生理系统建模 第二章 生理系统建模、仿真概述
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。
系统建模与仿真简述
第1章 概述
• 1 .2 仿真的意义阐释
计算机仿真出现的意义： 计算机仿真之前的科研状态分析： 费时费力费用高，周期长，可靠性高，复杂度高的 问题难以解决，缺乏形象性可视性。 计算机仿真之后的科研状态分析： 省时省力省费用，周期短，可靠性高，复杂度高的 问题也能解决，复杂环境下的问题也能解决，形象直 观，可视性、可操控性强。 例如：航天环境下的计算机仿真，核技术中的仿真等。
4
第1章 概述
当下的意义: 建模、仿真能力对年轻的一代IT技术人才已经 不是特长，而是基本的技能和交流工具。 如，ITU(国际电信联盟）第三代通信系统的标 准讨论规定：技术文本与仿真结果必须同时提交， 并且鼓励对其他公司提交的方案进行仿真验证。 我们学习掌握MATLAB仿真，在某种意义上说 是在科学计算、工程设计和工具应用上与国际接
第1章 概述
1
第1章 概述
• 1 什么是仿真？（仿真的 定义和意义） • 2 数学仿真与MATLAB软件 • 3 电子通信系统的建模与 仿真 • 4 本课程的内容与结构概 观
2
第1章 概述
1 .1 什么是仿真？（仿真的定义）
• 系统仿真(Simulation)技术也称为系统模拟技术，简 称“仿真”。 • 计算机仿真：本课程特指自1970年以来发展起来的 利用现代计算机和仿真软件来进行仿真的计算机仿 真技术。由于计算机仿真具有精度高，通用性强， 重复性好，建模迅速以及成本低廉等许多优点。 • MATLAB仿真：是计算机仿真的一种。近年来在计算 机仿真的基础之上，发展了以MATLAB/Simulink为代 表的多种科学计算和系统仿真系统。它使用起来比 利用传统的Fortran、C/C++语言进行仿真可靠、方便、 快捷。
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。
生产系统建模与仿真概述
生产系统建模与仿真概述1. 引言在现代制造业中，生产系统的建模和仿真是一个重要的工具。
通过建立准确的生产系统模型和进行有效的仿真分析，可以帮助企业优化生产流程，提高生产效率，降低成本，提高产品质量。
本文将对生产系统建模和仿真的概念、方法和应用进行概述。
2. 生产系统建模的概念生产系统建模是将实际的生产系统抽象成一种可供计算机处理的模型，以实现对生产系统进行分析和优化的目的。
生产系统建模可以基于不同的层次和粒度，从整体到局部进行建模，从宏观到微观进行分析。
生产系统建模的主要目标包括：•分析生产系统的结构和运行特性•预测生产系统的性能指标•评估生产系统的灵活性和鲁棒性•优化生产系统的配置和资源分配•支持决策和规划过程3. 生产系统建模方法生产系统建模的方法包括基于统计学的方法、基于物理建模的方法和基于仿真的方法。
下面分别对这些方法进行介绍。
3.1 基于统计学的方法基于统计学的方法是通过统计数据和概率模型来描述和分析生产系统的行为。
这种方法适用于大规模复杂的生产系统，在建模过程中需要考虑到各种不确定性因素。
常用的统计分析方法包括排队论、蒙特卡洛模拟和回归分析等。
3.2 基于物理建模的方法基于物理建模的方法是通过建立物理模型来描述生产系统的结构和运行机理。
这种方法适用于对生产系统的细节进行建模和分析，可以更加真实地模拟系统的行为。
常用的建模方法包括Petri网、离散事件系统和系统动力学等。
3.3 基于仿真的方法基于仿真的方法是通过建立仿真模型来模拟生产系统的运行过程。
仿真模型可以在计算机上进行运行，模拟真实的生产系统在不同条件下的表现和性能。
基于仿真的方法可以提供对生产系统的详细和动态的分析。
常用的仿真软件包括Arena、AnyLogic和FlexSim等。
4. 生产系统仿真的应用生产系统仿真广泛应用于制造业的各个领域和环节，包括生产计划与调度、供应链管理、物流和运输等。
以下列举几个常见的应用场景。
4.1 生产计划与调度生产计划与调度是生产系统管理的核心环节，通过仿真模型可以评估不同的排程策略和调度算法，并选择最优的方案。
生理系统建模与仿真
数学建模
利用计算机技术对数学模型进行数值求解，以模拟生理系统的动态行为。
计算仿真
