一种基于PC的生物组织建模与实时仿真方法_王沫楠
数字化模型在生物系统建模和仿真中的应用研究
数字化模型在生物系统建模和仿真中的应用研究随着科技的发展和计算机的普及应用，数字化模型逐渐成为生物系统建模和仿真的重要工具。
数字化模型通过数学方程和计算算法，对生物系统进行抽象和描述，能够模拟和预测生物系统的运行状态和行为。
本文将从基本概念、应用领域、优势和挑战等方面，来探讨数字化模型在生物系统建模和仿真中的应用研究。
一、基本概念数字化模型是基于数学和计算机技术的一种模型，通过量化和离散化生物系统的特征和规律，来描述和解释生物系统的行为和功能。
数字化模型由数学方程和计算算法构成，能够将复杂的生物系统简化为可计算的形式。
数字化模型的建立过程通常分为以下几个步骤：1. 问题定义：明确研究问题的目标和假设，确定研究对象和范围。
2. 数据采集：收集与研究对象相关的数据，包括实验数据、观测数据等。
3. 数据处理：对采集到的数据进行整理、清洗和分析，为后续的模型构建做准备。
4. 模型构建：选择适当的数学模型和算法，将数据转化为数学方程或计算模型，并进行模型参数的估计和验证。
5. 模拟和预测：通过模型进行仿真和预测，得到生物系统的运行状态和行为。
6. 结果分析：对模拟和预测的结果进行分析和解释，评估模型的准确性和可靠性。
二、应用领域数字化模型在生物系统建模和仿真中广泛应用于多个领域，包括生物医学、生态学、农业等。
以下是一些常见的应用领域的具体案例：1. 生物医学：数字化模型可以用于研究人体各个器官和系统的功能和疾病机制。
例如，心脏数字化模型可以对心脏的电活动和心脏病的发生机制进行研究，为临床诊断和治疗提供支持。
2. 生态学：数字化模型可以用于分析和预测生态系统的演变和生物多样性的变化。
例如，气候模型可以模拟未来气候变化对生态系统的影响，为环境保护和资源管理提供决策依据。
3. 农业：数字化模型可以用于农作物的生长和产量预测。
例如，作物生长模型可以根据气象数据和土壤信息，预测不同条件下的农作物产量，为农业生产提供指导。
生物信息分析与计算生物学模拟仿真建模
生物信息分析与计算生物学模拟仿真建模生物信息分析与计算生物学模拟仿真建模是当今生命科学领域中一个重要的研究方向。
通过利用计算机技术和生物信息学方法，科学家们可以从大规模数据中提取有价值的信息，进而揭示生物体内的生物学过程和机制。
生物信息分析包括序列分析、结构分析和功能分析等。
在序列分析中，科学家们研究DNA、RNA和蛋白质等生物分子序列之间的关系，以推断它们的结构和功能。
例如，通过序列比对和系统进化分析，我们可以探索不同物种间的基因变异和进化关系。
在结构分析中，科学家们使用生物信息学工具和算法来预测蛋白质的三维结构，以研究其功能和相互作用。
此外，功能分析通过挖掘基因和蛋白质的功能、通路和亚细胞定位等信息，揭示它们在生物过程中的作用和调控机制。
计算生物学模拟仿真建模是指利用数学建模和计算机仿真方法来研究和模拟生物学系统的行为。
通过构建数学方程和运用计算机模拟技术，科学家们可以模拟生物分子之间的相互作用、生物过程的动力学以及整个生物系统的行为。
例如，以分子动力学模拟为基础的药物设计可以帮助科学家们预测药物与蛋白质靶点的相互作用，为药物研发提供理论指导。
此外，计算生物学模拟仿真建模还可以研究生物网络、细胞信号传导和群体行为等复杂生物学系统。
生物信息分析和计算生物学模拟仿真建模在生命科学研究中发挥着重要作用。
首先，它们帮助科学家们理解生物分子之间的相互作用和调控网络，揭示生物过程和机制的奥秘。
其次，利用大数据和计算机技术，生物信息分析和计算生物学模拟仿真建模可以加速生物学研究的进展，大大提高实验效率和准确性。
最后，生物信息分析和计算生物学模拟仿真建模的方法和技术也可以应用于医学、农业、环境保护等领域，为解决现实生物问题提供理论支持和解决方案。
在生物信息分析和计算生物学模拟仿真建模的研究过程中，需要掌握一系列工具和方法。
