生理系统建模与仿真

生理系统建模与仿真第一页，共一百一十页，2022年，8月28日主要内容6.1生理系统仿真的意义与作用6.2建立生理系统模型的基本方法6.3生理系统仿真的基本方法6.4生理系统模型的实例第二页，共一百一十页，2022年，8月28日6.1生理系统仿真的意义与作用生理学可以说是一门实验科学，对于生理系统的研究，传统上有两类方法：(1)临床实验的方法：即在人体上进行直接测量和实验；(2)动物实验的方法：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。第三页，共一百一十页，2022年，8月28日一般而言，动物实验方法存在三个方面的局限性：1）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）由于实验动物存在个体差异，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验，往往要耗费大量的人力物力；3）受到实验技术条件和实验手段的限制，如一些极端条件或实验周期过长等因素的限制。临床实验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，许多实验不能直接在人体上进行。第四页，共一百一十页，2022年，8月28日生理学研究的第三种方法：生理系统的建模与仿真的方法弥补了上述传统实验方法的不足之处，称为生理学研究的第三种研究方法。生理系统的建模与仿真方法，即是为了研究、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模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为系统仿真。第五页，共一百一十页，2022年，8月28日模型大体可分为数学模型和物理模型两类。物理模型是指实体的模型；简单的物理模型如生理课上使用的—些物理教具：眼睛的模型、脑的模型等，复杂—些的如用于研究心脏功能的心室瓣膜模型和用胶皮管做成的血管模型。物理模型的特点主要是形象而且更接近于实际情况。其缺点是灵活性较差，且受到材料、加工等条件的限制、逐步被数学模型所取代。第六页，共一百一十页，2022年，8月28日第七页，共一百一十页，2022年，8月28日第八页，共一百一十页，2022年，8月28日数学模型就是用数学表达式来描述研究对象的生理特性，它不象物理模型那样追求与客观实体的几何结构或物理结构类似，只是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。例如，血液在血管中的流动可以用流体力学的公式来描述；物质的交换可以用连续性方程来描述，等等。现代计算机技术的发展又进一步促进了数学模型的发展，凡是具有数学表达式的事物，都可编成计算机程序，不仅使许多繁杂的计算成为可能，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。第九页，共一百一十页，2022年，8月28日根据所建立模型的不同，系统仿真相应的分成两大类，即物理仿真和数学仿真。数学仿真由于往往都是借助于计算机实现的，因此又称为计算机仿真。第十页，共一百一十页，2022年，8月28日心脏模型的计算机仿真第十一页，共一百一十页，2022年，8月28日膝关节模型的计算机仿真第十二页，共一百一十页，2022年，8月28日系统仿真方法已经普遍为许多领域所采用，并已显现出许多其他实验手段所无法比拟的优越性，主要反映在以下几个方面：（1）可实现时空的伸缩：因为仿真尺度和时间不一定等同于实际的时空尺度，故可实现时空的伸缩。例如，可在几小时内仿真实验出数百年中的事件，亦可在实验室内对宇宙空间进行仿真实验。因此，系统仿真常常用来进行预测。

第十三页，共一百一十页，2022年，8月28日（2）可实现极端条件下的实验：在现有的实验技术水平上，有些极端条件下的真实系统实验是无法进行的，例如电力系统故障检测系统的实验，以及许多生理实验都是无法进行的，而运用模型来进行的仿真实验则不受这些实际条件的限制，可以随意地考察系统在各种极端条件下的可能反应。（3）可作为预研手段为真实系统运行奠定基础：例如在对生理系统的研究中，可通过进行大量的仿真实验找出系统变化的规律性，然后再进行少数活体实验进行验证，这样既可节约大量实验经费，缩短实验周期，又可减少危险性和提高效率。第十四页，共一百一十页，2022年，8月28日