通过实验数据和统计学方法，估计模型中的未知参数。
参数估计
通过实验数据和优化算法，确定模型的结构和参数。
系统辨识
将仿真结果与实验数据进行比较，以检验模型的准确性和可靠性。
验证
根据模型的表现和实际需求，对模型进行性能评估和改进。
预防性干预
通过生理系统建模，可以模拟药物在体内的代谢、分布、作用机制等过程，为新药的研发提供理论支持。
通过模拟不同药物对生理系统的效果，可以对新药或已有药物的效果进行评估，为药物选择和剂量调整提供依据。
药物效果评估
药物作用机制研究
个体化治疗方案
根据个体生理系统的特点，可以为患者制定个性化的治疗方案，以提高治疗效果并减少副作用。
总结词
总结词
多尺度建模和跨学科融合是未来生理系统建模的重要方向。
要点一
要点二
详细描述
生理系统在不同的时间和空间尺度上表现出不同的特征和规律。为了更准确地模拟生理系统的行为，需要发展多尺度建模方法，将不同尺度的模型有机地结合起来。此外，生理系统建模还涉及到多个学科领域，如生物学、医学、物理学、化学等，需要加强跨学科的合作与交流，促进不同领域之间的融合，以推动生理系统建模的发展。
总结词：数据驱动和机器学习方法在生理系统建模中具有广阔的应用前景。
THANKS
感谢观看
OpenSim
开源生物医学仿真软件，主要用于人体肌肉骨骼系统的建模和仿真。
EMGWorks
专门用于肌肉力学的建模和仿真，支持多通道肌肉模型和多体动力学分析。
结果分析
对仿真结果进行解释和分析，提取有意义的信息，支持决策或优化设计。
“生理系统仿真与建模”课程教改探讨
仿真与建模》 课程。
２ 教 材 的选 取
根据授课对象（ 生物医学工程专业学生 ） 的特点， 选取适当的教
材是讲授好一 门课的基础。但是 ， 由于本课程涉及的生理系统仿真
与建模 的许多方面正处在研究之 中， 知识还不系统 、 网络资料也 比 较凌乱、 教材较少。笔者使用的教材以郑筱祥等生物医学工程方面 专家编写的《 生理 系统仿真建模》 为主要教材 ， 白净编写的《 生理功 能数字仿 真与无创成像》 作为辅助教材 。郑筱祥和 白净都是本学科 的著名学者 ， 为教材的质量提供了重要保证。课程 内容中又添加了
程强调的是 “ 定量” 工程分析和模拟” 或“ 。 通过本课程的学习， 以使生物医学工程专业 的学生更加深入 可 地体会该专业是现代工程技术渗透到医学领域形成的一门综合性 交叉学科。理解人体是一个 由各种生理系统构成的异常复杂的生 命系统 ， 并能够 以系统科 学的理论为指导 ， 用系统工程方法 ， 采 对
中图分类号 ： ４ Ｇ６ ２ 文献标识码： Ａ 文章编号 ：６ ２ ７ ９ （ ０ ９ ２ — ２ — ２ １ ７ — ８ ４ ２ ０ ）９ ０ ８ ０
摘
要 “ 生理 系统仿真 与建模 ”是 生物医学工 程专业基础
生 学习的积极性 ， 是推动学生主动学习的内在动力 。“ 良好 的开端
的成败有举足轻重的作用。
在绪论 的授课 中， 首先介绍本课程的授课提纲、 国内外的发展
历史和最新动态 。由于《 生理系统仿真与建模》 方面的理论知识还 生理系统仿真 与建模 教 学改革 启发式教学
处于不断完善之 中， 在这方面取得 了许多重大的发现。因此， 在第
一
关键词
次课 中 ， 根据资料整理了关于感觉器官仿真建模方 面的诺 贝尔
第2章 生理系统的建模与仪器设计
图2.6 指套式血氧探头及其电路结构图
2.3 构建生理模型的常用方法与实例 2.3.1 理论分析法建模
图2.7 血氧饱和度检测仪原理方框图
2.3 构建生理模型的常用方法与实例 2.3.1 理论分析法建模
仪器采用单片机进行控制和数据处理，系统功能如下： (1)周期性地输出两路脉冲，作为红光和红外光的测量信号源。 (2)通过串行D/A(或PWM)控制基线自动调整电路，使其输出的红光和 红外光脉冲的基线电平恒定。 (3)通过滤波将交直流信号分离。
不受力时，其作用类似于无源机械；
施加一外力使肌肉拉伸，此时肌肉呈现弹性机械的特点； 肌肉组织的伸缩运动常常伴随着热量的产生和温度的增高，这些效应 表现在肌肉组织内有某种类似于摩擦机构的作用，使得肌肉运动时一 部分机械能做功，另一· 部分变为热能。
2.1 系统模型及其分类 2.1.1 物理模型
(a)肌肉在受外力作用时被拉伸 (b)肌肉的力学类比模型 (c)肌肉的电路类比模型