例如，生物信息学软件和数据库（如NCBI、UniProt、PDB等）可以帮助科学家们收集、分析和查询各种生物信息。
生物医学工程中的仿真技术教程
生物医学工程中的仿真技术教程近年来，生物医学工程领域取得了巨大的发展，其中仿真技术在研究、设计和优化医疗设备以及诊断和治疗方法方面发挥着重要作用。
本文将为您介绍生物医学工程中的仿真技术，并提供一份专业的教程，帮助您了解仿真技术的基本原理和应用。
一、生物医学工程中的仿真技术概述仿真技术是一种利用计算机模拟和精确建模的方法，用于研究和预测生物体内的生理和病理过程，以及医疗设备和治疗方法的效果。
在生物医学工程领域，仿真技术可以模拟人体的组织、器官和生理系统，为医生和研究人员提供更准确、可靠的数据和信息，用于诊断、治疗和设计医疗设备。
二、仿真技术的基本原理仿真技术基于数学模型和计算机算法，将人体的生理和病理过程转化为数字数据，通过计算机模拟进行分析和预测。
仿真技术的基本原理包括以下几个方面：1. 建模：将生物体的组织、器官和生理系统抽象为数学模型，通过方程和参数来描述其生物学特性和行为。
2. 数值计算：利用数值方法和计算机算法，对建模结果进行计算和分析，以获得生理和病理过程的数值解。
3. 边界条件：仿真模型需要根据实际情况设置合适的边界条件，以模拟真实生物体内的环境和影响因素。
4. 验证和验证：通过与实际数据和实验结果进行比较，对仿真模型进行验证和验证，确保其准确性和可靠性。
三、生物医学工程中的仿真技术应用在生物医学工程领域，仿真技术被广泛应用于模拟和优化医疗设备的设计、诊断和治疗方法的研究，以及医学教育和培训等方面。
以下是一些典型的应用领域：1. 医疗设备设计：仿真技术可以帮助工程师模拟和优化医疗设备的设计，例如人工心脏和人工器官等。
通过仿真模拟，可以评估设备的效果、性能和耐用性，并指导优化设计。
2. 骨骼系统仿真：通过建立骨骼系统的仿真模型，可以模拟人体骨骼的力学行为和应力分布等。
这对于骨科手术的规划和模拟以及人工骨骼的设计和优化具有重要意义。
3. 生物流体力学仿真：仿真技术可以模拟血流和气流等生物流体在人体内的流动和运动。
生物医学工程中的仿真和建模技术
生物医学工程中的仿真和建模技术生物医学工程是一门涵盖生物学、医学、工程学等多学科交叉的领域，其目的是应用工程学的原理和方法研究和解决生物医学领域的问题，从而改善人们的生命质量。
仿真和建模技术是生物医学工程领域中非常重要的组成部分，可以帮助研究人员更好地理解人体和疾病等相关问题，同时也能够指导医疗设备的开发和医疗诊断的设计。
一、仿真技术在生物医学工程中的应用仿真技术是利用计算机技术对某一系统进行计算机模拟，以达到实现虚拟系统和真实系统之间的交互。
在生物医学工程领域，仿真技术可以用来构建生理系统模型，以及设计和测试各种医疗设备。
1、生理系统模型的建立生理系统是内部复杂的机理可控系统，如何研究这些系统是医学研究者的长期追求。
而生物仿真技术的优势在于能够真正模拟系统内部的生物过程，为生理系统的研究提供了有力的支持。
基于仿真技术，生理模型可以被根据实验室的数据进行简化或调整，以模拟人体机体的生理状态，从而预测和检测一系列生理问题。
生理系统的仿真有助于医师进行临床分析和实践，为生理学的深入研究和医学治疗提供了技术基础和理论支持。
2、医疗设备的设计和测试医疗设备的研发需要涉及各种生理系统的不同方面，如心血管、神经和呼吸等系统，因此需要有计算机模型对这些系统进行仿真。
同时，仿真技术也可以用来设计和测试新型医疗设备，比如心脏起搏器、人工血管等。
和传统的实验方法相比，利用仿真技术设计和测试医疗设备更加安全和准确，能够大大减少实验环境的成本和时间。
此外，仿真技术能够模拟各种可能的情况，这使得研究人员可以获取更全面的结果，帮助改进和完善医疗设备。
二、建模技术在生物医学工程中的应用建模技术是将某一系统的信息整合并转换成计算机可以处理的形式，从而方便分析和验证。
在生物医学领域中，建模技术可以帮助研究人员了解和模拟各种生物系统和疾病的机理，从而指导医疗设备领域的发展。
