生理系统建模与仿真-课件

生理系统建模与仿真生理系统建模与仿真（physiology system modeling and simulation）运用自然科学和工程技术的原理和方法研究人的运用自然科学和工程技术的原理和方法研究人的生理、病理过程、揭示人体的生命现象，并从工生理、病理过程、揭示人体的生命现象，并从工程角度解决防病治病问题程角度解决防病治病问题，是生物医学工程的主，是生物医学工程的主要任务。要任务。研究内容：医学仪器与传感器、医学成像、生物医学信号处理、生物电磁学、生理系统的仿真、建模与控制、医学专家系统与模式识别、临床工程、生物力学等多个方面。多学科、综合交叉的科学信息技术系统技术计算机技术 建模与仿真建模与仿真已成为分析、研究和设计各已成为分析、研究和设计各类系统，特别是复杂系统和大系统的有力工类系统，特别是复杂系统和大系统的有力工具。具。例如：例如：工业（航天、航空、航海、原子弹、电力等）社会经济交通生命科学生命科学主要内容生理系统建模仿真的意义与作用生理系统的建模仿真生理系统模型一、生理系统建模仿真的意义与作用生理学可以说是一门实验科学，对于生理系统的生理学可以说是一门实验科学，对于生理系统的研究，研究，传统上有两类方法：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。动物实验方法的局限性：动物实验方法的局限性：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；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，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。建模：为了研究、分析生理系统而建立一个与真实系统具有某种相似性的模型；仿真：利用这一模型对生理系统进行一系列实验，在模型上进行实验的过程称为系统仿真。生理系统的建模与仿真生理系统的建模与仿真 生理学研究的第三种方法生理学研究的第三种方法模型大体可分为模型大体可分为物理模型物理模型和和数学模型数学模型两类。两类。物理模型是指实体的模型；如生理课上使用的些物理教具：脑模型、心室瓣膜模型、血管模型等。物理模型的特点：形象，更接近于实际情况。但灵活性较差，且受到材料、加工等条件的限制。u数学模型：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等等。当用数学模型来刻划生理系统的数量规律时，方程式中的参量则代表该生理系统的固有特征。如果令这些参量有所改变，就相当于改变了原系统的固有特性。从医学上讲，当人体内一些固有特性发生了变化，则对应于各种病症。例如，改变冠状血管弹性就对应于冠心病。当某个生理系统的模型建立后，令其中的参数做种种变化，就相当于制造了种种病例，并可通过仿真来预测其发展趋势。l模型的建立往往蕴含着三层意思：（1）理想化；（）理想化；（2）抽象化；（）抽象化；（3）简单化。）简单化。l由于建模过程中所采用的理想化、抽象化、简化等手段，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。无论是数学模型，还是物理模型，都是在假设条件下，即忽略了一些次要因素，通过实验或理论分析，提出描述该系统主要变量间关系的基础上建立起来的。一个模型不是原系统的复制，往往是其主要特征的抽取，即简化。例如，心脏功能研究时，外周循环网络就可简化例如，心脏功能研究时，外周循环网络就可简化为动静脉的简单联接通路。为动静脉的简单联接通路。计算机仿真计算机仿真根据建立模型不同，系统仿真可分：物理仿真和数学仿真。数学仿真，按系统的特性用数学模型描述，并在数学模型上进行有关实验。数学仿真一般都是通过运行计算机程序而实现的，常称之为计算机仿真(computer simulation)。计算机仿真，需要将数学公式转化为计算机算法，编程，这种用计算机程序所表达的模型称为仿真模型，而仿真模型在计算机上的运行则形成了仿真实验。计算机仿真与原型系统之间经历了两个基本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，而后建立仿真模型。过程，即建立数学模型，而后建立仿真模型。系统原型、数学模型、仿真模型举例：心血管循环系统仿真举例：心血管循环系统仿真进入仿真界面进入仿真界面血管狭窄仿真图血管狭窄仿真图仿真结果图仿真结果图建模仿真方法的优越性建模仿真方法的优越性（1）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。（2）实现极端条件下的实验 在在现现有有的的实实验验技技术术水水平平上上，有有些些极极端端条条件下的真实系统实验是无法进行的。