真.ppt

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1、生理系统建模与仿真现在学习的是第1页，共66页 研究重点：模拟生理、病理及各种特殊条件下人体研究重点：模拟生理、病理及各种特殊条件下人体各系统的生物力学响应。各系统的生物力学响应。口腔、心血管、脊柱、髋、腕等部位的生物力学建模口腔、心血管、脊柱、髋、腕等部位的生物力学建模及其在医学、医疗器械设计中的应用。及其在医学、医疗器械设计中的应用。虚拟人虚拟人应用于超重、失重、碰撞、个性化手术导航与评应用于超重、失重、碰撞、个性化手术导航与评价等多个领域。价等多个领域。生理系统建模与仿真生理系统建模与仿真已成为生物医学研究、医已成为生物医学研究、医疗器械设计、手术导航、航空航天生物医学工程疗器械设计、手

2、术导航、航空航天生物医学工程、康复工程研究的重要手段。、康复工程研究的重要手段。现在学习的是第2页，共66页主要内容主要内容 1 1 生理系统仿真的意义与作用生理系统仿真的意义与作用 2 2 建立生理系统模型的基本方法建立生理系统模型的基本方法 3 3 生理系统仿真的基本方法生理系统仿真的基本方法 4 4 生理系统模型的实例生理系统模型的实例现在学习的是第3页，共66页1 1 生理系统仿真的意义与作用生理系统仿真的意义与作用 生理系统的研究，传统上有两类方法：生理系统的研究，传统上有两类方法：(1)(1)临床实验临床实验的方法的方法即在人体上进行直接测量和实验；即在人体上进行直接测量和实验；(

3、2)(2)动物实验动物实验的方法的方法对于人体生理学研究而言，采用动物实验可以看作是动物模型。对于人体生理学研究而言，采用动物实验可以看作是动物模型。现在学习的是第4页，共66页 动物实验法动物实验法存在三方面的局限性：存在三方面的局限性：1 1）动物模型往往与人体差异较大动物模型往往与人体差异较大，如何将其所得的结论推广至，如何将其所得的结论推广至人体是一个难题，在某些方面，其可信度和价值也值得怀疑人体是一个难题，在某些方面，其可信度和价值也值得怀疑；2 2）由于实验动物存在）由于实验动物存在个体差异个体差异，活体实验要得到具有统计规，活体实验要得到具有统计规律的结论，需要进行大量的重复性实

4、验，往往要耗费大量律的结论，需要进行大量的重复性实验，往往要耗费大量的人力物力；的人力物力；3 3）受到实验技术条件和实验手段的限制受到实验技术条件和实验手段的限制，如一些极端条件或，如一些极端条件或实验周期过长等因素的限制。实验周期过长等因素的限制。现在学习的是第5页，共66页 临床实验临床实验虽然不存在上述的第一个局限性，但其余虽然不存在上述的第一个局限性，但其余两条仍然存在，而且，由于受伦理道德的限制，许多两条仍然存在，而且，由于受伦理道德的限制，许多实验不能直接在人体上进行。实验不能直接在人体上进行。替代的方法替代的方法-生理学研究的第三种方法生理学研究的第三种方法生理系统的建模与仿真

5、生理系统的建模与仿真现在学习的是第6页，共66页 生理系统的建模与仿真方法：即是生理系统的建模与仿真方法：即是为了为了研究、分析生理系统而建立的一个与真实研究、分析生理系统而建立的一个与真实系统具有某种相似性的系统具有某种相似性的模型模型，然后利用这，然后利用这一模型一模型对生理系统进行一系列实验对生理系统进行一系列实验，这种，这种在模型上进行实验的过程就称为在模型上进行实验的过程就称为系统仿真系统仿真。现在学习的是第7页，共66页模型可分为模型可分为物理模型物理模型和和数学模型数学模型 物理模型物理模型是指实体的模型是指实体的模型现在学习的是第8页，共66页 物理模型的物理模型的特点特点：形

