生物系统仿真与建模-1
生物医学系统的建模和计算机仿真
生物医学系统的建模和计算机仿真生物医学是研究生物体内生理和病理变化的科学，是现代医学的重要分支之一。
生物医学系统建模及计算机仿真是实现生物医学研究和应用的重要手段，它利用计算机技术对生物医学系统进行建模和仿真，能够加深我们对生物医学体系的理解，提高疾病预防、诊断和治疗的水平。
一、生物医学系统建模生物医学系统建模是对生物体系的物理、化学、生物学等方面进行描述和抽象的一种方法，是生物医学仿真的前提和基础。
建模的方法主要有基于微观和宏观物理、化学、生物学原理的数学模型、基于神经网络的模型、基于机器学习的模型等。
基于微观和宏观物理、化学、生物学原理的数学模型是常用的一种建模方法。
例如，在心脏细胞内部的离子通道、钙离子处理、跨膜动力学等功能，可以通过建立描述这些功能的数学模型，来深入理解机制。
这种方法需要深入了解生物医学系统的微观结构和宏观功能，使用复杂的物理、化学方程式、微分方程组等数学方法进行建模。
该方法第一个应用于生物体系的数学模型是Hodgkin-Huxley模型，被广泛应用于生物医学研究和仿真。
基于神经网络的模型是另一种常用的建模方法。
神经网络是指由大量神经元组成的复杂网络，在生物医学中用于研究神经元的计算模型，只要输入神经元的输入和输出，或者给出一组输入和输出的训练数据集，神经网络可以自动学习输入和输出之间的关系。
神经网络在模拟神经元的行为，进行突触的计算、快速剖析复杂的神经电信号等方面发挥着重要的作用。
基于机器学习的模型是一种最近新兴的建模方法，它使用参数化的计算方法，通过将生物医学系统中的数据作为输入，训练和学习数据之间的关系，最终重建模型。
这种方法已经应用于诊断、治疗和预测癌症等领域。
二、生物医学系统计算机仿真计算机仿真是指利用计算机模拟生物医学系统的行为，以了解和预测系统的性能和行为。
计算机仿真可以是基于多学科知识和复杂系统的综合模型，也可以是实验数据集的现实模型。
本文重点讨论了在生物医学仿真中经常使用的两种方法：计算流体动力学仿真和有限元仿真。
生理系统建模与仿真1
10
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
12
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
67
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
plant simulation系统仿真与建模手册
plant simulation系统仿真与建模手册摘要：I.引言- 介绍plant simulation 系统仿真与建模手册的主题和目的II.plant simulation 系统仿真与建模的基本概念- 解释plant simulation 系统仿真与建模的基本概念- 说明plant simulation 系统仿真与建模的重要性III.plant simulation 系统仿真的步骤- 详述进行plant simulation 系统仿真的步骤- 强调每个步骤的重要性和注意事项IV.plant simulation 系统建模的方法- 介绍plant simulation 系统建模的方法- 说明每种方法的优缺点以及适用场景V.plant simulation 系统仿真的应用- 探讨plant simulation 系统仿真的各种应用- 分析plant simulation 系统仿真在各个领域的优势和效果VI.plant simulation 系统仿真的未来发展- 预测plant simulation 系统仿真的未来发展趋势- 提出未来可能的研究方向和应用场景VII.结论- 总结plant simulation 系统仿真与建模手册的主要内容- 强调plant simulation 系统仿真与建模在工程领域的重要性正文：I.引言plant simulation 系统仿真与建模手册旨在介绍plant simulation 系统仿真与建模的基本概念、步骤、方法和应用。
通过本手册，读者可以了解plant simulation 系统仿真与建模的重要性和实用性，掌握plant simulation 系统仿真的技能，提高工程领域的效率和质量。
II.plant simulation 系统仿真与建模的基本概念plant simulation 系统仿真与建模是指利用计算机技术模拟、分析和优化plant simulation 系统的过程。
生物医学工程中的仿真和建模技术
生物医学工程中的仿真和建模技术生物医学工程是一门涵盖生物学、医学、工程学等多学科交叉的领域，其目的是应用工程学的原理和方法研究和解决生物医学领域的问题，从而改善人们的生命质量。
仿真和建模技术是生物医学工程领域中非常重要的组成部分，可以帮助研究人员更好地理解人体和疾病等相关问题，同时也能够指导医疗设备的开发和医疗诊断的设计。
一、仿真技术在生物医学工程中的应用仿真技术是利用计算机技术对某一系统进行计算机模拟，以达到实现虚拟系统和真实系统之间的交互。
在生物医学工程领域，仿真技术可以用来构建生理系统模型，以及设计和测试各种医疗设备。
1、生理系统模型的建立生理系统是内部复杂的机理可控系统，如何研究这些系统是医学研究者的长期追求。