正是由于仿真实验方法的上述优势，同时也由于生理系统自身的错综复杂机制以及无扰动在体实验手段的缺乏，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，并已应用于几乎人体的各个生理系统的研究中，发挥着重要的作用。第十五页，共一百一十页，2022年，8月28日6.2建立生理系统模型的基本方法要进行系统仿真，首先要建立一个在某一特定方面与真实系统具有相似性的系统，真实系统称为原型，而这种相似性的系统就称为该原型系统的模型。对于生理系统，原型一般为真实的活体系统，而模型则为与这些活体系统在某些方面相似的系统。广义而言，生理系统的模型不仅仅包括人造的物理或数学的模型，也应包括动物模型。但我们在这里所讨论的模型概念仅限于狭义的人造模型。第十六页，共一百一十页，2022年，8月28日随着电子技术的发展，建立模型的方法已由最初的静态发展为动态，由形态相似的实体模型发展为性质和功能相似的电路模型，由用简单数学公式描述的模型发展为用计算机程序语言描述的复杂运算模型。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，相似并不是等同。尤其是对生理系统的模型而言，到目前为止，还无法构造一个与其原型完全一样的模型。当然，那也不是建立模型的目标。第十七页，共一百一十页，2022年，8月28日一个模型的建立往往蕴含着下列三层意思：（1）理想化；（2）抽象化；（3）简单化。这三点精辟地指出了建模与仿真方法的特色。从某种意义上说，在建立模型时并不苛求与其原型的等同性，相反，往往依所研究的目的将实际条件理想化，将具体事物抽象化，同时还常常对一个复杂的系统进行一系列的简化以适应解决问题的需要。例如，对循环系统的研究时，实际的血液循环网是个大的闭合回路，同时又与全身各个器官和系统相耦合和作用。但根据建模的目的，可以有形形色色的模型。例如，当研究心肌的力学特性时，可建立心肌的力学模型，而忽略其他因素的作用；而当研究血管的输运作用时，则可将心脏简化为一个泵。第十八页，共一百一十页，2022年，8月28日正是由于在建立模型过程中所采用的理想化、抽象化、简化等手段，一般而言，模型是难于全面地反映其所描述的客观事物的，而仅仅能在有限的角度反映事物的某些特征。鉴于这一基本事实，把通过模型的方法对事物的表述称为模型空间。同时，由于模型是基于某一真实系统而构造的，因此，在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联系。第十九页，共一百一十页，2022年，8月28日第二十页，共一百一十页，2022年，8月28日6.2.1物理模型按照真实系统的性质而构造的实体模型即物理模型。对生理系统而言，其物理模型通常是由非生物物质构成的，根据其与原型相似的形式可分为如下四种类型。

1.几何相似模型

2．力学相似模型

3．生理特性相似模型

4．等效电路模型第二十一页，共一百一十页，2022年，8月28日1.几何相似模型按照真实系统的尺度构造比例而建立的物理模型，强调模型与原型的几何形态上的相似性。例如在建立主动脉血管模型时，采用将尸体的主动脉取下后灌注硅橡胶，并在大约13.3kPa的生理压强下进行铸型，先造成主动脉弓的阳模，然后再用此阳模铸型而构造出与人体主动脉几何尺度相似的模型。第二十二页，共一百一十页，2022年，8月28日2．力学相似模型血液循环动力学是循环系统的一个重要规律，为了研究这种流动中的力学特性，在构造模型时着重于与原型在动力学特性上的相似性，例如保证血液所受的力，它的速度和加速度与活体情况相似。因为模型材料与血管不同，故若要保证其力学方面的相似性，则往往牺牲其几何方面的相似性，所以，也有人称循环系统中的力学相似模型为畸变模型。第二十三页，共一百一十页，2022年，8月28日3．生理特性相似模型此时，既不追求几何形态上的相似，亦不追求动力学上的相似，而是以模拟出的生理特性为评判标准。例如当建立主动脉瓣膜时，将以其所给出的主动脉血压波型是否与生理波形相似为标准而构造其物理模型。第二十四页，共一百一十页，2022年，8月28日4．等效电路模型因为许多系统的动态特性都可用一个等效电路来描述，故亦可用模拟电路作为系统的一个模型。例如在循环系统中，常常将血流阻尼等效为电阻，血流惯性等效为电感，血管弹性等效为电容，血压等效为电压，而血流等效为电流。第二十五页，共一百一十页，2022年，8月28日

物理模型的优点是直观、形象化、易于理解，可以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，有时还可为数学模型的建立提供一些数据。但是，构造一套物理模型有时将花费比较大的投资，建立的周期较长，且应用范围有限，很难修改模型系统的结构，利用其做试验就受到限制。所以，随着计算机应用的普及，数学模型受到越来越多的重视。第二十六页，共一百一十页，2022年，8月28日 6.2.2数学模型

