生理系统仿真与建模第一章
生理系统建模与仿真1
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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。
11
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
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心脏模型的计算机仿真
66
仿真模型≠数学模型 数学模型仅仅是系统的一种数学描述，对
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，还 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。 仿真模型是原数学模型一种很好的近似
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仿真模型在计算机上的运行则形成
了仿真实验。
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)
55
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。
56
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。
57
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。
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。
21
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
系统建模与仿真课程设计
系统建模与仿真课程设计一、课程目标系统建模与仿真课程设计旨在让学生掌握以下知识目标：1. 理解系统建模与仿真的基本概念、原理和方法；2. 学会运用数学和计算机工具进行系统建模与仿真；3. 掌握分析、评估和优化系统模型的能力。
技能目标：1. 能够运用所学知识对实际系统进行建模；2. 独立完成仿真实验，并对结果进行分析；3. 能够针对具体问题提出合理的建模与仿真方案。
情感态度价值观目标：1. 培养学生的团队合作意识，提高沟通与协作能力；2. 激发学生对科学研究的兴趣，培养创新精神和实践能力；3. 增强学生的社会责任感，使其认识到系统建模与仿真在解决实际问题中的价值。
本课程针对高中年级学生，结合学科特点和教学要求，将目标分解为以下具体学习成果：1. 掌握系统建模与仿真的基本概念和原理，能够解释现实生活中的系统现象；2. 学会使用数学和计算机工具进行系统建模与仿真，完成课程项目；3. 能够针对实际问题，运用所学知识进行分析、评估和优化，提出解决方案；4. 培养团队协作能力，提高沟通表达和问题解决能力；5. 增强对科学研究的好奇心和热情，树立正确的价值观。
二、教学内容根据课程目标，本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 系统建模与仿真基本概念：介绍系统、建模、仿真的定义及其相互关系，分析系统建模与仿真的分类和特点。
2. 建模方法与仿真技术：讲解常见的建模方法（如数学建模、物理建模等）及仿真技术（如连续仿真、离散事件仿真等），结合实例进行阐述。
3. 建模与仿真工具：介绍常用的建模与仿真软件，如MATLAB、AnyLogic 等，并指导学生如何使用这些工具进行系统建模与仿真。
4. 实践项目：设计具有实际背景的系统建模与仿真项目，要求学生分组合作，运用所学知识完成项目。
教学内容安排如下：第一周：系统建模与仿真基本概念，引导学生了解课程内容，激发学习兴趣。
第二周：建模方法与仿真技术，讲解理论知识，结合实例进行分析。
陈树新现代通信系统建模与仿真第01章
第1章 绪论 在仿真实验方面，现代仿真技术将实验框架与仿真运行