6、象，接近于实际情：形象，接近于实际情况。况。缺点：缺点：花费大，周期长花费大，周期长；灵活性较差，灵活性较差，且受到材料、加工等条件的限制。且受到材料、加工等条件的限制。现在学习的是第9页，共66页 数学模型数学模型：用：用数学表达式数学表达式来描述研究对象的来描述研究对象的生理特性，要求较好地刻划生理系统内在的数生理特性，要求较好地刻划生理系统内在的数量关系，从而可探求客观实体的变化规律。量关系，从而可探求客观实体的变化规律。如：研究血液在血管中的流动，可以用如：研究血液在血管中的流动，可以用流体力学的公式来描述流体力学的公式来描述现在学习的是第10页，共66页 现代计算机技术的发展又进一步

7、促进了现代计算机技术的发展又进一步促进了数学模型的发展：数学模型的发展：凡是具有数学表达凡是具有数学表达式的事物，都可编成计算机程序式的事物，都可编成计算机程序，而，而且使数学模型更加直观和动态化，从而且使数学模型更加直观和动态化，从而动态的模拟整个生理过程的活动。动态的模拟整个生理过程的活动。现在学习的是第11页，共66页 根据所建立模型的不同，系统仿真相根据所建立模型的不同，系统仿真相应的分成两大类：应的分成两大类：物理仿真物理仿真 数学仿真数学仿真，又称为，又称为计算机仿真计算机仿真现在学习的是第12页，共66页心脏模型的计算机仿真心脏模型的计算机仿真现在学习的是第13页，共66页人体模

8、拟仪人体模拟仪现在学习的是第14页，共66页计算机仿真优越性：计算机仿真优越性：（1 1）可实现时空的伸缩可实现时空的伸缩：可在几小时内仿真实：可在几小时内仿真实验出数百年中的事件验出数百年中的事件（2 2）可实现极端条件下的实验：可实现极端条件下的实验：高温（高寒）下高温（高寒）下人体器官的耐受性实验；人体器官的耐受性实验；现在学习的是第15页，共66页（3 3）可作为一种预研的手段，为真实系统可作为一种预研的手段，为真实系统运行奠定基础运行奠定基础例如：可通过进行大量的仿真实验找出系统的变例如：可通过进行大量的仿真实验找出系统的变化规律，然后再进行少量活体实验进行验证，这化规律，然后再进行

9、少量活体实验进行验证，这样既可节约大量实验经费，缩短实验周期，又可样既可节约大量实验经费，缩短实验周期，又可减少危险性和提高效率。减少危险性和提高效率。实车碰撞试验实车碰撞试验汽车碰撞汽车碰撞-模拟实验模拟实验现在学习的是第16页，共66页 在生理系统的研究中，建立模型和在生理系统的研究中，建立模型和系统仿真的方法已成为基本的预研手段系统仿真的方法已成为基本的预研手段，并已应用于几乎人体的各个生理系统，并已应用于几乎人体的各个生理系统的研究中。的研究中。现在学习的是第17页，共66页主要内容主要内容 1 1 生理系统仿真的意义与作用生理系统仿真的意义与作用18 2 2 建立生理系统模型的基本方

10、法建立生理系统模型的基本方法 3 3 生理系统仿真的基本方法生理系统仿真的基本方法 4 4 生理系统模型的实例生理系统模型的实例现在学习的是第18页，共66页2 2、建立生理系统模型的基本方法、建立生理系统模型的基本方法 要进行系统仿真，首先要要进行系统仿真，首先要建立一个建立一个在某一特定方面与真实系统具有相似性在某一特定方面与真实系统具有相似性的系统的系统，真实系统称为，真实系统称为原型原型，而这种相，而这种相似性的系统就称为该原型系统的似性的系统就称为该原型系统的模型模型。现在学习的是第19页，共66页2 2、建立生理系统模型的基本方法建立生理系统模型的基本方法 生理系统生理系统原型原型

11、：真实的活体系统：真实的活体系统模型模型：与活体系统在某些方面相似的系统：与活体系统在某些方面相似的系统20现在学习的是第20页，共66页建立模型的方法已经：建立模型的方法已经：由最初的由最初的静态静态发展为发展为动态动态；由由形态相似形态相似的实体模型发展为的实体模型发展为性质和功能相性质和功能相似似的电路模型；的电路模型；由用由用简单数学公式简单数学公式描述的模型发展为用描述的模型发展为用计计算机程序语言描述算机程序语言描述的复杂运算模型。的复杂运算模型。现在学习的是第21页，共66页 20072007年年 加拿大卡尔加里大学医学院的研究人员们完加拿大卡尔加里大学医学院的研究人员们完成了全

