生理系统建模与仿真在航天医学中的应用

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1、生理系统建模与仿真在航天医学中的应用生命科学是人类最重要同时乂是最神秘的科学2—，以至于直至科技高度发达的今日，有关生命的未知数仍然远远多于已知数。有关生命现象的研究，人们已经认识到生物科学除了沿着组织一细胞一分子这一愈来愈细化的分析道路外，还有从总体以及相互的观点來研究生物功能的综合研究道路。人类对其自身的研究，由于受到伦理道徳和实验手段的限制，在许多方面还难于获得足够的数据，故仍然知之甚少。为揭开生命之迷，建立模型（model）并进行系统的仿真（simulation）的方法以其经济、快速、灵活等优势在生命科学的研究屮有着不可替代的地位,成为通用的研

2、究方法之一。循环系统仿真就是采用建模与仿真的方法研究生命系统的一个较为成功的范例。生理学是以生物机体的功能为研究对象，是一门实验性科学，其研究方法传统上主要有两类：（1）动物实验。（2）人体实验。对于人体生理学的研究而言，若釆用动物实验的研究方法，则实验动物又称为动物模型。一般而言，动物实验有三个方面的局限性。第一，动物模型往往与人体相差较大，如何将其所得结论推广至人体是个难题；第二，由于实验动物存在个体差异，为了获得具有统计规律的数据，需要大量实验，因而往往要耗费大量人力物力;第三，有些实验条件尚不具备，如一些极端条件等，或时间周期太长而无法进行实验

3、。若用人体为实验对彖，虽然可以除去上述第一限制，但其余两条仍然存在，同时由于受到伦理道德的限制，许多实验不能直接在人体上进行。生理系统的建模（modeling）与仿真弥补了上述传统实验方法的不足之处，成为第三种人体生理学的研究方法。所谓生理系统的建模与仿真，即为了研究、分析生理系统而构造一个与真实系统具有某种相似的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行试验的过程就称为系统仿真。生理系统的建模仿真对理解复杂的生理机制有着重要的作用。一般的，生理系统的建模与仿真有两种方法：（1）物理仿真或物理模拟。（2）数学仿真。物理仿真即按照真

4、实系统的性质而构造的实体模型，并运行这一系统而进行实验。在计算机尚未普及的时代，系统仿真主要是指物理仿真。物理仿真一般采用电路一机械模拟器代表生理系统的不同参数。数学仿真即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。随着电子计算机的普及应用，许多复杂的数学问题都可通过计算机来解决。因此，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或模拟（computersimulation）o目前，系统仿真的方法已经普遍为许多领域所采用，并表现出其他实验手段所无法比拟的优越性，主要反映在以下儿个方面：（1）可实现时空的伸缩。因为仿真的尺度和

5、时间不一定等同于实际的时空尺度。因此，系统仿真常用来进行预测。（2）可实现极端或异常条件下的实验。在现有的技术水平上，有些极端条件下的真实实验无法实施。例如，一些实验对人体有害，不能进行真实的人体实验；而运用模型进行仿真实验则不受这些极端条件的限制，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的运行奠定基础。例如，在对生理系统的研究屮，可通过进行大量的仿真实验找出系统的变化规律性，然后再进行少量的活体实验进行验证，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。（4）仿真实验可以灵活地进行多种实验条件的

6、不同组合。一些生理现象有多个影响因素，常常很难通过人体或动物实验估计这些因素中每个因素刈•某一生理现象的贡献大小或作用意义。如果用仿真实验，则可以方便地进行不同的仿真实验，探讨这些影响因素中，哪些是主要的，哪些是次要的，以及这些因素之间是否具有相互的协同或者拮抗作用。由于仿真实验方法具有上述的优势，同时也由于生理系统自身的错综复杂机制以及无扰动在体实验的缺乏，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，发挥着重要的作用。血液循环系统是一个重要的生理系统,也是较早且较为成功地运用了建模与仿真

7、的方法进行研究的生理系统z—。对于血液循环的仿真研究，不仅开拓了人们对循环系统的生理病理机理的认识，还应用于对于循环系统辅助装置的优化控制方面，也取得了十分显著的成绩。循环系统完成体内的物质运输。由于循环系统在生理学上的重要地位以及其独特的与力学的广泛联系，它是生理系统中较早、也是较好地将生理学和物理学结合起来的系统之一。血液循环系统仿真主要应用于三个方面的研究中：（1）用于研究循环系统的生理机制；（2）用于研究循环系统的病理机制及其治疗手段；（3）用于研究在超常环境下血液循环的变化及防护办法。建立了一个数学模型，就建造了一个实验平台，当改变模型设置或

8、参数时，则构成了具有某些特异性的模型。对于生理系统而言，当其参量偏离正常生理范围吋，则对应着某