控制区分开来。一个实验框架定义一组条件，它们包括模型 参数、输入变量、观测变量、初始条件、终止条件和输出说 明等。前面已对模型参数进行了说明，除此之外，现代仿真 技术与传统仿真技术的区别还在于现代仿真技术将输出函数 的定义也与仿真模型分离开来。这样，当需要不同形式的输 出时，不必重新修改仿真模型，甚至不必重新仿真运行。
第1章 绪论 1.1.2 模型
为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行实验。 实验的方法通常可分为两大类：一类是直接在真实系统上进 行；另一类是先构造模型，通过对模型的实验来代替或部分 代替对真实系统的实验。传统上大多采用第一类方法。随着 科学技术的发展，尽管第一类方法在某些情况下仍然是必不 可少的，但第二类方法日益成为人们更为常用的方法，其主 要原因在于： (1) 系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们 需要更准确地了解未来系统的性能，这时就只能通过对模型 的实验来了解；
第1章 绪论 对于数学模型而言，当系统的激励是连续信号时，若其
响应也是连续信号，则称其为连续系统；当系统的激励是离 散信号时，若其响应也是离散信号，则称其为离散系统。连 续系统与离散系统常组合使用，可称为混合系统。描述连续 系统的数学模型是微分方程，而描述离散系统的数学模型是 差分方程。 如果系统的数学模型只有单个输入和单个输出信号，则 称为单输入—单输出系统，如图1.1-1(a)所示；如果系统含 有多个输入和多个输出信号，则称为多输入—多输出系统， 如图1.1-1(b)所示。这里仅考虑单输入—单输出系统。
第1章 绪论 (2) 在真实系统上进行实验可能会引起系统破坏或发生
故障，例如，对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进 行没有把握的实验，将会冒巨大的风险； (3) 需要进行多次实验时，难以保证每次实验的条件相 同，因而无法准确判断实验结果的优劣； (4) 实验时间太长或费用昂贵。 因此，在模型上进行实验日益为人们所青睐，建模技术 也就随之发展起来了。根据建模方法不同可以把模型分为两 大类：一类是物理模型，就是采用一定比例尺按照真实系统 的“样子”制作，沙盘模型就是物理模型的典型例子；另一 类是数学模型，就是用数学表达式来描述系统的内在规律。
生理系统建模与仿真
数学建模
利用计算机技术对数学模型进行数值求解，以模拟生理系统的动态行为。
计算仿真
通过实验数据和统计学方法，估计模型中的未知参数。
参数估计
通过实验数据和优化算法，确定模型的结构和参数。
系统辨识
将仿真结果与实验数据进行比较，以检验模型的准确性和可靠性。
验证
根据模型的表现和实际需求，对模型进行性能评估和改进。
预防性干预
通过生理系统建模，可以模拟药物在体内的代谢、分布、作用机制等过程，为新药的研发提供理论支持。
通过模拟不同药物对生理系统的效果，可以对新药或已有药物的效果进行评估，为药物选择和剂量调整提供依据。
药物效果评估
药物作用机制研究
个体化治疗方案
根据个体生理系统的特点，可以为患者制定个性化的治疗方案，以提高治疗效果并减少副作用。
总结词
总结词
多尺度建模和跨学科融合是未来生理系统建模的重要方向。
要点一
要点二
详细描述
生理系统在不同的时间和空间尺度上表现出不同的特征和规律。为了更准确地模拟生理系统的行为，需要发展多尺度建模方法，将不同尺度的模型有机地结合起来。此外，生理系统建模还涉及到多个学科领域，如生物学、医学、物理学、化学等，需要加强跨学科的合作与交流，促进不同领域之间的融合，以推动生理系统建模的发展。
总结词：数据驱动和机器学习方法在生理系统建模中具有广阔的应用前景。
THANKS
感谢观看
OpenSim
开源生物医学仿真软件，主要用于人体肌肉骨骼系统的建模和仿真。
EMGWorks
专门用于肌肉力学的建模和仿真，支持多通道肌肉模型和多体动力学分析。
结果分析
对仿真结果进行解释和分析，提取有意义的信息，支持决策或优化设计。
系统建模与仿真-第1章 导论
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1.1 系统
三、 西方主要系统流派