12、球首个成了全球首个“4D”4D”人体活动模型人体活动模型，不但可以精确展示，不但可以精确展示人体内部情况，还能跟踪时间流逝对人体组织的影响人体内部情况，还能跟踪时间流逝对人体组织的影响所谓的第四维。所谓的第四维。这些图片不是静态的，而是可按时间动态演示人体结构变化现在学习的是第22页，共66页现在学习的是第23页，共66页现在学习的是第24页，共66页现在学习的是第25页，共66页 然而，尽管模型的概念是建立在与其原型具有然而，尽管模型的概念是建立在与其原型具有某种相似性的基础之上的，但是，某种相似性的基础之上的，但是，相似并不相似并不是等同是等同。尤其是对生理系统的模型而言，到目前为止尤其是

13、对生理系统的模型而言，到目前为止，试图建立其完满的仿真模型是不可能也是不值试图建立其完满的仿真模型是不可能也是不值得的得的。现在学习的是第26页，共66页一个模型的建立需要：一个模型的建立需要：实际条件理想化；实际条件理想化；具体事物抽象化；具体事物抽象化；复杂系统简单化复杂系统简单化如：研究如：研究血液血液的的力学特性力学特性时，建立时，建立血液的流体血液的流体力学模型力学模型理想化：理想化：假设血管没有弹性假设血管没有弹性抽象化：将其抽象为不可压缩的牛顿流体抽象化：将其抽象为不可压缩的牛顿流体简单化：忽略血液功能、血液成分、在组织中简单化：忽略血液功能、血液成分、在组织中的物质交换等的物质

14、交换等.现在学习的是第27页，共66页 一般而言，模型是难于一般而言，模型是难于全面全面地地反映其所描述的客观事物的，而仅反映其所描述的客观事物的，而仅仅能在仅能在有限的角度有限的角度反映事物的某些反映事物的某些特征。特征。现在学习的是第28页，共66页 鉴于这一基本事实，把通过模型的方法鉴于这一基本事实，把通过模型的方法对事物的表述称为对事物的表述称为模型空间模型空间。同时，由于模型是基于某一真实系统而同时，由于模型是基于某一真实系统而构造的，因此，在构造的，因此，在模型空间所得出的问题模型空间所得出的问题的解就与真实空间同一问题的解有必然的的解就与真实空间同一问题的解有必然的联系联系。现在

15、学习的是第29页，共66页真实系统模型空间模型空间的解真实系统的解现在学习的是第30页，共66页2.1 2.1 物理模型物理模型物理模型物理模型:按真实系统的性质而构造的实体模型按真实系统的性质而构造的实体模型 对生理系统，根据其与原型相似的特征对生理系统，根据其与原型相似的特征形式其物理模型可分为形式其物理模型可分为：1.1.几何相似模型几何相似模型2 2力学相似模型力学相似模型3 3生理特性相似模型生理特性相似模型4 4等效电路模型等效电路模型现在学习的是第31页，共66页 1.几何相似模型几何相似模型 建模思想：按照真实系统的几何尺度比建模思想：按照真实系统的几何尺度比例构造的实体模型，

16、强调模型与原型的例构造的实体模型，强调模型与原型的几何形态上的相似性几何形态上的相似性。现在学习的是第32页，共66页 心心脏脏模模型型现在学习的是第33页，共66页血管铸型血管铸型现在学习的是第34页，共66页 先将猪肾洗净，用生理食盐水冲洗动脉，移除血块先将猪肾洗净，用生理食盐水冲洗动脉，移除血块 准备胶液：将乒乓球剪碎加入丙酮，乒乓球对丙酮的比准备胶液：将乒乓球剪碎加入丙酮，乒乓球对丙酮的比例约为例约为1:101:10。数分钟后乒乓球会溶解形成炼乳状沉在底部。数分钟后乒乓球会溶解形成炼乳状沉在底部。将炼乳状的胶液倒入针筒内。将炼乳状的胶液倒入针筒内。用乒乓球做肾脏血管铸型标本用乒乓球做肾