回归系数：
观察值的平均值：
2.3 构建生理模型的常用方法与实例 2.3.3 数据分析法建模
实例5 非线性回归问题 对某些非线性问题，常常在对其进行线性转换后，再进行拟合。
2.3 构建生理模型的常用方法与实例 2.3.3 数据分析法建模
实例5 非线性回归问题 对某些非线性问题，常常在对其进行线性转换后，再进行拟合。
采用波长为 λ 光强为 I0 的近红外光，得透射光强度：
10！
手指动脉搏功时，引起动脉血液吸光度变化为：
2.3 构建生理模型的常用方法与实例 2.3.1 理论分析法建模
动脉血液中的血氧饱和度：
采用另一路波长为的红光λ’对手指组织同时进行透射和测量，可得：
从而求得血氧饱和度：
生理系统建模与仿真2
例：安替比林静脉推注后，就能在各组织间达
到平衡，平衡时候，该药在各组织中的浓度与
在血浆中的浓度极其近似。
由于静脉推注，有
f (t ) D (t )
t 0
所以
dx1 (t ) k01 x1 (t ) dt x (0 1 )D
求解此微分方程，得：
那么，血药浓度为：
生理系统建模与仿真
1
主要内容
1 生理系统仿真的意义与作用 2 建立生理系统模型的基本方法 3 生理系统仿真的基本方法 4 生理系统模型的实例
2
6.4 生理系统模型的实例
药物动力学模型 虚拟人
3
6.4.1 药物动力学模型
药物动力学：应用动力学原理，研究药物 进入机体后的吸收、分布、代谢转化和排 泄等体内过程的动态变化规律，并用数学 的方法描述这些过程以及机体因素或其他 物质对这些过程的影响
a) 乳突型
d) 复合型
3
b) 链型
1
2
1
c) 环形
2
3
1 3 2
应用房室模型建立药物动力学模型：
例
安替比林经静脉推注后，就能瞬时在各
组织间达到平衡，平衡时候，该药在各组织
中的浓度与在血浆中的浓度极其近似。
因此对这类具有转运均衡性的药物的体
内过程，用一室模型模拟药物在体内的变化
过程
11
一般在药物动力学研究中，多采用线性房
t 0 t 0
14
（3）肌肉注射给药：
药物要经过肌肉的吸收才能进入血液循环，
然后再分布到体内各处。在药物被肌肉吸收的 过程中，其吸收速率将随着药物的局部浓度的 减少而减小。因此，可假设其流入的速率为指 数衰减形式，对于给药量D，设其衰减系数为α，
生理系统建模 第二章 生理系统建模、仿真概述
建模关系主要研究实际系统与模型之间关系，它 通过对实际系统的观测和检测，在忽略次要因素及不 可检测变量的基础上，用数学的方法进行描述，从而 获得实际系统的简化近似模型。
仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间 的关系，其程序能为计算机所接受并在计算机上运行。
第二章 生理系统建模、仿真概述
一 、建模与仿真的概念 二 、生理系统研究的发展 三 、生理系统的建模与仿真
• 作为数学模型，一个黑箱问题实际上就是构造 一个联系输入与输出的传递函数，黑箱问题由
三部分组成：输入X(s)，输出Y(s)和黑箱系统的 传递函数H(s)，这三者间的关系如下：
•
Y(s)=H(s)X(s)
• 由此可见，对于黑箱，其数学模型即为满足某 一特定输入输出关系的传递函数。那么，欲建 立某一系统的黑箱模型，则需要获得该系统的 输入与输出的信息。这两方面信息的获取常常 通过对实际系统施加某种刺激并同时记录下系 统的响应而实现的。
黑箱是指对所研究的系统的内部构造和机理一无所知， 仅仅能从外部的可观测量，如系统的输入与输出来考 察系统。
• 如果还部分地知道系统内部的结构等信息，则此系统 称为灰箱；若对系统的信息完全掌握时，则该系统就 称之为白箱。对于生理系统，可以说有的是知之甚少， 有的是还不完全了解，因而，这些问题的研究就属于 黑箱或灰箱问题。
• 在求解这类方程时，不可避免的会遇到积分 运算，过程比较繁琐。然而，利用拉普拉斯变换 (以下简记拉氏变换)将微分方程从时域变换到频 域时，求解过程可以变为解代数方程，从而使问 题得以简化。
2.系统辨识
系统辨识是研究如何用实验研究分析的办法 来建立待求系统数学模型的一门学科。
Zadeh(1962)指出：“系统辨识是在输入和输 出数据的基础上，从一类模型中确定一个与 所观测系统等价的模型”。
系统建模与仿真概述
仿真语言