而生物仿真技术的优势在于能够真正模拟系统内部的生物过程，为生理系统的研究提供了有力的支持。
基于仿真技术，生理模型可以被根据实验室的数据进行简化或调整，以模拟人体机体的生理状态，从而预测和检测一系列生理问题。
生理系统的仿真有助于医师进行临床分析和实践，为生理学的深入研究和医学治疗提供了技术基础和理论支持。
2、医疗设备的设计和测试医疗设备的研发需要涉及各种生理系统的不同方面，如心血管、神经和呼吸等系统，因此需要有计算机模型对这些系统进行仿真。
同时，仿真技术也可以用来设计和测试新型医疗设备，比如心脏起搏器、人工血管等。
和传统的实验方法相比，利用仿真技术设计和测试医疗设备更加安全和准确，能够大大减少实验环境的成本和时间。
此外，仿真技术能够模拟各种可能的情况，这使得研究人员可以获取更全面的结果，帮助改进和完善医疗设备。
二、建模技术在生物医学工程中的应用建模技术是将某一系统的信息整合并转换成计算机可以处理的形式，从而方便分析和验证。
在生物医学领域中，建模技术可以帮助研究人员了解和模拟各种生物系统和疾病的机理，从而指导医疗设备领域的发展。
1、细胞和分子模型医学科学可以很成功地应用建模技术以研究合成各种药物的酶的三维结构、细胞内的信号转导及代谢过程、以及分子间之间的相互作用等生物学问题。
生物系统的建模与仿真技术
生物系统的建模与仿真技术随着现代科技不断发展，人类对于生物系统的研究也越来越深入和广泛。
生物系统复杂多样，传统的实验手段可能面临成本高、时间长、难以控制等问题。
因此，生物系统的建模与仿真技术成为了研究生物系统的重要手段。
一、生物系统建模的意义一个生物系统的行为受到许多因素的影响，如基因、环境等，它们之间的关系又十分复杂。
直接用实验手段研究生物系统的行为，不仅难度大，而且需要大量的时间和经费投入。
因此，为了更深入地了解生物系统的行为，需要通过建模来模拟生物系统的运行规律和机制。
生物系统建模技术将生物系统及其各组成部分抽象为数学公式和模型，通过计算机程序来实现仿真模拟。
而通过建立合理的生物系统模型，可以更加深入地研究生物系统的行为、机制以及预测其可能的变化趋势。
相比实验手段，生物系统建模技术具有成本低、时间短、数据精确、实验概率高等优点。
二、生物系统建模方法建立生物系统模型的方法多种多样，常见的方法包括生物形态学建模、生理学建模、基因表达建模等。
（一）生物形态学建模生物形态学建模是将生物系统各组成部分的结构与形态抽象为数学模型，如细胞、器官等，主要依赖于细胞学、组织学的基础知识。
通过对细胞、组织、器官的形态学特征进行建模，从而研究生物系统的物理特性和生理功能。
（二）生理学建模生理学建模是将生物系统的生理特征进行建模，侧重于模拟生物系统的生理反应和代谢过程。
生理学建模可以通过建立代谢网络、神经网络等不同形式的模型，来揭示代谢通路、物质转运等生理学特征，进一步研究生物系统的调控机制。
（三）基因表达建模基因表达建模主要是利用分子生物学的知识，通过建立基因网络来研究基因表达调控网络。
基因表达建模侧重于揭示基因调控网络的关系，包括基因表达的调节机制等。
三、生物系统仿真技术生物系统仿真技术是指利用计算机程序和生物系统模型，通过仿真模拟来分析生物系统的行为。
生物系统仿真技术主要包括连续型仿真和离散型仿真。
（一）连续型仿真连续型仿真是指仿真模型是以时间为连续变量来进行仿真的，其采用连续微分方程对生物系统进行建模和仿真。
[生物学]生物系统建模与仿真题目综合-精品文档
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根据质量守恒定律，血液中药物变化量等于该时刻药物进入血液速率与从血液排泄出去的速率之差，得：由于静脉推注时输入f10=D δ(t) 得：求解此微分方程，得：那么，药物血药浓度为：三、计算题6.在标准状况下，常人进行一次有效呼吸约吸入500ml 空气，其中氧含量约为21%，二氧化碳含量为0.03%，经过一次气体交换呼出气体中氧含量变为15%，二氧化碳量占20%。
试求：呼出气体容量E V 、耗氧量2Q V 及二氧化碳产生量2CO V 解：呼出气体容量 E V =+-2O I V V 2CO V 其中耗氧量 2Q V =IICO E ECO V F V F ..22-（其中F.为气体含量百分比）其中吸入气体中二氧化碳量很少，在计算中可忽略不计，所以可得二氧化碳产生量为 2CO V =E ECO V V .2由已知数据代入以上三式得：⎪⎩⎪⎨⎧=-⨯=+-=E CO E O CO O E V V V V V V V 2.015.050021.05002222101011)()(f t x k dtt dx +-=⎪⎩⎪⎨⎧=-=+Dx t x k dt t dx )0()()(11011tk Det x 01)(1-=t k eVDt C 011)(-=可解得： ⎪⎩⎪⎨⎧===m l V m l v m l V co o E 5.12195.1360722（2）（心电正问题）是研究心脏电兴奋在不同的心脏状态下是如何传播及形成体表电位的；（心电逆问题）是指从体表电位分布推断心脏内的电活动进程即求取心电源的分布。
计算题主动脉模型中，有3个胸主动脉段内含有气囊，故在这三段的建模中，其容积下限设定为该段内气囊的瞬时体积。