(1)以麦萨罗维克(M.Mesorovic)为代表的数学系统学派。 (2)以霍尔(Arthur D.Hall)等人为代表的系统分析学派。 (3)以阿考夫(Russell Ackoff)为代表的运筹学派。 (4)特洛卡勒(Len Trocale)创立的耦合命题学派。 (5)福雷斯特(Jay W.Forrester)创立的系统动力学学派。 (6)以奥杜姆(Howard T.Odum)为代表的系统生态学派。 (7)以比尔(Stafford Beer)为代表的活力系统学派。 (8)以亚伯拉罕(Ralph Abraha。m)为代表的动态系统学派。
1.3 系统仿真
1.3.1系统仿真的定义与特点
定义1.3.1：通过对替代物或模仿品的实验分析对与 之相似的原型系统进行研究的过程称为系统仿真。 系统仿真包含三个基本要素：实际系统、数学模型、 计算机。系统仿真过程的实现则要通过三项基本活动： 建立模型、实验仿真、结果分析（如图1.3所示）。
1.3 系统仿真
。 。
1.1 系统
四、中国的系统科学研究与应用
50年代中期，钱学森和许国志把运筹学从西方带到中国 50年代未期，中国科学家开始将运筹学应用于国民经济发展。 20世纪70年代，在钱学森、宋健、许国志等人的大力倡导下， 中国出现了新的系统科学研究热潮。 华罗庚提出的解决国民经济大范围优化问题的“产综正特征矢 量法”，钱学森提出的“综合集成方法”，都极大地丰富了系 统科学方法论。70年代末80年代初，中国学者创立了一批系统 科学新学科，其中邓聚龙创立的“灰色系统理论”、吴学谋提 出的“泛系理论”和蔡文创立的“物元分析”，都在国际上产 生了一定影响。
生理系统建模与仿真 PPT课件
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
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
进入仿真界面
血管狭窄仿真图
（2）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。
• 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：
• 第一阶段是数字可视人；
• 第二阶段是数字物理人，拥有人体的物理性 能，可以模拟肌肉的运动； • 第三阶段是数字生理人，可模拟人的生理功 能； • 第四个阶段是数字智能人，具备一定的思维 能力。
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
脑血液流动的参数模型，不仅能模拟出
现代医学电子仪器原理与设计复习指导(含答案)
现代医学电子仪器原理与设计复习指导(含答案)现代医学电子仪器原理与设计复指导（含答案）第一章医学仪器概述医学仪器的工作方式分为直接和间接、实时和延时、间断和连续、模拟和数字。
根据用途不同，医学仪器通常分为诊断用仪器和理疗用仪器。
诊断用仪器包括生物电诊断与监护、生理功能诊断与监护、人体组织成分的电子分析、人体组织结构形态影像诊断。
理疗用仪器包括电疗、光疗、磁疗与超声波治疗。
生理系统的建模与仿真方法是为了研究、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。
建模是医学仪器设计的第一步和关键，是对生命对象进行科学定量描述的产物。
建模关系即模型的有效性度量主要包括复制有效，在系统输入与输出上认识系统；预测有效，对系统内部状态及总体结构认识清楚；结构有效，内部状态、总体结构及分解结构均有了解等三个层次。
广义而言，生理系统的模型不仅包括人造的物理或数学的模型，也应包括动物模型。
建模即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。
模型的建立蕴含的三层意思即理想化、抽象化和简单化。
模型可分为数学模型、物理模型和描述模型三种。
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：几何相似模型、力学相似模型、生理特性相似模型、等效电路模型。
数学模型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。
