生理系统建模与仿真

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1、生理系统建模与仿真主要内容6.1生理系统仿真的意义与作用6.2建立生理系统模型的基本方法6.3生理系统仿真的基本方法6.4生理系统模型的实例6.1生理系统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。一般而言，动物实验方法存在三个方面的局限性：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，在某些方面，其可信度和价值也值得怀疑；2）由于实验动物存

2、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，往往要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。临床实验虽然不存在上述的第一个局限性，但其余两条仍然存在，而且，由于受伦理道德的限制，许多实验不能直接在人体上进行。生理学研究的第三种方法：生理系统的建模与仿真的方法弥补了上述传统实验方法的不足之处，称为生理学研究的第三种研究方法。生理系统的建模与仿真方法，即是为了研究、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

3、系列实验，这种在模型上进行实验的过程就称为系统仿真。模型大体可分为数学模型和物理模型两类。物理模型是指实体的模型；简单的物理模型如生理课上使用的—些物理教具：眼睛的模型、脑的模型等，复杂—些的如用于研究心脏功能的心室瓣膜模型和用胶皮管做成的血管模型。物理模型的特点主要是形象而且更接近于实际情况。其缺点是灵活性较差，且受到材料、加工等条件的限制、逐步被数学模型所取代。数学模型就是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；物质的交换可以用连续性方程来描述，等等。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，不仅使许多繁杂的计算成为可能，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。根据所建立模型的不同，系统仿真相应的分成两大类，即物理仿真和数学仿真。数学仿真由于往往都是借助于计算机实现的，因此又称为计算机仿真。心脏模型的计算机仿真膝关节模型的计算机仿真系统仿真方法已经普遍为许多领域所采用，并已显现出许多其他实验手段所无法

5、比拟的优越性，主要反映在以下几个方面：（1）可实现时空的伸缩：因为仿真尺度和时间不一定等同于实际的时空尺度，故可实现时空的伸缩。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）可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，而运用模型来进行的仿真实验则不受这些实际条件的限制，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运行奠定

6、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。正是由于仿真实验方法的上述优势，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手段的缺乏，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。6.2建立生理系统模型的基本方法要进行系统仿真，首先要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

7、统就称为该原型系统的模型。对于生理系统，原型一般为真实的活体系统，而模型则为与这些活体系统在某些方面相似的系统。广义而言，生理系统的模型不仅仅包括人造的物理或数学的模型，也应包括动物模型。但我们在这里所讨论的模型概念仅限于狭义的人造模型。随着电子技术的发展，建立模型的方法已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。然而，尽管模型的概念是建立在与其原型具有某种相似性的基础之上的，但是，相似并不是等同。尤其是对生理系统的模型而言，到目前

8、为止，还无法构造一个与其原型完全一样的模型。当然，那也不是建立模型的目标。一个模型的建立往往蕴含着下列三层意思：（1）理想化；（2）抽象化；（3）简单化。这三点精辟地指出了建模与仿真方法的特色。从某种意义上说，在建立模型时并不苛求与其