所谓数学模型，就是用数学表达式来描述事物的数学特性，它不像物理模型那样追求与客观事物的几何结构或物理结构的相似性，但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。同时，现代电子计算机技术的发展极大地促进了数学模型的发展。凡是具有数学表达式的事物，都可以编成计算机程序。这不仅使许多繁杂的计算成为可能，还使数学模型更加直观形象和动态化。第二十七页，共一百一十页，2022年，8月28日

当采用数学模型来刻划生理系统中的定量关系时，数学表达式中的各个参数代表系统的固有特性。例如血流中的阻尼系数表征血液的粘稠度。由医学上可知，当人体内的固有特性发生变化时，则对应于各种病症。例如当血管弹性系数下降时则对应于动脉硬化。因此，当一个模型中的参数变化时，就相当于构造了种种病例，而这种参数的改变对于软件形式的数学模型而言，可以说是轻而易举的。第二十八页，共一百一十页，2022年，8月28日

构造一个数学模型主要包括两个方面的内容：（1）系统中各个作用环节的描述；（2）表征系统的固有特征量的提取。第一个内容即是寻求一个适当的数学运算关系来描述系统的结构、功能和内在联系。这种数学表述既可以是线性的，也可以是非线性的，既可以是解析的．也可以是逻辑运算，只要是可合理地描述系统特性的数学表达都可采纳。后一个内容即参量的提取则主要来源于实验数据。当然，在某些实验数据缺乏的情况下，亦可采用拟合、迭代、寻优等手段来确定模型参量。第二十九页，共一百一十页，2022年，8月28日建立生理系统数学模型的方法主要有如以下两种：1．黑箱方法2．推导方法第三十页，共一百一十页，2022年，8月28日1．黑箱方法所谓黑箱方法，是科学方法论中的一个重要概念。黑箱是指对所研究的系统的内部构造和机理一无所知，仅仅能从外部的可观测量，如系统的输入与输出来考察系统。如果还部分地知道系统内部的结构等信息，则此系统称为灰箱；若对系统的信息完全掌握时，则该系统就称之为白箱。对于生理系统，可以说有的是知之甚少，有的是还不完全了解，因而，这些问题的研究就属于黑箱或灰箱问题。例如，生理系统的自调节和补偿机理目前还不很清楚，可观测的情况还主要是作为输入的外部刺激，以及相应的系统反应，即输出的变化情况。因此，这一调节系统即为黑箱或灰箱系统。第三十一页，共一百一十页，2022年，8月28日

要研究黑箱系统，显然有两种办法，一种是打开黑箱的办法，即通过一定手段，如生理解剖、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。这种方法并不总是可行的，至少在以下两种情况下打开黑箱的办法是无法做到的：其一是对于那些内部结构非常复杂的系统，生命系统就属于此类，由于观测手段有限，尚无法完全了解；其二是对于那些若打开黑箱，则其操作会严重干扰原系统，而使获得的观测信息不可靠或根本无法表征原系统。例如对于心脏的研究，若不开胸，则无法直接观测在体心脏的某些状况，而一旦开胸，则系统将处于异常状态．那么所记录的观测结果就不一定是在体心脏的情况了。第三十二页，共一百一十页，2022年，8月28日另一种方法，即不打开黑箱，而仅仅通过黑箱外部的输入与输出关系的研究来得出一些关于黑箱内部情况的推理，从而达到了解黑箱内部构造及特性和机理等情况的方法就更为可取。这样一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黑箱方法。第三十三页，共一百一十页，2022年，8月28日因为仅仅依据输入输出特性来观察系统而得出的关于系统内部结构和特性的推论不一定与实际系统的情况一致，而只能是一个具有与实际系统相似的输入和输出特性的系统，或者说是在输入与输出特性上相似的模型。因而，在采用黑箱方法研究时，其中的系统（或所谓的黑箱）也称之为黑箱模型。第三十四页，共一百一十页，2022年，8月28日作为数学模型，一个黑箱问题实际上就是构造一个联系输入与输出的传递函数，黑箱问题由三部分组成：输入X(s)，输出Y(s)和黑箱系统的传递函数H(s)，这三者间的关系如下：