由于气囊的介入，在这三个胸主动脉段内产生血流等效粘滞阻力和惯性项。
那么血流等效粘滞阻力和惯性项的计算公式是什么？ L n =L 0/(+)R n =R 0/[1.333r b +0.667式中和分别为第n 段主动脉和其内气囊的半径。
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。
生物网格系统建模和仿真的方法
生物网格系统建模和仿真的方法生物网格系统是指由许多个体组成的集合体系，这些个体之间通过某种方式相互作用，形成了一种具有特定结构和功能的单位。
例如，细胞、神经网络、生态系统等都可以看作是一种生物网格系统。
为了更好地研究和理解这些复杂的生物系统，生物学家和计算机科学家开展了大量的工作，其中建模和仿真是非常重要的方法。
本文将介绍生物网格系统的建模和仿真方法。
一、建模方法生物网格系统的建模方法有很多种，下面列举了几种常用的方法。
1. 基于微分方程的建模方法微分方程是描述物理和生物现象的主要工具之一。
因此，使用微分方程描述生物网格系统的动态行为是一种常用的建模方法。
例如，生态系统中的种群动态可以用 Lotka-Volterra 模型来描述；细胞内的化学反应可以用化学动力学模型来描述。
这种方法适用于描述连续的系统，并且可以用数学语言明确地表达系统的行为。
2. 基于图论的建模方法图论是研究图形结构和它们的性质的数学分支。
在生物网格系统中，图论可以用于描述个体之间的拓扑关系。
例如，神经网络可以用图论中的图来描述，图中的节点表示神经元，边表示神经元之间的突触连接。
这种方法适用于描述个体之间的离散关系。
3. 基于代数方程的建模方法代数方程是描述数值关系的数学工具。
在生物网格系统中，代数方程可以用于描述个体之间的数量关系。
例如，细胞内的代谢网络可以用一组代数方程来描述，方程中的变量表示不同分子的浓度。
这种方法适用于描述数量关系。
二、仿真方法仿真是指在计算机上对一个系统进行模拟，以便观察其行为和性质。
生物网格系统的仿真方法有很多种，下面列举了几种常用的方法。
1. 基于有限元法的仿真方法有限元法是一种数值计算方法，可以用于求解连续介质的特定物理问题。
在生物网格系统中，有限元法可以用于模拟组织或细胞内部的力学和运动行为。
例如，有限元法可以用于模拟生物组织中的细胞迁移过程。
2. 基于晶格Boltzmann方法的仿真方法晶格Boltzmann方法是一种计算流体力学的方法，可以用于模拟流体的流动行为。
《系统建模与仿真》概论
History for CVDS:
Development of mechanics for
CVDS
Self regulating governor for steam
engines
<1940
W W II Servom echanism >1940
M odern control theory and practice
确定了系统内部发生变化的过程
概论（1）--系统、模型、仿真（2） (系统的分类)
(1)工程领域: 机械,航空,航天,电力,冶金,化工和电子等. 非工程领域: 交通管理,生产调度,库存控制,生态环境
和社会经济等. (2) CVDS (Continuous Variable Dynamic Systems)
e2 e3 e4
e5
e6
tim e
Comparison with a CVDS Trajectory
D iscrete state
dx/dt = f(x,u,t)
tim e Hybrid System: each state can hide CVDS behavior
Historical Perspective on the Control and Optimization of DEDS and CVDS
概论（1）-- 系统、模型、仿真
不同系统之间的相似性
Ft
M
K
B
R
E t
C
L
M d d 2 2 x t B d d K x t F x t
L d d 2 q 2 t R d d C q t E q t
概 论 （ 1） -- 系 统 、 模 型 、 仿 真
多尺度生物系统的建模与仿真
多尺度生物系统的建模与仿真随着科技的不断发展，生物领域的研究工作也越来越深入。
生物学家们通过对生物体的研究，逐渐发现了生物体内部多尺度结构的特性。
这对于研究生物体的运动、生长和进化等方面具有重要意义。
为此，建立起多尺度生物系统的建模与仿真系统，成为了目前生物学研究的重要方向之一。
一、什么是多尺度生物系统？生物体内内部结构相当复杂，从宏观的整个生物体，到微观的细胞、分子，都存在不同的尺度。
因此，多尺度生物系统可以定义为：模拟生物体内部多个尺度的结构和运动，包括从分子、细胞到组织器官等不同层次的多个尺度结构元素。
二、多尺度生物系统的建模与仿真意义1.研究生物体的运动规律多尺度生物系统的建模与仿真可以让我们更加深入地了解生物体的运动规律。
例如对于鸟类在飞行中的特性，可以通过建立多尺度的生物系统，来了解到飞行姿态、翅膀的形态和运动、肌肉的力度、肺的呼吸方式等诸多因素在鸟类飞行过程中的作用。
2.研究生物体的生长与发育多尺度生物系统的建模仿真可以帮助理解生物的生长和发育。
不同层次的结构元素在生物体内部协同作用，才能完成生物体的生长和发育。