17、脏血管铸型标本现在学习的是第35页，共66页 用针筒把胶液灌注到动脉中，速度要注意，太慢的用针筒把胶液灌注到动脉中，速度要注意，太慢的话很容易堵住血管，太快则容易把血管灌爆，一边话很容易堵住血管，太快则容易把血管灌爆，一边灌一边帮猪肾按摩。灌一边帮猪肾按摩。现在学习的是第36页，共66页 灌好之后，静置数小时到数天，等待丙灌好之后，静置数小时到数天，等待丙酮挥发，胶液就会硬化，变回乒乓球的酮挥发，胶液就会硬化，变回乒乓球的材质。材质。现在学习的是第37页，共66页刚从盐酸里拿出刚从盐酸里拿出来，用水冲过，来，用水冲过，其他的组织脱落其他的组织脱落，留下血管的铸，留下血管的铸型型 把猪肾放在稀盐

18、酸里腐蚀数天后，等到肾脏把猪肾放在稀盐酸里腐蚀数天后，等到肾脏的基本组织被腐蚀成泥状，就可取出用水冲的基本组织被腐蚀成泥状，就可取出用水冲掉组织，得到肾脏血管的铸型标本。掉组织，得到肾脏血管的铸型标本。现在学习的是第38页，共66页现在学习的是第39页，共66页 胎儿头颈部静脉铸型标本的制作 心肺肝联合铸型标本的设计与制作 胸腹腔脏器标本联合铸型的设计与制作 全身整体血管铸型标本的设计与制作 现在学习的是第40页，共66页2 2力学相似模型力学相似模型建模思想：按照动力学特征相似性构造的建模思想：按照动力学特征相似性构造的实体模型，注重与原系统在实体模型，注重与原系统在动力学方面的动力学方面的

19、相似性相似性如：建立心脏模型时，采用时变液压方式如：建立心脏模型时，采用时变液压方式模拟心脏收缩的压力时变特性模拟心脏收缩的压力时变特性现在学习的是第41页，共66页3 3生理特性相似模型生理特性相似模型建模思想：既不追求几何形态上的相似，亦不建模思想：既不追求几何形态上的相似，亦不追求动力学上的相似，而是注重与模拟系统在追求动力学上的相似，而是注重与模拟系统在生理特性的相似性生理特性的相似性为评判标准为评判标准如：心脏模型常以心率、心输出量、主动脉如：心脏模型常以心率、心输出量、主动脉波形等是否与实际心脏的相应指标接近作为波形等是否与实际心脏的相应指标接近作为侧重点侧重点现在学习的是第42页

20、，共66页如：血管中血流的等效电路如：血管中血流的等效电路血流阻尼血流阻尼等效为等效为电阻，血流惯性电阻，血流惯性等效为等效为电感电感血管弹性血管弹性等效为等效为电容，血压电容，血压等效为等效为电压电压血流血流等效为等效为电流电流LCRPn+1Pn4 4等效电路模型等效电路模型可用一个等效电路来描述某些系统的可用一个等效电路来描述某些系统的动动态特性态特性现在学习的是第43页，共66页 物理模型的物理模型的优点优点：直观、形象化、易于理解，直观、形象化、易于理解，可在控制条件下进行长时间重复实验，可在控制条件下进行长时间重复实验，对于所要进行测量的物理量也有明确的意义对于所要进行测量的物理量也

21、有明确的意义，有时还可为数学模型的建立提供一些数据，有时还可为数学模型的建立提供一些数据。缺点缺点：花费大，周期长；应用范围有限：花费大，周期长；应用范围有限现在学习的是第44页，共66页2.2、数学模型、数学模型数学模型数学模型：用数学表达式来描述事物的用数学表达式来描述事物的生理特性生理特性较好地刻划系统内在的数量联系，从而可较好地刻划系统内在的数量联系，从而可定量地探求系统的运转规律。定量地探求系统的运转规律。现在学习的是第45页，共66页数学模型的数学模型的特点特点：当采用数学模型来描述生理系统中的当采用数学模型来描述生理系统中的定量关系时，数学表达式中的定量关系时，数学表达式中的各个