Y(s)=H(s)X(s)第三十五页，共一百一十页，2022年，8月28日由此可见，对于黑箱，其数学模型即为满足某一特定输入输出关系的传递函数。那么，欲建立某一系统的黑箱模型，则需要获得该系统的输入与输出的信息。这两方面信息的获取常常通过对实际系统施加某种刺激并同时记录下系统的响应而实现的。此时．刺激信号即为系统的输入函数X(s)，而系统在此刺激下的响应则为系统的输出函数Y(s)。第三十六页，共一百一十页，2022年，8月28日例如，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如失血，同时记录下心率在此刺激下的反应，那么，由此而获得的关于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黑箱模型，这里就没去追究这种由血压所引起的心率变化是如何产生的等内部细节。第三十七页，共一百一十页，2022年，8月28日黑箱方法具有简单易行，不破坏系统原有结构等特点，在解决生命系统的问题上有其独到之处，但它仅仅强调了外部观测和系统在某一方面的整体功能。对于某些问题而言，这已足够了，但对另一些问题，则可能还需要进一步了解系统的内部结构、局部细节以及作用机理。此时，黑箱方法就应与其他方法一起结合运用。

第三十八页，共一百一十页，2022年，8月28日 2．推导方法 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。那么，就可根据该系统的物理化学过程以及解剖学与生物学知识，用分析的方法推导出描述系统功能和特性的模型。推导方法首先要确定生理系统在解剖构成上的划分，而系统的划分是以被研究的系统功能为原则，将那些与这些功能有关的划入系统内，否则，则应划到系统之外。一旦确定了系统的组成，则可利用已知的有关该系统的构造、功能、机理等知识来推出其数学模型。例如用于研究药物动力学的房室模型；耳蜗对声音的感受器模型；前庭平衡系统中的半规管模型等，都可用推导方法来建立。第三十九页，共一百一十页，2022年，8月28日利用已有的认识来构造一个与原系统结构相似的数学模型，则模型中的每一变量将对应于原系统中的一个生理量，同时模型中的各个参量也具有较为明确的生理意义。这种由一组具有生理意义的参变量所构成的数学模型则称为参数模型。因为参数模型中的各参量都对应于相应的生理参量，故参数模型中的各参数的取值一般需要通过生理实验来测定。第四十页，共一百一十页，2022年，8月28日

与黑箱模型相比，参数模型的生理意义较为明确，但其建立要求对系统有足够的认识和必要的实验手段。当然，采用参数模型进行仿真实验一般可获得较多的关于系统的信息，并可较好地与实际生理病理现象相对应。第四十一页，共一百一十页，2022年，8月28日但是，毕竟人们对自身的认识还相当浅薄，因此，可以用推导方法建立的生理模型也为数不多，尤其是涉及神经系统时，就更难以用定量的方法来描述。由于人们对生理系统的认识多处于定性的阶段，对其定量的研究还很不够，因此也给生理系统的建模以及模型在活体上的验证带来了困难。另外，对于某些生理系统，我们所具备的生理解剖知识虽然尚未达到从推导方法建立数学模型的程度，但若其系统功能是清楚的，则可利用工程的方法建立一种与其功能上是一致的、而其内部结构未必有生理解剖基础的功能性模型。第四十二页，共一百一十页，2022年，8月28日6.3生理系统仿真的基本方法

建立研究对象的模型是为了进行仿真实验。若所建立的是实体的物理模型，则将模型运转起来即可进行仿真实验。例如，当采用一个直流电机推动容水胶囊向外挤出水流作为心脏泵血的物理模型时，则一经开动电机，此模拟系统即开始运转，因为这种运转是模仿真实心脏的收缩泵血活动的，故称之为仿真。第四十三页，共一百一十页，2022年，8月28日然而一个数学模型建立后，与物理模型不同，尚不能直接进行仿真实验。正如我们前面提到的，数学模型的仿真一般要借助计算机来实现。这将包含两个方面的内容：（1）建立一个仿真模型；（2）运行仿真模型进行仿真实验。第四十四页，共一百一十页，2022年，8月28日仿真模型与数学模型不同，数学模型仅仅是系统的一种数学描述，对于连续系统而言，就是一组数学方程式。为了可以利用计算机来进行仿真实验，则需要将这些数学方程式转化为计算机算法，并将其用计算机语言编制出程序，这种用计算机程序所表述的模型一般不完全等同于原来的数学模型，但应该是一种很好的近似，并称之为仿真模型。那么，仿真模型在计算机上的运行则形成了仿真实验。因此，计算机仿真与原型系统之间经历了两个基本过程，即建立数学模型，而后再建立仿真模型。第四十五页，共一百一十页，2022年，8月28日为解决数学表达形式与计算机之间的衔接问题，或称为仿真模型的构造问题，产生了一门新的学科分支：系统仿真。第四十六页，共一百一十页，2022年，8月28日生理系统仿真主要应用于三个方面的研究中：（1）用于研究人体系统的生理机制；（2）用于研究人体系统的病理机制及其诊治方法；（3）用于研究在超常环境下生理系统的变化及防护办法。第四十七页，共一百一十页，2022年，8月28日6.4生理系统模型的实例6.4.1房室模型6.4.2血液循环系统模型6.4.3虚拟人模型第四十八页，共一百一十页，2022年，8月28日6.4.1房室模型