1、细胞和分子模型医学科学可以很成功地应用建模技术以研究合成各种药物的酶的三维结构、细胞内的信号转导及代谢过程、以及分子间之间的相互作用等生物学问题。
生物系统的建模与仿真技术
生物系统的建模与仿真技术随着现代科技不断发展，人类对于生物系统的研究也越来越深入和广泛。
生物系统复杂多样，传统的实验手段可能面临成本高、时间长、难以控制等问题。
因此，生物系统的建模与仿真技术成为了研究生物系统的重要手段。
一、生物系统建模的意义一个生物系统的行为受到许多因素的影响，如基因、环境等，它们之间的关系又十分复杂。
直接用实验手段研究生物系统的行为，不仅难度大，而且需要大量的时间和经费投入。
因此，为了更深入地了解生物系统的行为，需要通过建模来模拟生物系统的运行规律和机制。
生物系统建模技术将生物系统及其各组成部分抽象为数学公式和模型，通过计算机程序来实现仿真模拟。
而通过建立合理的生物系统模型，可以更加深入地研究生物系统的行为、机制以及预测其可能的变化趋势。
相比实验手段，生物系统建模技术具有成本低、时间短、数据精确、实验概率高等优点。
二、生物系统建模方法建立生物系统模型的方法多种多样，常见的方法包括生物形态学建模、生理学建模、基因表达建模等。
（一）生物形态学建模生物形态学建模是将生物系统各组成部分的结构与形态抽象为数学模型，如细胞、器官等，主要依赖于细胞学、组织学的基础知识。
通过对细胞、组织、器官的形态学特征进行建模，从而研究生物系统的物理特性和生理功能。
（二）生理学建模生理学建模是将生物系统的生理特征进行建模，侧重于模拟生物系统的生理反应和代谢过程。
生理学建模可以通过建立代谢网络、神经网络等不同形式的模型，来揭示代谢通路、物质转运等生理学特征，进一步研究生物系统的调控机制。
（三）基因表达建模基因表达建模主要是利用分子生物学的知识，通过建立基因网络来研究基因表达调控网络。
基因表达建模侧重于揭示基因调控网络的关系，包括基因表达的调节机制等。
三、生物系统仿真技术生物系统仿真技术是指利用计算机程序和生物系统模型，通过仿真模拟来分析生物系统的行为。
生物系统仿真技术主要包括连续型仿真和离散型仿真。
（一）连续型仿真连续型仿真是指仿真模型是以时间为连续变量来进行仿真的，其采用连续微分方程对生物系统进行建模和仿真。
生物过程建模与仿真
生物过程建模与仿真生物过程建模与仿真是一种将生命科学和计算机科学结合起来的交叉学科，它通过将生物学过程分解成多个小部分并对其进行分析，从而理解和预测生物学过程。
本文将介绍生物过程建模与仿真的基本概念、应用、挑战和未来发展方向。
一、基本概念生物过程建模与仿真旨在将生物学复杂的过程分解成多个小部分，并以数学模型的形式表示。
这些模型可以用来预测生物学过程的结果或调查生物学过程的某一方面。
例如，可以用模型研究细胞周期、代谢网络等。
生物过程建模与仿真的过程可以分为两个阶段。
首先，需要对生物学过程进行系统地研究，了解哪些因素对生物学过程的运作有影响。
其次，需要将这些因素数学化，并建立模型。
根据模型的形式和复杂程度，可以使用不同的仿真技术对其进行仿真和验证。
二、应用生物过程建模与仿真可以应用于生命科学领域的多个方面，如临床、生产和研究。
例如，生物过程建模与仿真技术可以用于药物研发，验证新药的有效性和安全性。
此外，生物过程建模与仿真还可以用于设计合成生物学的基因调控系统，从而控制生物学过程。
生物过程建模与仿真还可以应用于临床医疗。
例如，可以使用生物过程建模与仿真技术对患者进行逐步治疗，预测治疗结果，并优化治疗方案。
三、挑战生物过程建模与仿真面临着一些挑战和限制。
其中之一是数据的质量和可用性。
生物学数据经常是缺失、不完整、散乱和不可靠的。
此外，生物学过程的复杂性也给建模和仿真带来了很大的挑战。
生物学过程具有多层次的结构和多种互动方式，因此需要使用多学科方法来研究和建模。
四、未来发展方向未来的生物过程建模与仿真的发展方向包括将不同层次的模型集成在一起，以更好地理解生物学过程。
此外，未来的研究还将更加注重模型的验证和验证模型的实际应用。