例如，通过建立模型可以了解到生长激素等激素的分泌方式、基因的表达、组织的重建等多种因素，对于生物体的发育过程起到怎样的作用。
3.研究肿瘤生长和血管新生等疾病多尺度生物系统的建模仿真，对于研究肿瘤生长、血管新生等复杂疾病具有重要意义。
通过建立多尺度的肿瘤生长模型，可以了解到肿瘤内部血液循环、化学介质的分布、细胞增殖的轨迹等影响肿瘤生长和扩散的重要信息。
三、建立多尺度生物系统的建模仿真方法多尺度生物系统的建立需要采取多种生物技术的手段，包括生物成像、生物信息学、分子动力学模拟、计算流体力学等多种技术手段。
具体实现方法包括但不限于以下几个方面：1.生物成像技术生物成像技术可以通过放射性同位素显像技术、CT技术、PET 技术等对生物体内部结构进行成像分析，为多尺度生物系统的建立提供基础数据。
《生物建模仿真》学习指南
《生物建模仿真》学习指南一、学习目的《生物建模仿真》是生物医学工程本科的专业基础课程，也是现代生物科学、医学、医学等相关专业教育教学的重要内容之一。
建模与仿真是分析、研究和设计各类系统，特别是诸如生命系统这类复杂系统的重要知识结构。
本课程的学习目的：1. 学习系统建模与计算机仿真的基本理论和方法。
2. 通过学习生物建模仿真的典型实例，学习和培养解决生物建模仿真实际问题的创新能力和实践能力。
二、课程理论部分学习指南课程理论学习分两个部分：第一部分包括第1章到第6章，内容是数学模型建模的基本理论和方法，计算机仿真的基本理论和方法，以及建模与仿真的校核、验证和确认（VV A）技术。
第二部分从第7章到第10章，通过学习生物系统建模仿真的4个典型范例，以点带面，培养应用建模仿真的基本理论与方法，解决生物系统实际问题的能力。
以下是理论课每个知识结构的主要内容、知识点、重点难点和学习质量的自我监测指标。
第1章生物建模仿真概论1. 学习目的了解建模仿真基本概念及生物建模仿真的研究与应用进展动态。
2. 学习内容(1)系统模型的定义、分类。
(2)系统仿真的基本概念、基本步骤、分类和计算机仿真。
(3)生物建模与仿真的研究与应用进展动态。
3. 知识点系统模型，计算机仿真4. 重点与难点系统建模的基本原理：模型与系统的相似性，根据建模要求定义相似性。
第2章系统的数学模型和建模方法2.1 数学模型的分类1. 学习目的学习数学模型的状态集合分类和时间集合分类。
2. 学习内容(1)数学模型的状态集合分类和时间集合分类。
(2)连续状态模型：连续时间模型，离散时间模型。
3. 知识点连续状态模型与离散事件模型，连续时间与离散时间模型4. 重点与难点连续状态模型中的连续时间模型，及其对应的时间离散计算机仿真模型。
5. 学习质量的自我监测标准：本章节自测与评估。
2.2 连续状态系统模型1. 学习目的学习连续状态系统中连续时间数学模型基本概念及其4类模型的数学表达式，了解对应的离散时间模型基本概念。
生物系统的建模和仿真研究
生物系统的建模和仿真研究作为生物医学研究领域的核心之一，生物系统的建模和仿真研究在科学界已经展现出极高的研究价值。
这种研究方法的本质是通过将不同的生物系统的模型进行建立和仿真，在多种模型和仿真实验分析的基础上，来研究和探索生物系统的基本规律性，并在一定程度上发掘出重要的治疗途径和预防措施。
本文将从生物系统建模和仿真的概念，生物领域的应用面和生物系统建模和仿真研究领域的发展趋势等方面进行说明和分析。
一、生物系统建模和仿真的概念生物系统建模和仿真是指将生物系统的物理、生理学、生态学等基本参数和变量进行结构化的、数学化的表述，并通过计算模拟的方法仿真研究生物系统的行为、交互作用和扰动响应等现象的过程。
生物系统可以是单个细胞、组织器官、多个器官组成的整个人体、群体动物生物、生态系统、地球的物质循环等任何生物系统。
建立和分析这些模型能够探索生物世界的基本特征和规律性，从而发展出一种生物科学的模型测量方法，使我们更好地理解生物系统的组成和性质，并提供了基础数据来设计更有效的治疗方案和疾病预防措施，以及生态保护工作和环境管理。
二、生物系统建模和仿真的应用面生物系统建模和仿真的应用领域包括生物医学、生态和环境科学、生物信息学等，在许多方面发挥着巨大的作用。
在生物医学方面，建模和仿真技术已经被广泛用于药物研究、自动化医学诊断、分子仿真、药物代谢等领域。
生态和环境科学领域，生物系统建模和仿真被广泛应用于环境创新、模拟气候变化、永续发展等各个方面。
在生物信息学方面，生物系统模型和仿真技术在基因组学、蛋白质结构预测、和代谢途径模拟等方面得到了广泛应用。
三、生物系统建模和仿真研究领域的发展趋势随着现代生物技术和计算机技术的发展，生物系统建模和仿真的相关技术不断创新，研究领域和应用范围在不断扩大。
未来，生物系统建模和仿真的研究趋势及其未来的发展前景将包括以下几个方面：1、生物系统建模和仿真的数学化技术会更加复杂和精细，致力于描述生物系统的各种物理、化学、生物学的参数和变量，维度和细节更为丰富，更接近实际的情况。
建模与仿真习题集
1. 以下关于神经元功能的表述中错误的是（A）A.时变特性B.输出与输入之间有固定的时滞，取决于突触延搁C.神经元有一定的阈值，并表现适应性D.时间和空间加和2.根据心肌缺血的严重程度和梗塞心肌的电气特性，可以将梗塞心肌分为三种类型，以下哪一个错误（B）A.坏死型心肌B.病理型心肌C.损伤型心肌D.缺血型心肌3.皮肤的散热可分为生理散热和物理散热，生理散热可分为血管运动和汗腺活动。