22、参数代各个参数代表系统的固有特性表系统的固有特性。现在学习的是第46页，共66页例如：例如：血管弹性系数血管弹性系数下降对应于动脉硬化下降对应于动脉硬化 血流阻尼系数血流阻尼系数增大对应于血液的粘增大对应于血液的粘稠度增加。稠度增加。当一个模型中的当一个模型中的参数参数变化时，就相当于变化时，就相当于构造了种种病例。构造了种种病例。现在学习的是第47页，共66页 系统中各个作用环节的描述系统中各个作用环节的描述即：寻求一个适当的即：寻求一个适当的数学运算关系数学运算关系来描述系统的结来描述系统的结构、功能和内在联系。构、功能和内在联系。表征系统的固有特征量的提取表征系统的固有特征量的提取即：系

23、统参量的提取，主要来源于实验数据即：系统参量的提取，主要来源于实验数据 构造一个数学模型主要包括两方面内容：构造一个数学模型主要包括两方面内容：现在学习的是第48页，共66页 建立生理系统数学模型的方法主建立生理系统数学模型的方法主要有如下两种：要有如下两种：1 1黑箱方法黑箱方法对系统完全不知对系统完全不知2 2推导方法推导方法对系统部分已知对系统部分已知现在学习的是第49页，共66页 黑箱黑箱：是指对所研究的系统的内部构造和机理：是指对所研究的系统的内部构造和机理一无所知，仅能从外部的可观测量考察系统。一无所知，仅能从外部的可观测量考察系统。如：系统的输入与输出如：系统的输入与输出现在学习

24、的是第50页，共66页 如果部分地知道系统内部的结构等信息，则此如果部分地知道系统内部的结构等信息，则此系统称为系统称为灰箱灰箱；若对系统的信息完全掌握时，则该系统就称之若对系统的信息完全掌握时，则该系统就称之为为白箱白箱。51现在学习的是第51页，共66页要研究黑箱系统，有两种办法：要研究黑箱系统，有两种办法：方法一：打开黑箱方法一：打开黑箱通过一定手段（如：解剖、化验等），达到使原来不通过一定手段（如：解剖、化验等），达到使原来不可观测和控制的系统参量成为可直接观测和控制的可观测和控制的系统参量成为可直接观测和控制的1 1黑箱方法黑箱方法现在学习的是第52页，共66页在以下两种情况下无法打

25、开黑箱的办法：在以下两种情况下无法打开黑箱的办法：对于那些对于那些内部结构非常复杂的系统内部结构非常复杂的系统如：生命系统；如：生命系统；对于那些若打开黑箱，则其对于那些若打开黑箱，则其操作会严重干扰原系操作会严重干扰原系统统，而使获得的观测信息不可靠或根本无法表征，而使获得的观测信息不可靠或根本无法表征原系统。原系统。现在学习的是第53页，共66页 方法二：不打开黑箱，而通过黑箱外部的方法二：不打开黑箱，而通过黑箱外部的输输入与输出关系入与输出关系的研究来得出黑箱内部情况的推的研究来得出黑箱内部情况的推理，从而达到了解黑箱内部构造、特性和机理，从而达到了解黑箱内部构造、特性和机理的目的。理的

26、目的。这种不去追究系统内部细节，而仅利用外部观这种不去追究系统内部细节，而仅利用外部观测来研究系统的功能和特性的方法就称之为测来研究系统的功能和特性的方法就称之为。现在学习的是第54页，共66页 作为数学模型，一个黑箱问题实际上就作为数学模型，一个黑箱问题实际上就是构造一个联系是构造一个联系输入与输出的传递函数输入与输出的传递函数 黑箱问题由三部分组成：黑箱问题由三部分组成：输入输入X(s)，输出输出Y(s)和黑箱系统的和黑箱系统的传递函数传递函数H(s)，三者关三者关系如下：系如下：Y(s)=H(s)X(s)现在学习的是第55页，共66页 欲建立某一系统的黑箱模型，则需要对该系统欲建立某一系