房室模型最初是在药物动力学中发展起来的，用于研究药物在体内的转运规律。后来，这一方法亦为其他生理系统中物质转运的研究所采纳，如内分泌系统激素分泌代谢模型、血糖代谢模型、人工肾透析模型等，房室模型已成为一个典型的生理系统数学模型。第四十九页，共一百一十页，2022年，8月28日

房室，亦称为组分，是一个由有限个子系统组成的系统，其中每一个子系统都称之为一个房室。通常，一个房室既可以是解剖学或生理学意义上的一个器官或一组器官，亦可以是某种特定物质在其内均匀分布的虚拟容器。为了进行严格的数学描述，一般对房室做如下假定：（1）房室是具有固定容量的，内含均匀分布的单一物质的容器；（2）各房室间可以进行物质交换，外环境的物质可输入到一个或多个房室，一个或多个房室的物质也可以输出到外环境；（3）房室系统中的物质交换，均服从物质守恒定律，即系统中物质总量的改变等于输入总量与输出总量之差。第五十页，共一百一十页，2022年，8月28日按照上述规定，则一个两房室系统可用如下示意图来描述。图中第i室的容积用Vi表示，指定物质在第i室的总量及浓度则分别用Xi和Ci来表示。有Ci=Xi/Vi成立。各房室间以及房室与外环境间的物质转运由物质流动速率kij与fij来表示，其中约定第一下标为目标房室的序号，而第二下标为源房室的序号。第五十一页，共一百一十页，2022年，8月28日第五十二页，共一百一十页，2022年，8月28日第五十三页，共一百一十页，2022年，8月28日因为血液在物质转运中起着重要的作用，故在建立房室模型时，往往将血液总括为一个中心房室，此房室与其他称为周边房室的组织和器官的房室双向联系。房室模型的参数一般由实验来确定。第五十四页，共一百一十页，2022年，8月28日应用房室模型建立药物动力学模型：房室系统与外环境的交换主要是药物的输入和排泄。根据给药方式的不同，其输入速率取不同的函数形式。对临床上常用的四种给药方式，其输入速率可以用下面四种函数近似表示。第五十五页，共一百一十页，2022年，8月28日（1）静脉推注给药：此时的给药持续时间相当短，可用δ函数来表示，当设给药总量为D时、则有：

f(t)=Dδ(t)（2）静脉点滴给药：此时药物将以一个恒定速度在一个周期内均匀地流入体内。设给药总量为D，给药(即点滴)持续时间为τ,则其流入的速率为：

其中，u(t)为单位阶跃函数：第五十六页，共一百一十页，2022年，8月28日（3）肌肉注射给药：此时，药物要经过肌肉的吸收才能进入血液循环。在药物被肌肉吸收的过程中，其吸收速率将随着药物的局部浓度的减少而减小。因此，可假设其流入的速率为指数衰减形式，对于给药量D，设其衰减系数为α，则有：

（4）口服给药：口服给药的作用方式与肌肉注射类似，但药物要经过胃肠道吸收，因此药物往往不能完全被利用，在吸收前即有被排泄或转化的可能。设口服药的利用率为F，则其流入体内的速率可由下式描述：第五十七页，共一百一十页，2022年，8月28日药物从体内排出，主要通过尿道、呼吸道、胃肠道等途径，因此，只要测定了排泄物中的药量，就测得了系统的输出量。第五十八页，共一百一十页，2022年，8月28日

例如，研究安替比林静脉推注后的血药浓度曲线，由于安替比林经静脉推注后20分钟，就能在各组织间达到平衡，该药在各组织中平衡时的浓度与在血浆中的浓度极其近似。因此对这类具有转运均衡性药物的体内过程，用一室模型模拟其体内变化很合适。第五十九页，共一百一十页，2022年，8月28日根据质量守恒定律，血液中药物变化量等于该时刻药物进入血液速率与从血液排泄出去的速率之差，得：

