仿真建模教学ppt课件

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1、生理系统建模与仿真（physiologysystemmodelingandsimulation）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，并从工程角度解决防病治病问题，是生物医学工程的主要任务。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具。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主要

2、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。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。

3、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——生理学研究的第三种方法模型大体可分为物理模型和数学模型两类。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。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

4、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。模型的建立往往蕴含着三层意思：（1）理想化；（2）抽象化；（3）简单化。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，

5、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为动静脉的简单联接通路。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(computersimulation)。计算机仿真，需要将数学公式转化为计算机算

6、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仿真结果图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

7、，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基于激光扫描图像的三维仿真虚拟人虚拟人，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，在于将人体结构数字化与可视化，建立