随着计算机技术和数据采集技术的快速发展，生物过程建模与仿真在未来将有更重要的作用。
总之，生物过程建模与仿真是一种有趣和充满挑战的十分前沿的研究领域。
它为生命科学的研究提供了新的视角和工具，并为未来生物学的研究和应用提供了更多的机会。
生物网格系统建模和仿真的方法
生物网格系统建模和仿真的方法生物网格系统是指由许多个体组成的集合体系，这些个体之间通过某种方式相互作用，形成了一种具有特定结构和功能的单位。
例如，细胞、神经网络、生态系统等都可以看作是一种生物网格系统。
为了更好地研究和理解这些复杂的生物系统，生物学家和计算机科学家开展了大量的工作，其中建模和仿真是非常重要的方法。
本文将介绍生物网格系统的建模和仿真方法。
一、建模方法生物网格系统的建模方法有很多种，下面列举了几种常用的方法。
1. 基于微分方程的建模方法微分方程是描述物理和生物现象的主要工具之一。
因此，使用微分方程描述生物网格系统的动态行为是一种常用的建模方法。
例如，生态系统中的种群动态可以用 Lotka-Volterra 模型来描述；细胞内的化学反应可以用化学动力学模型来描述。
这种方法适用于描述连续的系统，并且可以用数学语言明确地表达系统的行为。
2. 基于图论的建模方法图论是研究图形结构和它们的性质的数学分支。
在生物网格系统中，图论可以用于描述个体之间的拓扑关系。
例如，神经网络可以用图论中的图来描述，图中的节点表示神经元，边表示神经元之间的突触连接。
这种方法适用于描述个体之间的离散关系。
3. 基于代数方程的建模方法代数方程是描述数值关系的数学工具。
在生物网格系统中，代数方程可以用于描述个体之间的数量关系。
例如，细胞内的代谢网络可以用一组代数方程来描述，方程中的变量表示不同分子的浓度。
这种方法适用于描述数量关系。
二、仿真方法仿真是指在计算机上对一个系统进行模拟，以便观察其行为和性质。
生物网格系统的仿真方法有很多种，下面列举了几种常用的方法。
1. 基于有限元法的仿真方法有限元法是一种数值计算方法，可以用于求解连续介质的特定物理问题。
在生物网格系统中，有限元法可以用于模拟组织或细胞内部的力学和运动行为。
例如，有限元法可以用于模拟生物组织中的细胞迁移过程。
2. 基于晶格Boltzmann方法的仿真方法晶格Boltzmann方法是一种计算流体力学的方法，可以用于模拟流体的流动行为。
一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法[发明专利]
![一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b0625a02b8f67c1cfbd6b876.png)
专利名称：一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法专利类型：发明专利
发明人：王沫楠,王新宇,杨宁
申请号：CN201611086971.8
申请日：20161201
公开号：CN106557665A
公开日：
20170405
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，具体包括以下步骤：建立骨折部位的三维几何模型；将得到的三维几何模型进行网格划分，并建立骨和骨痂的有限元模型；设置骨痂内初始情况下的组织类型；将有限元模型进行仿真初始化设置；计算骨痂内的偏应变；采用扩散方程模拟血管生长；建立力生物学调节算法的骨折愈合仿真过程，本发明将偏应变力生物调节算法与血管动态生长情况结合可以准确的模拟出骨折愈合的动态过程。
申请人：哈尔滨理工大学
地址：150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号
国籍：CN
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λ2 f
= fT C f ,
ψ( F ) =αexp (β(λ2f - 1) ) - αβλ2f .