由于静脉推注时输入f10=Dδ(t)得：

求解此微分方程，得：

那么，药物血药浓度为：第六十页，共一百一十页，2022年，8月28日 6.4.2血液循环系统模型1．血管中血流的流体动力学模型2．心脏收缩特性模型3．循环系统动态模型第六十一页，共一百一十页，2022年，8月28日 1．血管中血流的流体动力学模型 因为血液是流体，可以应用流体力学理论来研究血液在血管个的流动机理。若假设血液为不可压缩的牛顿液体，且血管截面为圆形，则血液在血管中的流动过程可以用流体力学中的纳维—斯托克思方程来描述：

其中，ρ是血液的重力密度，v是血流速度，t是时间，p是血压，μ是血液粘滞系数，g是重力加速度。第六十二页，共一百一十页，2022年，8月28日经过一系列简化和推导后，可以得出以下结论：血管中的血压和血流的关系类似于电路中的电压和电流之间的关系，因此，可以用一个等效电路来模拟血流在血管中的流动状态。第六十三页，共一百一十页，2022年，8月28日图中电阻表示等效流阻，电感表示等效流感，电容表示血管顺应性，电压表示血压，电流表示血流。有了这样—个模型，对于给定的血管和血液参数，就可计算当血压变化时的血流变化，或当血流变化时的血压变化，以及各参量的改变引起的变化，如血管硬化时的情况等。第六十四页，共一百一十页，2022年，8月28日2．心脏收缩特性模型对心脏收缩特性的研究主要分为以下三类：（1）将心室视为输入输出关系来描述的液压装置；（2）将心室视为一个泵，用心室的血压/容积之比来描述；（3）将心室视为心肌纤维集合，用心肌机械特性来描述。第六十五页，共一百一十页，2022年，8月28日（1）心室液压装置物理模型第六十六页，共一百一十页，2022年，8月28日（2）心室的血压/容积的等效电路模型第六十七页，共一百一十页，2022年，8月28日（3）心肌机械特性模型第六十八页，共一百一十页，2022年，8月28日3．循环系统动态模型（1）物理模型：人工心脏瓣膜检测模型第六十九页，共一百一十页，2022年，8月28日（2）