专用的仿真语言，如GPSS、Simscript、SLAM以及SIMAN，它们为大多数人使 用的各类仿真提供了一个更好的框架。然而，人们还需要花费相当多的时间来学 习这些仿真语言的特征及如何有效的使用它们，而且，使用者还必须面对其可可 、严格的语法要求。
高级仿真器
很多针对各种系统的高级仿真器，例如将在第 2章介绍的Witness、Arena等。这 些软件在图形界面更易于理解，语法结构简单易于理解，使得仿真不再需要很高 深的计算机编程技术。
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2.2 如何实施仿真
②简单性
从实用的观点来看，由于在模型的建立过程中，忽略了一些次要因素和某些 非可测变量的影响，因此实际的模型已是一个被简化了的近似模型。 一般来说，在实用的前提下，模型越简单越好。
③多面性
对于由许多实体组成的系统来说，由于其研究目的不同，就决定了所要收集 的与系统有关的信息也是不同的，所以用来表示系统的模型并不是唯一的。 由于不同的分析者所关心的是系统的不同方面，或者由于同一分析者要了解 系统的各种变化关系，对同一个系统可以产生相应于不同层次的多种模型。
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17
2.1 系统仿真的定义
不可或缺的角色。
Simulation
（1）静态和动态：静态模型与时间没有关系，而在动态模型中时间却扮演着
在2.2 节介绍的浦丰投针问题就属于静态仿真，其中没有时间要素。 而实际系统仿真所模拟的对象多数是动态系统，例如对银行营业厅顾客 服务效率的仿真，顾客的到达是同时间相关的，在不同时刻，顾客到达 速率可能不同，队列队长可能不同，柜台开放数量可能不同等。 （2）连续和离散： 在连续模型中，系统状态虽时间连续变化，例如水库蓄水量、放水量以 及出现降水和蒸发时水位的变化即属此类。 而在离散模型中，系统状态仅在离散的时刻点发生变化，例如在制造系 统中，零件会在特定的时间到达和离开，机器会在特定的时刻出现故障 和被修复，工人会在特定的时间开始休息和复工。
《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。
系统建模与仿真概述
系统建模与仿真概述System Modeling and Simulation第一章系统建模与仿真概述主要内容•系统与模型-系统建模-系统仿真•系统建模与仿真技术14系统与模型1.1.1系统1.系统的广义定义：x由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成部分（要素）结合起来在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。
举例：宇宙世界，原子分子，电炉温度调节系统, 商品销售系统，等等。
例一：电炉温度调节系统例二：商品销售系统经理部［市场部I I采购部仓储部销售部I14系统与模型2系统的特性：1）系统是实体的集合+实体是指组成系统的具体对象例如：电炉调节系统中的比校器、调节器、电炉、温度计。
商品销售系统中的经理、部门、商品、货币、仓库等。
+实体具有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体，即系统。
14系统与模型2）组成系统的实体具有一定的属性属性是指实体所具有的全部有效性，例如状态、参数等。
在电炉温度调芒系统中，温度、温度偏差. 电压等都是属性。
在商品销售系统中，部门的属性有人员的数董、职能范围，商品的属性有生产日期、进货价格.销售日期.售价等等。
X系统处于活动之中+活动是指实体随时间的推移而发生属性变化。
例如: 电炉温度调节系统中的主要活动是控制电压的变化, 而商品销售系统中的主要活动有库存商品数量的变化、零售商品价格的增长等。
14系统当摆型X系统三要素：实体、属性与活动。
系统是在不断地运动、发展、变化的；系统不是孤立存在的；系统边界的划分在很大程度上取决于系统研究的目的。
