生理系统建模与仿真

生理系统建模与仿真第一页，共六十六页，编辑于2023年，星期一

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。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。虚拟人——应用于超重、失重、碰撞、个性化手术导航与评价等多个领域。生理系统建模与仿真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、康复工程研究的重要手段。第二页，共六十六页，编辑于2023年，星期一主要内容1生理系统仿真的意义与作用2建立生理系统模型的基本方法3生理系统仿真的基本方法4生理系统模型的实例第三页，共六十六页，编辑于2023年，星期一1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：(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。第四页，共六十六页，编辑于2023年，星期一动物实验法存在三方面的局限性：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。第五页，共六十六页，编辑于2023年，星期一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。替代的方法---生理学研究的第三种方法生理系统的建模与仿真第六页，共六十六页，编辑于2023年，星期一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。第七页，共六十六页，编辑于2023年，星期一模型可分为物理模型和数学模型物理模型是指实体的模型第八页，共六十六页，编辑于2023年，星期一物理模型的特点：形象，接近于实际情况。缺点：花费大，周期长；灵活性较差，且受到材料、加工等条件的限制。第九页，共六十六页，编辑于2023年，星期一数学模型：用数学表达式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，可以用流体力学的公式来描述第十页，共六十六页，编辑于2023年，星期一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，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。第十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期一根据所建立模型的不同，系统仿真相应的分成两大类：物理仿真数学仿真，又称为计算机仿真第十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期一心脏模型的计算机仿真第十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期一人体模拟仪第十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期一计算机仿真优越性：（1）可实现时空的伸缩：可在几小时内仿真实验出数百年中的事件（2）可实现极端条件下的实验：高温（高寒）下人体器官的耐受性实验；第十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期一（3）可作为一种预研的手段，为真实系统运行奠定基础例如：可通过进行大量的仿真实验找出系统的变化规律，然后再进行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，又可减少危险性和提高效率。实车碰撞试验汽车碰撞-模拟实验第十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期一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。第十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期一主要内容1生理系统仿真的意义与作用182建立生理系统模型的基本方法3生理系统仿真的基本方法4生理系统模型的实例第十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期一2、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。第十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期一2、建立生理系统模型的基本方法生理系统原型：真实的活体系统模型：与活体系统在某些方面相似的系统20第二十页，共六十六页，编辑于2023年，星期一建立模型的方法已经：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。第二十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期一

2007年加拿大卡尔加里大学医学院的研究人员们完成了全球首个“4D”人体活动模型，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——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第二十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期一第二十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期一第二十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期一第二十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期一然而，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，试图建立其完满的仿真模型是不可能也是不值得的。第二十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期一一个模型的建立需要：实际条件理想化；具体事物抽象化；复杂系统简单化如：研究血液的力学特性时，建立血液的流体力学模型理想化：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简单化：忽略血液功能、血液成分、在组织中的物质交换等.第二十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期一一般而言，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。第二十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期一鉴于这一基本事实，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。第二十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期一真实系统模型空间模型空间的解真实系统的解第三十页，共六十六页，编辑于2023年，星期一2.1物理模型物理模型: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形式其物理模型可分为：1.几何相似模型2．力学相似模型3．生理特性相似模型4．等效电路模型第三十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期一1.几何相似模型

建模思想：按照真实系统的几何尺度比例构造的实体模型，强调模型与原型的几何形态上的相似性。第三十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期一心脏模型第三十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期一血管铸型第三十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期一先将猪肾洗净，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，乒乓球对丙酮的比例约为1:10。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。用乒乓球做肾脏血管铸型标本第三十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期一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，一边灌一边帮猪肾按摩。第三十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期一灌好之后，静置数小时到数天，等待丙酮挥发，胶液就会硬化，变回乒乓球的材质。第三十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期一刚从盐酸里拿出来，用水冲过，其他的组织脱落，留下血管的铸型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，就可取出用水冲掉组织，得到肾脏血管的铸型标本。第三十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期一第三十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期一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……第四十页，共六十六页，编辑于2023年，星期一2．力学相似模型建模思想：按照动力学特征相似性构造的实体模型，注重与原系统在动力学方面的相似性如：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第四十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期一3．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为评判标准如：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侧重点第四十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期一如：血管中血流的等效电路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，血压等效为电压血流等效为电流LCRPn+1Pn4．等效电路模型可用一个等效电路来描述某些系统的动态特性第四十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期一物理模型的优点：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，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。缺点：花费大，周期长；应用范围有限第四十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期一2.2、数学模型

数学模型：用数学表达式来描述事物的生理特性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。第四十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期一数学模型的特点：当采用数学模型来描述生理系统中的定量关系时，数学表达式中的各个参数代表系统的固有特性。第四十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期一例如：

血管弹性系数下降对应于动脉硬化

血流阻尼系数增大对应于血液的粘稠度增加。

当一个模型中的参数变化时，就相当于构造了种种病例。第四十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期一系统中各个作用环节的描述即：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。表征系统的固有特征量的提取即：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：第四十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期一建立生理系统数学模型的方法主要有如下两种：1．黑箱方法—对系统完全不知2．推导方法—对系统部分已知第四十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期一黑箱：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。如：系统的输入与输出第五十页，共六十六页，编辑于2023年，星期一如果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。51第五十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期一要研究黑箱系统，有两种办法：方法一：打开黑箱通过一定手段（如：解剖、化验等），达到使原来不可观测和控制的系统参量成为可直接观测和控制的1．黑箱方法第五十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期一在以下两种情况下无法打开黑箱的办法：对于那些内部结构非常复杂的系统如：生命系统；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。第五十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期一方法二：不打开黑箱，而通过黑箱外部的输入与输出关系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、特性和机理的目的。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黑箱方法。第五十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期一作为数学模型，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)，三者关系如下：

Y(s)=H(s)X(s)第五十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期一欲建立某一系统的黑箱模型，则需要对该系统施加某种刺激，并同时记录下系统的响应。第五十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期一例如：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，同时记录下心率在此刺激下的反应。第五十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期一由此获得的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。第五十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期一黑箱方法的优点：简单、易行；不破坏系统原有结构；缺点：仅强调外部观测和系统在某一方面的整体功能无法描述系统的内部结构、局部细节以及作用机理

第五十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期一2．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（灰箱）。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，分析推导出描述系统功能和特性的模型。第六十页，共六十六页，编辑于2023年，星期一