式中 :λf 是纤维沿方向 f的伸长量.
在以上所有模型中 , 材料都具有以下主要性
能 :当体积压缩率为 0时 , 能量趋近无穷大 , 该性
质阻止了逆向变形的发生.
113 利用有限元方法解生物力学等式
变形的平衡等式 :
有限元的 方 法 是 将 连 续 体 用 有 限 单 元 离 散
化 ,部分微分等式 d ivσ ( < ) + f = 0用有限元的方
法离散成一系列的代数等式 R1 , R2 …. 1) 四面体单元的划分
网格划分是把给定的目标区域分割成单元的
形式. 用四面体单元对材料体进行划分 ,一个四
面体有 4个节点分别位于 4面体的顶点 [ 5 ].
( C1 + 2C2 + a) ln I3. 式中 : C1 和 C2 是与刚度相关的常量 , a 是与可压 缩性相关的常量.
在生物材料中 ,大多数材料是高度非线性的 ,
应力应变之间不存在线性关系 ,刚度系数随着材
料的拉伸和压缩会产生不容忽视的变化 ,第二类
材料是 Veronda材料 ,通过指数函数来表述这种
E = 0. 5 ( C - I) . 2)虚功原理
假设一个目标正在以一个任意的虚速度 δv 运动. 在平衡状态下 ,残余力 r不作任何功.
δw = r·δv = 0 . 作用在体积 v上的总的虚功 δW 也为 0,
∫ δW = ( d ivσ + f) ·δvdv = 0. v
由高斯原理
∫ ∫ ( d ivσ + f) ·δvdv = ( d iv (σδv) - σ: δv) dv +
Abstract: The m ain goal of modeling and real2time simulation of biological tissue is to build a virtual surgery environm ent for training and surgery p rogramm ing on a PC. This paper p roposed three kinds of op tical biome2 chanical material based on human tissue function. Further, dynam ical equilibrium equation is set up and solved by finite elem ent m ethod. Finally, neural network technology is used to learn analytical results. An ap2 p lication of skin cut simulation is p rovided as examp le. The result show s that the simulation system , based on the p roposed m ethod, can rep resent the biological tissue’s material performance accurately, and can satisfy the real2time requirem ent. Key words: finite element method; neural network; modeling; sim ulation
·1074·
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 39卷
功求出 ,整个虚功是每一个单元的虚功之和.
∫ δW ( e) ( <, N aδva )
=
σ:
V ( e)
(δva
Na ) dv -
∫ ∫ V ( e)
f· (N aδva )
dv
-
5V (e) t· (N aδva ) da ,
收稿日期 : 2005 - 10 - 13. 基金项目 : 国家高技术研究发展计划资助项目 (2004AA421030). 作者简介 : 王沫楠 (1973—) ,男 ,博士后 ,副教授 ;
孙立宁 (1964—) , 男 ,教授 ,博士生导师.
很少. 在这三类建模中 ,目前研究最广泛 ,最适合 应用于医疗培训的是第二类模型. 建立生物力学 仿真模型的方法主要有质量弹簧建模法和有限元 建模法两种 ,相关资料证明有限元模型在仿真的 真实性方面更具有优势 ,然而 ,有限元模型的计算 量很大 ,无法在 PC上实现交互式实时仿真. 如何 解决材料的真实性和仿真的实时性之间的矛盾是 目前该领域面临的难题之一 ,本文提出了一种解 决该问题的新方法. 将有限元法方法 、神经网络技 术结合应用于生物力学的研究 ,建立了可以在 PC 机上实现实时仿真的生物组织模型.
2) 离散化平衡等式
离散化的目的是推导出相应的节点力 ,节点
力可以通过分析由单个节点的虚拟速度产生的虚
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解 ,最后利用神经网络技术学习有限元分析结果 ,并给出了该方法在皮肤切割仿真中的应用. 结果证明 ,基于
该方法建立的仿真系统既体现了生物组织的材料特性又满足了实时仿真的要求.
