复杂非线性系统中的混沌第六章ppt课件.ppt

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1、第六章心脏系统中的混沌6.1　生物医学工程领域中混沌的研究现状、意义及展望6.2心电信号的数据采集实验6.3　心电信号的分析与计算6.1.1　心脏系统中混沌的研究在20世纪80年代，混沌带来了一种新的生理学。以混沌理论为工具，美国和加拿大的几个研究小组发现了动力学心脏。但混沌和分形理论应用到生物医学领域，仍不象起应用在其它领域（如湍流和机械系统）那样广泛和充分彻底。6.1.1.1Glass等人的工作Vanderpol和Vandermark在早期的一篇文章中就提出可用耦合的非线性震荡器来模拟心律。改变震荡器的相对频率，有可能复制出多种不同的心律异常。基于这种思想，Glass和他的McGill大

2、学的同事做了鸡胚心肌细胞团离体实验。实验结果心肌细胞团离体实验历程中具有复杂的动力学性态6.1.1.1Glass等人的工作尽管Glass等人的实验证实了混沌可以在一个生理系统中人为地产生，但他认为，对于正常心脏中的混沌远没得到证明。为此Glass研究了两类延迟方程。单变量延迟微分方程式(6.3)x是被控变量，是时刻x的值x的非线性函数，式(6.3)亦可写为6.1.1.1Glass等人的工作具有多项延迟的微分方程如图6.2给出具有各自时间延迟的多个反馈回路同时起作用来控制变量P。假定xi是i时刻的被控变量的非线性函数。6.1.1.2Goldberger等人的工作虽然混沌可以在生理系统中

3、人为地产生，但混沌能自然地出现吗？为此，以Goldberger为首的科学家对此进行了深入研究Goldberger对正常心脏和有病心脏作了深入研究后得出：心脏窦性心律在正常情况下可能是混沌的，在病理状态下则变得有序1988年，Goldberger和Rigney曾对严重心脏病患者的非躺卧心电图作过一次追溯性研究。6.1.1.2Goldberger等人的工作QRS复合波的功率谱，图解Goldberger维6.1.1.3作者的研究工作及发展方向作者创造性地设计并曾实施了用于心脏系统非线性研究的犬的PHCA实验，并应用混沌理论对实验过程中几个温度台阶上采集的大量心电信号进行了深入细致的研究，支持了Go

4、ldberger的观点。在此之后我们又采集了人的心电信号，基于人犬心电动态生理信息混沌特征的对比，得出如下的结论：随着物种的进化，心脏系统自然生理节律的混沌性可能愈加显著，混沌可能成为生物进化的某种标志。6.1.2神经系统中的混沌神经系统中的混沌，对于研究神经细胞膜的离子通道特性、神经兴奋模式、神经系统信息编码方式、神经细胞相互连接和相互作用等基本生理特征，对于诊断某些神经系统功能失调、缺损等疾病，都是非常重要的。最近国外几个实验室获得的证据已经表明，混沌是神经系统的其它组成部分的正常特征。其他一些研究人员还模拟了神经细胞之间的相互作用以弄清混沌是如何产生的。6.1.3混沌在生物医学工程其他

5、领域中的应用混沌和分形理论可以用于模拟或仿真许多生物医学工程领域中的自相似结构利用混沌理论还可对生物医学工程中一些复杂的现象进行短期预测科学家的研究还表明，生物反馈系统、细胞代谢、人的眼球、雪小板生成系统及免疫系统中都存在混沌现象。当人衰老时，这些系统、器官的混沌程度降低，呈简单的规则变化。6.1.4混沌理论在生物医学工程研究中的作用与意义混沌与生物医学工程的联系是必然的。混沌是研究复杂的不规则动力系统的理论，而生物系统这一高度非线性系统，显然是再合适不过的研究对象了将非线性理论引入生物学去探索生物进化的规律，又有助于清除人们思想中长期占统治地位的旧思维模式的影响，使人们清晰地认识到世界的非

6、线性本质，为生物学家探索生物进化的规律提供了一种先进而又具有现实意义的方法6.2.1.1温度传感器器系统的构成在PHCA实验中，犬的体温是反映心脏系统运动的一个重要生理参量，为了准确掌握及控制犬鼻咽温度的变化，作者研制了温度传感器。温度传感器系统由热电偶温度计、8520A数字万用表、IEEE-488标准接口和APPLE-II机组成。其结构如图6.2.1.1温度传感器器系统的构成6.2.1.2热电偶温度计的制备热电偶工作原理图根据铜-康铜热电偶的分度表，知该热电偶温度计可精确测得0.025C，由铜-康铜热电偶的校准曲线图6.6，知其可估测到0.01C。6.2.1.3数据采集系统的建立自动测

7、试系统信号采集的BASIC主程序流程图恢复输出、输入设备的汇编子程序流程图6.2.1.4小结（i）该温度传感器制作简单，应用面广，适合于一切实验室实时连续测温；与控制设备相结合，亦可起到控温的作用。（ii）该温度传感器采用廉价金属热电偶，且能抵抗湿气的侵蚀，又可用在真空、氧化、还原及中性气氛中，在低温测量中具有很高的准确度和稳定性。（iii）通过对四个温度台阶上的温度信号和心电信号的相关分析，为观察心脏系统在