4.体温控制规律（即控制系统定律）的表达式为R—R0=—k(Ty—Ts).5.已知呼出气体的容量Ve等于吸入气体的容量V1减去耗氧量Vo2加上二氧化碳的产生量Vco2;耗氧量等于吸入气体的氧容量减去呼出气体的氧容量（Fio2,Feo2分别表示吸入，呼出气体中的O2浓度的百分数）；CO2产出量等于呼出气体的CO2容量减去吸入气体的CO2容量（Fico2,Feco2分别为吸入，呼出气体中的CO2浓度的百分比，吸入气体中的CO2可忽略不计），求耗氧率？解： Ve=V1--Vo2+Vco2耗氧量 Vo2=Fio2 *V1--Feo2 *VeCO2产出量 Vco2=Feco2 *Ve联立以上三式，对时间求导，得把V1代入耗氧量公式，求的耗氧率1.以下不是系统概念特性的是（D）A.整体性B.抽象性C.模型性D.具体性2.人们将人体视为有三个不同层次的同心圆柱体，由里向外分别为体核，肌肉脂肪组织，皮肤，其中热容量最大的是（A）A.体核B.肌肉脂肪组织C.皮肤3.写出体温控制规律（R-R0=-k（Ty-Ts））4生理系统建模中常用的工程方法（用频域法解线性微分方程）（系统辨识）（方式分析）5.下图为电路的频域表示,其中各参数都采用了频域表示,求V0（t）解：1.（系统）是由相互制约的各个成分排列和连结成具有一定功能的整体。
2.（逆问题）是心电理论研究的最终目的。
1.归纳有关循环系统的仿真模型，不包括CA物理仿真B数字仿真C生物仿真D物理数字仿真2.确定等价系统的过程，也是建立模型的过程，正确的步骤为B①参数估计②模型结构的确定③试验设计④模型验证A ①②③④B ③②①④C ③①②④D ③④①②1如图所示，神经元i 有4个输入，分别为5，-10，6和-4，对应的权值分别为0.6、0.8、-1.5和-0.8，偏差为0.5。
生物系统的建模和仿真技术研究
生物系统的建模和仿真技术研究近年来，随着计算机技术的不断发展和应用，生物系统的建模和仿真技术也得到了很大的发展和应用。
生物系统建模和仿真技术包括数值模拟、数据分析、统计学、计算机视觉等多个领域，可以用于研究各种生物系统的结构、行为和交互。
一、生物系统建模和仿真技术的背景和意义生物系统建模和仿真技术的出现和发展，主要是对于传统实验研究的补充和扩展，在形成和发展过程中具有较大的突破性和创新性。
随着科学技术的不断发展，研究人员对许多现象和问题的深入理解和解决需要借助生物系统建模和仿真技术。
生物系统建模和仿真技术可以使用各种软件，如MATLAB、COMSOL、ANSYS，来模拟和分析生物系统的动态行为。
这些技术可以通过数字仿真、计算机控制、虚拟现实技术等手段，为科学家和工程师提供了良好的研究平台和手段，用来分析、预测和控制生物系统。
同时，生物系统建模和仿真技术也能够为医疗健康、食品安全、生态保护等领域提供更加完善的解决方案。
二、生物系统建模和仿真技术的应用1.医疗健康生物系统建模和仿真技术可以使诊断、治疗和疾病预测更加准确和高效。
例如，人体的仿真模型能够帮助医生更好地理解疾病的发生和发展，并用于制定治疗计划。
以肺部模型为例，计算机模拟可以计算患者的肺功能值和肺部病变的位置和大小，从而指导医生进行更加精准的治疗和手术。
2.食品安全生物系统建模和仿真技术可以帮助提高食品加工和生产的质量和安全性。
通过模拟食品的各种加工过程，研究人员可以精确评估加工对于食品的影响，检测食品成分的含量和质量。
此外，生物系统建模和仿真技术还可以模拟食品中的菌落成长和腐败过程，从而为食品安全提供更多的监测和预测手段。
3.生态保护生物系统建模和仿真技术还可以用于研究和保护生态系统。
例如，模拟能源产业和污染治理政策对环境的影响，建立统计模型和算法，为政府和企业提供更完善的环境保护方案。
三、生物系统建模和仿真技术的挑战尽管生物系统建模和仿真技术带来了许多新的应用与领域，但同时也存在一些挑战，如计算速度、计算复杂度、模型的精确性、实验数据的质量等。
生理系统仿真与建模-第一章
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）
血液循环的管路系统
血管
几何锥削
高度枝化
动脉
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
静脉 毛细血管
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
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
对于层流的流动，任何在振幅、频率和方向均为随机的小扰动都将因 为流体的粘性作用而消除。当Re数不断增大到超过某一个临界雷诺数 Re*时，流体的流动就不再稳定，而且至少有部分扰动将被放大，从 而导致湍流的发生。若在定义式中U取为管内的平均流速，对于完全 发展的定常流动，其临界雷诺数Re* =2300
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
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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。