27、统的黑箱模型，则需要对该系统施加某种刺激，并同时记录下系统的响应。施加某种刺激，并同时记录下系统的响应。现在学习的是第56页，共66页例如：例如：为了研究血压对心率调节系统的作用机为了研究血压对心率调节系统的作用机制，则可通过一个可令血压下降的刺激，同制，则可通过一个可令血压下降的刺激，同时记录下心率在此刺激下的反应。时记录下心率在此刺激下的反应。现在学习的是第57页，共66页 由此获得的由此获得的血压与心率之间的函数关系血压与心率之间的函数关系：即为此心率受血压影响而进行调节的：即为此心率受血压影响而进行调节的黑箱模型。黑箱模型。现在学习的是第58页，共66页黑箱方法的黑箱方法的优点优点：简

28、单、易行；不破坏系统原有结构；简单、易行；不破坏系统原有结构；缺点缺点：仅强调外部观测和系统在某一方面的整体仅强调外部观测和系统在某一方面的整体功能功能 无法描述系统的内部结构、局部细节以及无法描述系统的内部结构、局部细节以及作用机理作用机理 现在学习的是第59页，共66页2推导方法推导方法 推导方法适用于那些内部结构和机理已推导方法适用于那些内部结构和机理已部分地被人们所认识的系统（部分地被人们所认识的系统（灰箱灰箱）。）。我们可以根据这类系统的物理化学过程我们可以根据这类系统的物理化学过程以及解剖学与生物学知识，分析推导出以及解剖学与生物学知识，分析推导出描述系统功能和特性的模型。描述系统

29、功能和特性的模型。现在学习的是第60页，共66页 如建立参数模型如建立参数模型-它由一组具有生理意它由一组具有生理意义的参变量所构成的模型，模型中的每义的参变量所构成的模型，模型中的每一变量对应于原系统中的一个生理量，一变量对应于原系统中的一个生理量，并且各个参量也具有明确的生理意义。并且各个参量也具有明确的生理意义。参数模型中各参数的取值一般需要通过参数模型中各参数的取值一般需要通过生理实验生理实验来测定。来测定。现在学习的是第61页，共66页 与与黑箱模型黑箱模型相比，参数模型的生理意相比，参数模型的生理意义较为明确，较好地与实际生理病理现象义较为明确，较好地与实际生理病理现象相对应。相对

30、应。对系统有足够的认识对系统有足够的认识 必要的实验手段必要的实验手段现在学习的是第62页，共66页主要内容主要内容 6.1 6.1 生理系统仿真的意义与作用生理系统仿真的意义与作用63 6.2 6.2 建立生理系统模型的基本方法建立生理系统模型的基本方法 6.3 6.3 生理系统仿真的基本方法生理系统仿真的基本方法 6.4 6.4 生理系统模型的实例生理系统模型的实例现在学习的是第63页，共66页6.3 生理系统仿真的基本方法生理系统仿真的基本方法 物理仿真物理仿真研制某些硬件结构，使之可重现系统的各种状态研制某些硬件结构，使之可重现系统的各种状态 数学仿真数学仿真实际系统由数学模型替代，使

31、之转变为仿真模型，在实际系统由数学模型替代，使之转变为仿真模型，在计算机上对实际系统进行研究的过程计算机上对实际系统进行研究的过程 半实物仿真半实物仿真数学模型、物理模型和系统的实际设备联系一起运数学模型、物理模型和系统的实际设备联系一起运转，组成仿真系统转，组成仿真系统现在学习的是第64页，共66页物理仿真物理仿真 一个容水胶囊的心脏物理模型，接上直一个容水胶囊的心脏物理模型，接上直流电机推动容水胶囊向外挤出水流，模拟真流电机推动容水胶囊向外挤出水流，模拟真实心脏的收缩泵血活动。实心脏的收缩泵血活动。现在学习的是第65页，共66页 对于数学模型，建立后尚不能直接进对于数学模型，建立后尚不能直接进行仿真实验。因为数学模型的仿真一行仿真实验。因为数学模型的仿真一般要般要借助计算机借助计算机来实现，即建立来实现，即建立仿真仿真模型模型和进行和进行仿真实验仿真实验。现在学习的是第66页，共66页