生物系统仿真与建模-1

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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
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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 ……

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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 ……
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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
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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
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
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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
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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
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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
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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。

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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
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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”

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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
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。

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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
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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

几何相似 力学相似 生理特性相似
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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
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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


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
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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-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
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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
Fra Baidu bibliotek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
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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