生物系统的动态建模与仿真研究
生物系统的动态建模与仿真研究随着计算机技术和生物学的迅猛发展，生物系统的动态建模与仿真已经成为一个极其重要的研究领域。
生物系统是一个复杂的非线性系统，其内部存在着大量的相互作用关系，包括基因与蛋白质之间的相互作用、细胞与细胞之间的相互作用、生物体与环境之间的相互作用等等。
如何建立一个准确的生物系统模型，从而进行细胞、器官或者整个生物体的仿真模拟，一直是生物学家们关注的热点问题。
一、生物系统建模的基础生物系统建模的基础可以归结为以下几个方面：（一）随机过程的建模。
在生物系统中，基因表达、蛋白质合成、细胞分化等过程都是受到随机噪声干扰的，因此，要建立一个准确的模型，必须考虑随机过程的影响。
目前常用的随机过程包括布朗运动、泊松过程、随机游走等。
（二）运动学和动力学的建模。
对于一个生物体、器官或者细胞，其内部存在着许多相互作用的分子，这些分子之间的相互作用在很大程度上决定着生物体的结构和功能。
因此，要建立一个准确的生物系统模型，就必须考虑到分子之间的运动学和动力学特征。
目前常用的运动学和动力学模型包括布朗运动、随机行走、连续时间随机游走等。
（三）系统动力学的建模。
生物系统中存在着大量的反馈和调节机制，因此，要建立一个准确的生物系统模型，就必须考虑到系统的动态特征。
系统动力学是一种建立系统反馈和调节机制的方法，常用的系统动力学建模工具包括斯托克斯方程、扩散方程、多重尺度分析等。
（四）网络拓扑的建模。
生物系统中的分子之间存在着大量的相互作用关系，这些相互作用关系可以用网络拓扑来表示。
网络拓扑分析可以帮助我们了解生物系统的结构和功能，目前常用的网络拓扑分析工具包括节点居中度分析、网络聚类分析、小世界网络分析等。
二、生物系统仿真的方法为了构建一个准确的生物系统模型，需要结合实验数据和理论知识进行综合建模。
然后，可以通过计算机仿真来模拟生物系统的行为和动力学特性。
目前常用的生物系统仿真方法包括：（一）微分方程建模方法。
生物系统的建模和仿真
生物系统的建模和仿真生物系统是一个高度复杂的系统，由于其涉及的因素众多，研究生物系统一直是科学界的热门话题之一。
在现今科技发达的时代，模拟和仿真技术成为了研究生物系统的重要手段之一。
一、生物系统建模生物系统建模是指将生物系统中的各种因素按照一定的规律和关联方式进行描述和组织，使之成为一个有机的整体。
相较传统方法，建模将大量的实验和观察研究数据简化和抽象为数学符号和公式，更便于科研工作者进行研究和应用。
目前生物系统建模主要分为两类：定量模型和定性模型。
定量模型是利用动态方程表达生物系统的演化和转换，并量化各个因素之间的关系，以获得更加精确的数值解。
定量模型在工业和环境污染等领域有着广泛的应用，例如利用物种种群动态模型研究生态系统和生物多样性的转变趋势。
定性模型是依据生物系统的形态、结构和功能描述生物系统的行为。
定性模型适用于那些因素难以量化且有着很强的随机性的生物系统，例如可以使用墨子鸟的相互作用网络来建模调制信道网络的稳健性，从而得到整个生态系统的整体稳定性。
二、生物系统仿真仿真是指运用计算机模拟各种真实世界中的系统行为，以对真实世界系统的演化和变化进行模拟和预测。
生物系统仿真研究常常涉及到气候变化、生态环境、人类疾病等方面，以协助科研工作者在真实环境中难以复现的情景中，预测试验结果，或是探究科研问题。
生物系统仿真在基础研究，以及生物科技领域中有着广泛的应用。
一些经典案例包括仿真蛋白质分子和DNA等分子的结构与功能，从而实现对分子生物学和药物设计的精准建模和预测。
而鲨鱼电场感应模型的仿真，可以协助科学家研究其导航与繁殖问题。
三、生物系统模型与仿真的现状和展望生物系统的建模和仿真技术发展已有数十年历史，随着计算机科学和工程领域的不断进步，这一领域在近年来也有了巨大的发展。
然而，仍然存在着一些挑战，如：1. 生物系统的动态性和不确定性导致模型的复杂性，进而让分析、设计以及仿真过程面临非常高的复杂度。
生物系统的多尺度建模与仿真
生物系统的多尺度建模与仿真生物系统是由分子、细胞、组织、器官和整个个体等多个层次组成的，这些层次相互关联、相互作用，构成复杂的生物网络。
为了更好地理解生物系统的运作机理、预测生物现象的发生及其影响以及设计更好的治疗方法，生物系统的多尺度建模与仿真成为一种重要的工具。
多尺度建模和仿真是指将不同层次的生物系统组成的复杂网络进行分解，建立适当的模型，并实现模拟仿真。
这一过程需要采用多种方案，如致密化建模、集成建模以及光学显微镜和成像技术等，以获得准确的生物数据和模型。
致密化建模主要针对分子层次进行，将生物大分子如蛋白质、核酸等建模成能够描述其属性和功能的欧几里得空间点，将不同点组合成三维结构，通过分子动力学模拟进行仿真。
而集成建模则是在不同尺度进行建模，建立不同层次之间的联系，从而实现生物网络的仿真。
这一方法主要运用于组织和器官层次。
仿真模型是生物系统研究的核心，其中参数的设定尤为关键。
多数情况下，实验数据是不完备的，这就要求研究人员需要利用各种方法获取更多数据，如扫描电镜、拉曼光谱等，以丰富参数库，减小模型误差。
目前，生物系统的多尺度建模和仿真已经成为了生物技术、医学治疗、生命科学等研究领域的热门课题。