构造一个数学模型主要包括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、功能和内在联系和表征系统的固有特征量的提取即主要来源于实验数据的参量提取两个方面的内容。
系统建模与仿真课程设计
系统建模与仿真课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解系统建模与仿真的基本概念，掌握建模与仿真的基本原理；2. 使学生掌握运用数学模型描述实际问题的方法，提高解决实际问题的能力；3. 帮助学生了解不同类型的建模与仿真方法，并能够根据实际问题选择合适的建模与仿真方法。
技能目标：1. 培养学生运用计算机软件进行建模与仿真的操作能力；2. 提高学生分析问题、解决问题的能力，使学生能够独立完成简单的系统建模与仿真实验；3. 培养学生的团队协作能力，能够与他人合作完成复杂的系统建模与仿真项目。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对系统建模与仿真的兴趣，培养学生主动探索、勇于创新的科学精神；2. 培养学生具备严谨、求实的学术态度，提高学生的学术素养；3. 引导学生关注建模与仿真在工程技术领域的应用，增强学生的社会责任感和使命感。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程旨在通过理论教学与实践操作相结合，使学生在掌握基本知识的基础上，提高实际操作能力。
课程目标分解为具体的学习成果，以便后续的教学设计和评估。
通过本课程的学习，学生将能够运用所学知识解决实际问题，为未来的学术研究和职业发展打下坚实基础。
二、教学内容1. 系统建模与仿真基本概念：包括系统、模型、仿真的定义及其相互关系，介绍建模与仿真的发展历程；2. 建模与仿真原理：讲解建模与仿真的基本原理，如相似性原理、逼真度原理等；3. 数学模型构建：介绍常用的数学模型及其构建方法，如差分方程、微分方程等；4. 建模与仿真方法：分析不同类型的建模与仿真方法，如连续系统仿真、离散事件仿真等；5. 计算机软件应用：介绍常用的建模与仿真软件，如MATLAB、AnyLogic 等，并进行实际操作演示；6. 系统建模与仿真实践：结合实际案例，指导学生运用所学知识进行系统建模与仿真实验；7. 教学内容安排与进度：按照教材章节顺序，制定详细的教学大纲，明确各章节的教学内容和进度。
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件 1661--Marcello Malpighi--发现毛细血管的存在 Stephen Hales--在计算心输出量方面跨出了真正的一步，并引进
了外周阻力的概念
1 历史的简单回顾
1775—Leonhard Euler—描述不可压缩无粘性液体在弹性管中流动 的一维方程
1 历史的简单回顾 2 血液循环的生理背景 3 心血管系统血液流动的一般描述 4 心血管流体力学的发展概况
2 血液循环的生理背景
循环系统
动力系统
管路系统
人体 血液 循环
体循环 肺循环
心脏
血管
心血管系统
血液循环途径示意图
心脏腔室
左心室 LV 右心室 RV 左心房 LA 右心房 RA
心脏瓣膜
二尖瓣 三尖瓣 主动脉瓣 肺动脉瓣
雷诺（Reynolds）数，定义为
UD Re
为血液密度
D 为圆管直径
为流体粘度
U 为流动速度
心血管系统血液流动的一般描述
➢ 雷诺数Re表征Navier-Stokes方程中迁移惯性项与粘性项 比值的大小。
英国医生兼自然哲学家Thomas Young—首次导出了血液流动中脉搏 波的传播速度
19世纪后期—许多研究者—重新推导出脉搏波方程 1898—Otto Frank—提出动脉系统弹性腔室定量模型 50年代—改进的线性化模型 60年代末、70年代初—Cox等—模型拓广到有限厚度管壁的情况
绪论
绪论
1 历史的简单回顾 2 血液循环的生理背景 3 心血管系统血液流动的一般描述 4 心血管流体力学的发展概况
1 历史的简单回顾
公元前三千年--埃及象形文字--记载了外周脉搏与心跳作用之间的 关系
公元前280年--Erasistratos--脉搏是一种波的传播现象 文艺复兴时期--Leonardo da Vinci--叙述了心房和心室收缩的前后