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，而运用模型来进行仿真实验，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。口腔颅颌面骨的计算机仿真口腔颅颌面骨的计算机仿真基于激光扫描图像的三维仿真基于激光扫描图像的三维仿真虚拟人虚拟人虚拟人，就是指运用现代计算机图形图像技术，与临床解剖学相结合，建立起的以真实人体数据为基础的计算机三维几何模型，包括骨骼、肌肉、组织、器官以及血管的模型。数字化虚拟人体的科学意义，在于将人体结构数数字化虚拟人体的科学意义，在于将人体结构数字化与可视化，建立起能够为计算机处理的数学字化与可视化，建立起能够为计算机处理的数学模型，使计算机的定量分析计算和精确模拟成为模型，使计算机的定量分析计算和精确模拟成为可能。可能。2003年初，被称为“中国虚拟人1号”的我国首例女性虚拟人数据集在南方医科大学构建成功，标志着继美国、韩国后，中国成为世界上第三个拥有本国虚拟人数据库的国家。通过血管铸型技术显示的动静脉模型 虚拟人的研究分为四个发展阶段：虚拟人的研究分为四个发展阶段：第一阶段是第一阶段是数字可视人数字可视人；第二阶段是第二阶段是数字物理人数字物理人，拥有人体的物理性，拥有人体的物理性能，可以模拟肌肉的运动；能，可以模拟肌肉的运动；第三阶段是第三阶段是数字生理人数字生理人，可模拟人的生理功，可模拟人的生理功能；能；第四个阶段是第四个阶段是数字智能人数字智能人，具备一定的思维能力。二、生理系统的建模仿真 生理系统建模仿真主要应用于三个方面：生理系统建模仿真主要应用于三个方面：（1）研究人体系统的生理机制；（2）研究人体系统的病理机制及其诊治方法；（3）研究在超常环境下生理系统的变化及防护办法。Hodgkin and huxley 模型模型揭示了动作电位产生的原因和膜电特性，解释了神经轴突等电可兴奋细胞的生理特性，并可通过仿真预测神经电的一切基本现象，如动作电位全或无原则，不应期、阈值及动作电位的传播等。Nobel Prize in 1962心血管系统担负着体内新陈代谢物质的交换功能，是人体的生命线。血液在血管中的流动主要由流体力学规律支配，可以进行定量描述。至今，心血管系统的数学和物理模型已发展到相当深入的阶段，尤其是血流动力学仿真。血液循环系统的建模仿真血液循环系统的建模仿真 血流动力学数学仿真模型按建模的侧重点分血流动力学数学仿真模型按建模的侧重点分为强调为强调局部特性局部特性和强调和强调整体特性整体特性两大类。两大类。局部特性的模型指某一循环器官的局部模型，如冠脉循环模型、心脏模型等。整体特性的模型将血液循环作为一个闭合的系统，强调了各器官的相互耦合和相互作用。u复旦大学的丁光宏教授建立一个反映全脑血液流动的参数模型，不仅能模拟出各种脑血管病的血流运动状况，而且能容易反过来计算各支血管段的阻力及血液代偿情况。近年来国内外对循环系统的建模仿真研究主要集中在：1、心脏模型的复杂化 2004年，Shim等人将心脏模型扩展到细胞水平，不仅模拟了心肌细胞的兴奋-收缩耦联机制，而且估测了心肌收缩产生的张力。2、人体不同生理系统之间的融合建模 清华大学李新胜等人建立了一个反映心肺交互作用的模型，就呼吸运动对心血管系统的影响进行了仿真研究，仿真结果与临床检测结果基本一致。3、模型参数设置方法的研究等等。参数选择与个体特征有关，目前还没有通用的参数设计方法能够实现个体化建模。三、生理系统模型 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。房室系统，是一个由有限个子系统组成的系统，每 一 个 子 系 统 称 之 为 房 室（pool或compartment）。房室具有以下性质：（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。图图中中第第i室室的的容容积积用用Vi表表示示，指指定定物物质质在在第第i室室的的总总量量及及浓浓度度则则分分别别用用Xi和和Ci来来表表示示。有有Ci=Xi/Vi成成立立。各各房房室室间间以以及及房房室室与与外外环环境境间间的的物物质质转转运运分分别别由由物物质质流流动动速速率率kij与与fij来来表表示示，其其中中约约定定第第一一下下标标为为目目标房室的序号，而第二下标为源房室的序号。标房室的序号，而第二下标为源房室的序号。两房室系统示意图两房室系统示意图（1）在药物动力学中的应用）在药物动力学中的应用由测得的体内血药浓度实验曲线估算出组织液中的浓度时间曲线；估算出各种不同用药方案时体内血药浓度和组织液中药浓度时间曲线；估算出毒物在体内不同脏器分布的时间过程等。（2）在代谢系统分析中的作用）在代谢系统分析中的作用代谢系统模型比药物动力学模型复杂。1961年，Bolle已建立具有两房室的血糖调节的线性系统，估算葡萄糖灌输于正常人时，人体系统的响应特性，其结果与临床符合。由病人的糖耐量试验曲线对糖尿病人进行分类诊断；正在研究和应用的胰岛素治疗糖尿病人的最佳控制用药问题等。