在生物技术领域，生物系统建模及仿真为生物制造提供了理论基础，为生物工程及新药研发提供了有力支持。
在医学治疗领域，生物系统仿真模型可为手术前定制模拟手术，减小风险，提高手术质量。
在生物学领域，对于生物多尺度建模和仿真的研究探索，可进一步促进细胞及器官的结构和功能研究，为人类生命科学研究提供更为全面的理论基础。
总之，生物系统的多尺度建模与仿真是一个综合性的课题，在百忙之中，它走在了生命科学前沿的位置。
现代仿真技术和计算技术的快速发展为细胞、组织和器官的三维建模及仿真提供了有力的支持，同时也能加速新型药物的研发和工程学研究的发展。
生物多尺度建模与仿真未来的前景及其在生物学、医学等领域的应用前景无限，值得我们加强研究的深入探讨，取得更加精确、全面和可靠的科研成果。
生物系统建模与仿真
输入量
控制器
对象 或过程
输出量
图 1-5 开 环 控 制 系 统
闭环控制系统
比较输出和参考输入之间的误差
反馈控制系统的标准方框图
闭环控制系统
凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为 闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信 号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误 差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并 使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这 个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。
闭环控制系统
使用反馈的动机： 减小参数变化的影响 减小扰动输入的影响 改善动态响应特性 减小稳态误差
反馈的“过犹不及” “目的震颤”
闭环与开环控制系统的比较
开环控制系统的特点
顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰 动性较差。结构简单、调整方便、成本低。
闭环控制系统的特点
偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。 精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。
开环控制与闭环控制
开环控制系统 闭环控制系统 闭环与开环控制系统的比较
开环控制系统
例：一个电烤面包炉 －输出c 是烤面包炉的温度 －我们希望能够实现恒定的输出 －我们可以通过在一个机械式定时器上选择一个设置
做到这一点 －这个设置作为系统的输入，或者是参考温度r
开环控制系统
定义
如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道， 这种控制方式称为开环控制系统。
系统仿真 系统建模和仿真在科学研究中的重要作用 建模的一般方法 生物系统的一般特点 生物系统的建模与仿真
模型
模型
是对一个系统、实体、现象或过程的物理、数学或其他逻 辑表示。
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2015/11/5
绪言-基本概念与定义
模型(Model)
现实或待实现系统的一种简化的表示(如实物、图 形、数学公式等),反映系统若干重要特性。
理想化、抽象化、简单化 相似性 形状 结构 功能
2015/11/5
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绪言-基本概念与定义
模型分类
图示模型、物理模型、数学模型
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实际上，通常是采用混合的途径完成建模
先验 知识
演绎分析
目的
目 标 协 调
模型
归 纳 程 序
数据
模型验证
最终模型
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绪言-生物系统建模与仿真的方法
建模时要考虑数学模型的特点
可行性 渐进性 强健性 可转移性 局限性
2015/11/5
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绪言-生物系统建模与仿真的方法
技术与方法的进步
2015/11/5
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绪言-生物系统建模与仿真的方法
多学科的交叉融合
数学 生物学 医学 计算机 电子 信息 材料 力学 ……
2015/11/5
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绪言-进展与热点
生理系统建模研究的进展
血液循环系统建模 血压系统 心脏电生理 循环系统 呼吸系统建模 神经系统建模 肌骨系统建模 激素与内分泌系统建模 ……
几何相似 力学相似 生理特性相似
8
绪言-基本概念与定义-物理模型列举
几何相似模型