t
(V g)V
p
2V
血液密度 V (u, v, w)
压力 血液粘度
是血液流动速度
（假定为常数）
心血管系统血液流动的一般描述
➢ 比较方程（1--5）中的局部惯性项与粘性项的量级，有：
局部惯性项 粘性项
U
U
D 2
2
D 2 2
v
St
• 上式中假定特征速度为 U 、特征时间为 1（ 表示脉
心脏的工作情况
心脏有节律的收缩与舒张运动
心脏的动力
心脏瓣膜的单向导流作用
泵作用
工作情况：
心脏处于全舒张 状态，血液从静
脉流入心房
房室瓣开启，血液 从心房直入心室， 心房收缩使血液 进一步流入心室
心室收缩，房室瓣关闭； 心室继续收缩，主动脉 瓣与肺动脉瓣开启，血液 向主动脉与肺动脉喷射
心室继续舒张， 房室瓣再次开启
➢ 微动脉、毛细血管和静脉中： 在微动脉、毛细血管和静脉中，血液的压力脉动已很不明显，作为近似，往往认为在微动
脉、毛细血管和静脉中，血液的流动是定常的。
心血管系统血液流动的一般描述
由于血液在生理条件下是不可压缩的，若近似地认为血液 是牛顿流体，描述血液流动的Navier-Stokes方程为：
V
血液循环的管路系统
血管 动脉 静脉
毛细血管
几何锥削 高度枝化 弹性锥削
内径较相应动脉的大 总体积较动脉系统大 管壁比动脉管壁硬
分布最广、管壁最薄、管径最小
循环系统的工作介质
血液—作用：运送氧气和营养物质 运送二氧化碳和代谢废物
血液由 有形成分 和 血浆 组成。
红血球 白血球 血小板 40-45% 1/600 1/800
• 层流与湍流
3 心血管系统血液流动的一般描述
一、脉动流与频率参数
➢ 主动脉和其他大动脉中： 收缩期：主动脉和其他大动脉中的血液压力上升，由于血管是弹性的，必然导致血管壁 的向外扩张； 舒张期：主动脉和其他大动脉中的血液压力下降，血管壁将重新回弹。
上述过程每个心动周期重复一次。因此，对于血管壁的每一微元，都可以看成是在作周期 等于心动周期的周期振荡。这就是说，由于心脏有节奏地间歇射血，使主动脉与其他 大动脉中血液流动参数---压力、速度、血管半径等都是一些随时间变化的量，即：在 主动脉和其它大动脉中，血液流动是不定常的脉动流。
血浆中有90%以 上的水，呈弱碱性
绪论
1 历史的简单回顾 2 血液循环的生理背景 3 心血管系统血液流动的一般描述 4 心血管流体力学的发展概况
3 心血管系统血液流动的一般描述
在下面各章对心血管系统血液流动规律 作较系统的讨论之前，我们先对血液流 动中的有关问题作些一般性的描述：
• 脉动流与频率参数
心血管系统血液流动的一般描述
频率参数 是一个表征血液在血管中流动时，局部惯性
力与粘性力比值大小的量。
较大：局部惯性力占支配地位，脉动流
主动脉与其他大动脉中（直径大）
较小：忽略局部惯性力，定常的层流
微动脉与毛细血管中（直径小）
心血管系统血液流动的一般描述
二、层流和湍流
判断管段中血液流动是层流还是湍流的无量纲参数是
动流的圆频率）、特征长度为 D/2（ D 为血管直径）
• 通常称这个无量纲数为Stokes数，式中 v 表示血液的
运动粘性系数。
心血管系统血液流动的一般描述
➢ 在血液动力学中，习惯上取Stokes数St的算术平
方根，即得：
St
D 2
v
这称为Womersley数，它是一个无量纲的频率参数。
➢ 从上式知，对于同一个个体来说，若心动周期 T 与血液运动粘性系数 v 保持不变，那么 数与血 管的直径 D 成正比。
心室收缩终止开始 舒张，主动脉瓣与
肺动脉瓣关闭
心脏的一些基本概念
➢ 心搏—心脏有节律的收缩与舒张运动 ➢ 心搏的标志—心室的舒-缩活动 ➢ 心脏的收缩期—心室的收缩期 ➢ 心脏的舒张期—心室的舒张期 ➢ 心动周期—心脏收缩-舒张一次所需要的时间正
常成年人为0.8秒（收缩期约0.3秒，舒张期约 0.5秒）
心血管流体力学
第一章 绪论
心血管流体力学
研究对象--心血管系统中血液的流动 它将力学的理论和方法与生理学、医学的原理和方 法有机地结合起来，力图用力学的理论和方法来解 释和分析心血管系统中血液流动所呈现的生理现象， 阐明血液流动的基本规律及某些心血管系统疾病对 血液流动的可能影响，以便为心血管疾病的诊断与 防治提供帮助。