关键词 : 有限元法 ; 神经网络 ; 建模 ; 仿真
中图分类号 : TP391
文献标识码 : A
文章编号 : 0367 - 6234 (2007) 07 - 1072 - 04
∫ ∫ ∫ δW = σ:δddv - f·δvdv - t·δvda = 0.
v
v
5v
式中 :σ为应力 , δd表示微小应变 , f0 为组织所受 外力 , t0 为组织间的自碰撞力. 该等式也被称作虚 功的欧拉原理.
3) 克希荷夫应力
∫ ∫·
δW int = σ:δddv = Jσ: ( F- TδEF- 1 ) dV =
M odeling and rea l2tim e sim ula tion m ethod of b iolog ica l tissue ba sed on PC
WANG Mo2nan, SUN L i2ning, J IA Zhi2heng, DU Zhi2jiang
(Robotics Institute, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China, E2mail: qqwmnan@163. com )
112 生物组织材料的选择
生物的组织性能在生物力学中被广泛研究 ,
基于应力应变实验提出的模型由于测量技术的限
制精确性不好. 本文在虚功平衡等式的基础上 ,提 出了用于描述生物组织特性的 3种典型材料.
材料的性能由应力应变关系等式 (本构方 程 ) 决定 ,用 ψ( C) 表示材料性能. 则有
ψ( C ) =ψ ( I1 , I2 , I 3 ) ,
非线性关系 :
ψ( F ) = 2αexp ( I1 - 3) +αβ( I2 - 3) + a I3 - a lnI3. 式中 :α表征刚度 ,β表示刚度的变化率.
第三 类 组 织 是 fiber - reinforcement 材 料 模
型 ,这种材料由于其微纤维结构的特殊性而在宏
观表现出各相异性.
目前 ,在生物组织建模与仿真方面的主要研 究工作集中在三种模型上 [ 1 ] ,第一类是基于解剖 学的模型 ,用于病理诊断或辅助手术规划. 第二类 是基于生物力学的模型 ,这类模型不仅包括基于 生物体解剖学特性的几何建模而且包括基于生物 组织物理特性的生物力学建模 ,当外科手术仪器 与软组织交互作用时 ,为了真实的表达 ,引入生物 力学特性是必要的. 第三类仿真是基于生理学的 仿真 ,该类仿真包含生物组织解剖学 、物理学 、生 理学 3方面的模型 ,也就是对心血管系统 、消化系 统 、呼吸系统等进行功能性建模 ,由于结合了生理 本质和物理特性 ,使这类建模更加复杂 ,目前研究
∫ ∫ ∫ δW = S:δEdV - f0 ·δvdV - t0 ·δvdA = 0.
V
V
5V
(3)
为了仿真变形 ,必须知道变形后任意区域的
位置 ,由于边界条件的复杂性和微分等式的非线
性 ,不能得到式 ( 3 )的解析解. 所以 ,必须将平衡
等式离散化成一系列代数等式 ,采用有限元的方
法对生物力学平衡等式进行离散化 [ 4 ].
1 生物组织的数学建模及有限元分析
111 建立生物组织运动的力学平衡方程 1 )格林应变 设在材料 空 间 中 的 任 意 两 点 的 微 分 矢 量 为
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(哈尔滨工业大学 机器人研究所 , 哈尔滨 150001, E2mail: qqwmnan@163. com )
摘 要 : 为了在 PC机上实现可以用于手术培训和手术规划的虚拟手术环境 ,首先基于人体组织特性确定了
3种可选择的生物力学材料 ,进而建立组织的动力学平衡等式 ,利用有限元方法对非线性动力学等式进行求
∑ δW ( <, N aδva ) = δW ( e) ( <, N aδva ) =δva · a∈e
( Ta - Fa ) .
在第 a个节点上的合力来自于包含该点的所有单
∑ ∑ 元, 总的等价节点力是: Ta = T(e) ; Fa = F(e) .
a∈e
a∈e
离散化的虚功原理等式是所有节点的总和.