数学模型：血液循环与反馈调节系统模型第七十页，共一百一十页，2022年，8月28日6.4.3虚拟人模型虚拟人体的发展已经有几十年历史，到目前为止有美国、韩国和中国报道了“虚拟人”切片建模数据集，其中美国有三个大的信息源头，并有全方位模拟人体的长远计划：1、由美国国立医学图书馆倡议的可视人体项目（VHP），侧重于人体结构的数字化以及相关知识库的研究。2、美国橡树岭国家实验室提出的虚拟人体计划（VirtualHuman），利用VHP数据侧重人体机能模拟，目前为器官级。3、由美国科学家联盟提出的数字化人体项目（DigitalHuman），所建造的数字人体信息库是最完整的。其研究强项是细胞级虚拟人体模拟。第七十一页，共一百一十页，2022年，8月28日数字人(DigitizedHuman)：把人体的结构以数字形式表达出来，能够利用计算机进行进一步处理。可视人(VisibleHumam)：从几何学角度定量描绘人体的解剖结构，属于“解剖人”。物理人(PhysicalHuman)：在“可视人”基础上，考虑人体组织的力学特性和形变等物理特性。生理人(PhysiomeHuman)：在“物理人”基础上，包括生理特性的数字化人体称为“生理人”。虚拟人(VirtualHuman)：研究人体微观结构及生化特性。虚拟人应能最真实、最深入地从解剖、物理、生理、生化，从宏观到微观，从表象到本质全面反映人体结构和功能的交互式数字化人体。第七十二页，共一百一十页，2022年，8月28日美国国立医学图书馆VHP虚拟人网站第七十三页，共一百一十页，2022年，8月28日第七十四页，共一百一十页，2022年，8月28日解剖结构浏览器第七十五页，共一百一十页，2022年，8月28日第七十六页，共一百一十页，2022年，8月28日第七十七页，共一百一十页，2022年，8月28日美国可视化人体网站第七十八页，共一百一十页，2022年，8月28日第七十九页，共一百一十页，2022年，8月28日几个录象实例第八十页，共一百一十页，2022年，8月28日可视人计划：1989年美国国立医学图书馆建立了采集人体横断面CT、MRI（磁共振）和组织学数据的项目，其目的是为利用计算机图像重构技术建造虚拟人体作准备，项目名称为VisibleHumanProject（VHP），即可视化人体。该项目由科罗拉多大学承担实施，分别于1991年和1994年选择了男女各一个活体。男的身高1.82米，女的身高1.54米。在他们死后，立即用CT和MRI作了轴向扫描，男的间距1毫米，共1878个断面。女的间距0．33毫米，共5189个断面。然后将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶后冰冻至摄氏零下80度。再以同样的间距对尸体作组织切片的摄影。这些数据称为VHP数据集。第八十一页，共一百一十页，2022年，8月28日VHP数据集第八十二页，共一百一十页，2022年，8月28日第八十三页，共一百一十页，2022年，8月28日第八十四页，共一百一十页，2022年，8月28日第八十五页，共一百一十页，2022年，8月28日第八十六页，共一百一十页，2022年，8月28日VHP数据集的应用：A．通过网络发行和传播VHP数据集B．虚拟解剖图谱C．虚拟内窥镜D．微观组织三维重构E．VHP动画F．作为解剖基础的虚拟医疗处置培训设备。第八十七页，共一百一十页，2022年，8月28日虚拟内窥镜第八十八页，共一百一十页，2022年，8月28日VHP动画第八十九页，共一百一十页，2022年，8月28日虚拟人计划：美国橡树岭国家实验室于1999年10月分别向国家科学院以及国会递交了关于虚拟人体计划的正式报告，其主要设想是将人类基因组计划、人体机能建模和可视人计划的研究结果结合起来。所谓虚拟人体是将数据、生物物理和其它模型以及高级计算算法整合成一个研究环境，研究人体对外界刺激的反应。将物理学（例如组织的电和力学属性）和生物学（生理和生化信息）结合起来构成一个平台，能够预报对各种外界刺激（生理、生物化学乃至心理学）的反应并且能够观察结果。第九十页，共一百一十页，2022年，8月28日虚拟人体计划构成虚拟人体计划是从微观到宏观全方位模拟人体，包含宏观、微观和中观3个层次，包括多个子课题:第九十一页，共一百一十页，2022年，8月28日

A．呼吸和心搏的神经控制呼吸和心搏具有连续调节的机制。称为中枢模式发生器（CPG）的脑干神经电路系统确定呼吸和心搏的工作模式，力学感受器、血流化学感受器以及其它神经电路系统提供各种模式调节的反馈。研究人员正在开发一种呼吸和心搏电路系统的整合模型，可以控制血气中氧和二氧化碳水平。最终目标是描述呼吸的正常和异常模式。

第九十二页，共一百一十页，2022年，8月28日

B．虚拟人体的呼吸系统模型虚拟人体的呼吸系统模型将特定的器官解剖模型（肺脏）和生理模型（呼吸和心血管）结合起来。建模的条件包括正常的肺、哮喘肺和肺炎胸腔（肺穿孔），生成的肺音概貌和诊断检查中实际记录的人的肺音进行比较。

第九十三页，共一百一十页，2022年，8月28日

C．虚拟鼠图谱建造由于对鼠的遗传特征和基因机能已经进行了透彻的研究，对鼠建立模型可以充当人体模型的原型。研究的领域包括：正常动物、能够诱发动物患病的特定处置、特定的遗传类型。鼠的数字化模型需要横断面数字化数据。常规医用CT的空间分辨率为1－2毫米数量级，这项研究将以小于0.1毫米的空间分辨率产生重构的图像，其精确程度达到医生研究人体生理学需要的精确性。第九十四页，共一百一十页，2022年，8月28日

D．基于可视人建模的癌症放疗规划系统癌症放疗规划的挑战是放射剂量大小和面积的极小化。癌症放疗规划系统利用VHP男性头部和躯干的冰冻CT图像建造了一个虚拟人体躯干，并开发了放射线对临近组织的扩散算法，使得放射剂量得到优化。第九十五页，共一百一十页，2022年，8月28日第九十六页，共一百一十页，2022年，8月28日

E．人体有限元网格模型要从理性上预防灾难就首先要对人体灾难建模。利用有限