按照真实系统的尺度的构造比例建立的物理模型，强调模 型与原型的几何形态上的相似性。 建立主动脉血管模型，将尸体的主动脉取下后灌注硅橡胶 ，在13.3kPa的生理压强下进行铸型，先造成主动脉弓的阳 模，然后再用这个阳模铸型，构造出和人体主动脉几何尺 度相似的模型
2、归纳法
基于试验数据来建立系统模型的方法。这种方法从观测到的行为出 发，试图推导出与观测一致的更高一级的具有普遍性的理论结果。 归纳法是从系统描述分类中最低一级水平开始的，即从试验数据出 发，并试图去推断较高水平的信息，是一个从特殊到一般的过程。 由于实验数据经常是有限的，而且是不充分的，所以归纳过程中必 定会要求对数据进行某种外推。
物理模型V.S.数学模型
物理模型
直观、形象、易于理解 测量物理量有明确意义 能为数学模型提供数据 投资大 灵活性差
数学模型
能较好刻划系统内的定量关系 能定量探索系统的运转规律 灵活 成本低 需借助其他手段形象化
2015/11/5
7
绪言-基本概念与定义
物理模型的构造：按照真实系统的性质构造的实体模型
生理系统建模与仿真
王玲 博士 硕士生导师
北京航空航天大学
生物与医学工程学院
2015/11/5
1
本课程的要求与安排
树立建模仿真解决问题的思想
掌握基本的概念和原理
学习常用建模工具的使用 实现简单的建模与仿真任务
2015/11/5
2
参考教材
生理系统仿真建模
生理系统的仿真与建模
生物建模仿真 血液循环系统仿真
9
力学相似模型
构造模型时着重于与原型在动力学特性上的相似，（例如 受力、速度、加速度）而建立的物理模型。
材料不同，力学相似
几何差异，畸变模型
10
生理特性相似模型
以模拟生理系统生理特性为目的所建立的物理模型
含分支的人体动脉系统脉动流模拟实验系统
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“我永远不满足自己，直到我能对一事物 做出它的物理模型为止。如果我能做出它的数 学模型，我就通晓它了”
2015/11/5
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数学模型
用数学表达式来描述事物的数学特性，数学模型不追求 与客观事物的几何结构或物理结构的相似性。 计算机技术的发展促进了数学模型的发展； 凡是具有数学表达式的事物都可以编成计算机程序； 计算机仿真使数学模型直观形象。
构造数学模型： 明确系统各环节的描述 提取表征系统的固有特征量
2015/11/5
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等效电路模型
许多系统的动态特性都可以用一个等效电路来描述 用电路等效物理过程 用微分方程求解仿真
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绪言-基本概念与定义
建模（Modeling）
构建模型的过程
目标的确定 手段与方法的选取 特征的抽象与描述 模型的验证
仿真（Simulation）
利用所建立的模型对进行模拟实验的操作
2015/11/5
3
绪论
基本概念与定义
生理系统建模与仿真的意义
生理系统建模与仿真的常用方法 生理系统建模与仿真实例
2015/11/5
4
绪言-基本概念与定义
系统
系统是由一些相互联系、相互制约的若干组成部分结合 而成的、具有特定功能的一个有机整体（集合）
由若干要素（部分）组成:这些要素可能是一些个体、元 件、零件，也可能其本身就是一个系统 有一定的结构:系统内部各要素之间相对稳定的联系方式 、组织秩序及失控关系的内在表现形式 有一定的目的性，实现一定的功能:系统与外部环境相互 联系和相互作用中表现出来的特定的性质、能力
理论 统计回归 随机概率 非线性动态 有限元分析 模糊智能 多尺度多模态 工具 Matlab Simulink ansys
2015/11/5 21
绪言-生物系统建模与仿真的方法
重要需求的支撑
科学意义 探究事物本质 社会意义 优化、高效、可持续 经济意义 低成本
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绪言-生理系统建模与仿真的意义
生理系统研究的复杂性
实验周期和费用 技术与手段 伦理要求
建模与仿真方法的优势
时空可伸缩性 极端条件的可实现性 可预见性
2015/11/5
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绪言-生理系统建模与仿真的方法
1、演绎法
运用先验知识，建立某些假设和原理，通过数学的逻辑演绎来建立 模型。在演绎法建模中，假定对实际系统已经有一些定理和原理可 以被利用，由此可以通过数学演绎和逻辑演绎来建立系统的模型， 而实验数据只是用来证实或否定原始的原理。
2015/11/5
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绪言-基本概念与定义
生理系统建模与仿真
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. 本课程主要针对人体的生理系统为对象、通过建模 和仿真方法对人体的生理、病理机制以及诊断、治疗、
防护进行研究
2015/11/5