系统研究：系统分析、系统综合和系统预测O 系统描述：同态、同构+同态：系统与模型之间行为的相似（低级阶段）同构：系统与模型之间结构的相似（高级阶段）同态与同构建模+同构系统：对外部激励具有同样反应的系统十同态系统：两个系统只有少数具有代表性的输入输出相対应14系统与模型——3.系统的分类X按照系统特性分类：+工程系统（物理系统）：为了满足某种需要或实现某个预定的功能，采用某种手段构造而成的系统，如机械系统、电气系统等。
生理系统仿真与建模
第4页/共28页
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 4 心血管流体力学的发展概况
第5页/共28页
2 血液循环的生理背景
体循环 肺循环
心脏
人体 血液 循环
血管
第6页/共28页
血液循环途径示意图
心脏腔室
左心室 LV 右心室 RV 左心房 LA 右心房 RA
判断管段中血液流动是层流还是湍流的无量纲参数是
雷诺（Reynolds）数，定义为
UD
Re
D
U
为血液密度 为圆管直径 为流体粘度
为流动速度
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心血管系统血液流动的一般描述
➢ 雷 诺 数 Re 表 征 N a v i e r- St o ke s 方 程 中 迁 移 惯 性 项 与 粘 性 项 比值的大小。
的前后次序，提出动脉粥样硬化概念 • 1628--英国医生William Harvey--循环的存在是心脏工作的
必要条件 • 1661--Marcello Malpighi--发现毛细血管的存在 • Stephen Hales--在计算心输出量方面跨出了真正的一步，并
引进了外周阻力的概念
第3页/共28页
第17页/共28页
心血管系统血液流动的一般描述
频率参数 是一个表征血液在血管中流动时，局部
惯性力与粘性力比值大小的量。
较大：局部惯性力占支配地位，脉动流 主动脉与其他大动脉中（直径大）
较小：忽略局部惯性力，定常的层流 微动脉与毛细血管中（直径小）
第18页/共28页
心血管系统血液流动的一般描述
二、层流和湍流
第21页/共28页
生理系统建模与仿真详解演示文稿
2．力学相似模型
➢ 建模思想：按照动力学特征相似性构造的 实体模型，注重与原系统在动力学方面 的相似性
如：建立心脏模型时，采用时变液压方式 模拟心脏收缩的压力时变特性
41
第四十一页，总共六十四页。
3．生理特性相似模型
➢建模思想：既不追求几何形态上的相似， 亦不追求动力学上的相似，而是注重与模 拟系统在生理特性的相似性为评判标准
建立生理系统数学模型的方法主要 有如下两种：
1．黑箱方法—对系统完全不知 2．推导方法—对系统部分已知
49
第四十九页，总共六十四页。
▪ 黑箱：是指对所研究的系统的内部构造和机 理一无所知，仅能从外部的可观测量考察系 统。
➢ 如：系统的输入与输出
50
第五十页，总共六十四页。
▪ 如果部分地知道系统内部的结构等信息，则此 系统称为灰箱；
生理系统建模与仿真详解演示 文稿
第一页，总共六十四页。
优选生理系统建模与仿真
第二页，总共六十四页。
主要内容
▪ 1 生理系统仿真的意义与作用
▪ 2 建立生理系统模型的基本方法 ▪ 3 生理系统仿真的基本方法 ▪ 4 生理系统模型的实例
3
第三页，总共六十四页。
1 生理系统仿真的意义与作用
▪ 生理系统的研究，传统上有两类方法： (1) 临床实验的方法
如：心脏模型常以心率、心输出量、主动脉 波形等是否与实际心脏的相应指标接近作为 侧重点
42
第四十二页，总共六十四页。
4．等效电路模型
➢可用一个等效电路来描述某些系统的动
态特性
如：血管中血流的等效电路
➢ 血流阻尼等效为电阻，血流惯性等效为电感
➢ 血管弹性等效为电容，血压等效为电压
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。
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• 作为数学模型，一个黑箱问题实际上就是构造 一个联系输入与输出的传递函数，黑箱问题由
三部分组成：输入X(s)，输出Y(s)和黑箱系统的 传递函数H(s)，这三者间的关系如下：
•
Y(s)=H(s)X(s)
• 由此可见，对于黑箱，其数学模型即为满足某 一特定输入输出关系的传递函数。那么，欲建 立某一系统的黑箱模型，则需要获得该系统的 输入与输出的信息。这两方面信息的获取常常 通过对实际系统施加某种刺激并同时记录下系 统的响应而实现的。
• 利用已有的认识来构造一个与原系统结构相似 的数学模型，则模型中的每一变量将对应于原 系统中的一个生理量，同时模型中的各个参量 也具有较为明确的生理意义。这种由一组具有 生理意义的参变量所构成的数学模型则称为参 数模型。
• 因为参数模型中的各参量都对应于相应的生理 参量，故参数模型中的各参数的取值一般需要 通过生理实验来测定。
（二）建模与仿真
模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有 用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本 质方面的描述。模型是为了产生行为数据的一组指 令，它可以用数学公式、图、表等形式表示。
构造一个真实系统的模型，在模型上进行实验 是系统分析、研究十分有效的手段。
• 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。
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 统进行一系列实验。这种在模型上进行实验的 过程就称为系统仿真。
第二章 生理系统建模、仿真概述
一 、建模与仿真的概念 二 、生理系统研究的发展 三 、生理系统的建模与仿真
• （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
• 与黑箱模型相比，参数模型的生理意义较为明 确，但其建立要求对系统有足够的认识和必要 的实验手段。当然，采用参数模型进行仿真实 验一般可获得较多的关于系统的信息，并可较 好地与实际生理病理现象相对应。
（3）仿真模型的实验
• 建立研究对象的模型是为了进行仿真实验。若 所建立的是实体的物理模型，则将模型运转起 来即可进行仿真实验。
• 那么，仿真模型在计算机上的运行则形成了仿 真实验。因此，计算机仿真与原型系统之间经 历了两个基本过程，即建立数学模型，而后再 建立仿真模型。
• 建立了仿真模型后，即可利用计算机进行仿真 实验。
• 仿真实验存在三方面的问题：系统的稳定性， 计算精度和计算速度。
• 仿真的稳定性和计算精度与仿真实验所选择的 数值计算方法、步长的选择有关，当步长选得 较大时，仿真实验的计算速度较快，但可能导 致系统失去稳定性，计算精度降低。
2.生理系统的研究方法
a.动物实验：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；
• 当所选的计算方法较复杂，步长较小，则所获 得结果可能误差很小，但会导致计算量的增加 而仿真时间的拖延。
• 因此，仿真实验应当综合考虑硬件环境、系统 的稳定性、计算精度、仿真时间等因素，要求 选择折衷方案。
（4） 生理系统仿真的意义
• 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。
• 由于模型是基于某一真实系统而构造的，因此， 在模型空间所得出的问题的解就与真实空间同 一问题的解有必然的联系。
• 当采用数学模型来刻画生理系统中的定量关系 时，数学表达式中的各个参数代表系统的固有 特性。
• 例如血流中的阻尼系数表征血液的粘稠度。由 医学上可知，当人体内的固有特性发生变化时， 则对应于各种病症。例如当血管弹性系数下降 时则对应于动脉硬化。因此，当一个模型中的 参数变化时，就相当于构造了种种病例，而这 种参数的改变对于软件形式的数学模型而言， 可以说是轻而易举的。
第二章 生理系统建模、仿真概述
第二章 生理系统建模、仿真概述
一 、建模与仿真的概念 二 、生理系统研究的发展 三 、生理系统的建模与仿真
1.系统仿真 2.建模与仿真 3.仿真模型的实验 4.意义 四、 生理系统建模中常用的工程方法
第二章 生理系统建模、仿真概述
一 、建模与仿真的概念 二 、生理系统研究的发展 三 、生理系统的建模与仿真
• 生理系统仿真主要应用于三个方面的研究中：
• （1）用于研究人体系统的生理机制；
• （2）用于研究人体系统的病理机制及其诊治 方法；
• （3）用于研究在超常环境下生理系统的变化 及防护办法。
第二章 生理系统建模、仿真概述
一 、建模与仿真的概念 二 、生理系统研究的发展 三 、生理系统的建模与仿真
黑箱是指对所研究的系统的内部构造和机理一无所知， 仅仅能从外部的可观测量，如系统的输入与输出来考 察系统。
• 如果还部分地知道系统内部的结构等信息，则此系统 称为灰箱；若对系统的信息完全掌握时，则该系统就 称之为白箱。对于生理系统，可以说有的是知之甚少， 有的是还不完全了解，因而，这些问题的研究就属于 黑箱或灰箱问题。
1.系统仿真 2.建模与仿真 3.仿真模型的实验 4.意义 四、 生理系统建模中常用的工程方法
三、 生理系统的建模与仿真
1. 系统仿真 2. 建模与仿真 3. 仿真模型的实验 4. 意义
（一）、系统仿真
• 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比拟的优越 性，主要反映在以下几个方面：
• 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原型 的等同性，相反，往往依所研究的目的将实际条 件理想化，将具体事物抽象化，同时还常常对一 个复杂的系统进行一系列的简化以适应解决问题 的需要。
• 正是由于在建立模型过程中所采用的理想化、 抽象化、简单化等手段，一般而言，模型是难 于全面地反映其所描述的客观事物的，而仅仅 能在有限的角度反映事物的某些特征。
Ljung(1978)也给出如下定义：“系统辨识有 三个要素——数据、模型类和准则，即根据某一 准则，利用实测数据，在模型类中选取一个拟合 得最好的模型”
辨识的基本步骤为：
①先验知识和建模目的的依据。 先验知识指关于系统运动规律、数据以及其他方面 的已有知识。这些知识对选择模型结构、设计实验 和决定辨识方法等都有重要作用。用于不同目的的 模型可能会有很大差别。
•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
• 建立生理系统数学模型的方法主要有如下两种： • 1）黑箱方法 • 2）推导方法
• 1）黑箱方法 • 所谓黑箱方法，是科学方法论中的一个重要概念。
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。
1.系统仿真 2.建模与仿真 3.仿真模型的实验 4.意义 四、 生理系统建模中常用的工程方法
四、 生理系统建模中常用的工程方法
1.用频域法(拉普拉斯变换)解线性微分方程 2.系统辨识 3.房室分析
1.用频域法(拉普拉斯变换)解线性微分方程
• 分析各种系统时，有许多数学方法，其中基 于系统中各元过程的微分方程总是以时间 t 为自变量，因此， 也称为系统的时域表达。
• 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。
b.人体实验：即在人体上进行直接测量 和实验；
•临床实验虽然不存在动物实验 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。
c.生理系统的建模与仿真
• 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
建模关系主要研究实际系统与模型之间关系，它 通过对实际系统的观测和检测，在忽略次要因素及不 可检测变量的基础上，用数学的方法进行描述，从而 获得实际系统的简化近似模型。
仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间 的关系，其程序能为计算机所接受并在计算机上运行。
第二章 生理系统建模、仿真概述
一 、建模与仿真的概念 二 、生理系统研究的发展 三 、生理系统的建模与仿真
• （1）建立一个仿真模型； • （2）运行仿真模型进行仿真实验。
• 仿真模型与数学模型不同，数学模型仅仅是系 统的一种数学描述，对于连续系统而言，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，则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， 这种用计算机程序所表述的模型一般不完全等 同于原来的数学模型，但应该是一种很好的近 似，并称之为仿真模型。