生物系统建模与仿真.pptx
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111页PPT
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
第1讲生物数学建模简介.ppt
P (r, t) p(r,
t p(r,0) p0 (r)
t)
p(0, t) f (t)
p(rm , t) 0
→难!
模型求解
– 若假设 (r,t)=(r)
p(r, t )
p0 (r
r
t
)e
r
1
(
s
)
ds
,0
r
t
r
f (t r)e0 (s)ds , t r
➢ 模型分析(略)
r
p0
(r
随着时间增加，人口按指数规律无限增长
指数增长模型的应用及局限性
• 与19世纪以前欧洲一些地区人口统计数据吻合 • 适用于19世纪后迁往加拿大的欧洲移民后代 • 可用于短期人口增长预测 • 不符合19世纪后多数地区人口增长规律 • 不能预测较长期的人口增长过程
19世纪后人口数据 人口增长率r不是常数(逐渐下降)
不符合实际
符合实际
交付使用，从而可产生 经济、社会效益
建模过程示意图
三、数学模型的分类
应用领域： 人口、生理、经济、生态 …
初等模型、几何模型、优化模型、微分方程
数学方法： 模型、图论模型、逻辑模型、统计模型等
表现特性： 确定和随机
离散和连续
静态和动态 线性和非线性
建模目的： 描述、优化、预报、决策 … …
• 利用统计数据用最小二乘法作拟合 例：美国人口数据（单位~百万）
1860 1870 1880 …… 1960 1970 1980 1990 31.4 38.6 50.2 …… 179.3 204.0 226.5 251.4
r=0.2557, xm=392.1
阻滞增长模型(Logistic模型)
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，
生理系统建模与仿真 PPT课件
计算机仿真，需要将数学公式转化为计算机 算法，编程，这种用计算机程序所表达的模
型称为仿真模型，而仿真模型在计算机上的
运行则形成了仿真实验。
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，而后建立仿真模型。
系统原型、数学模型、仿真模型
举例：心血管循环系统仿真
进入仿真界面
血管狭窄仿真图
（2）在代谢系统分析中的作用
• 代谢系统模型比药物动力学模型复杂。 • 1961年，Bolle已建立具有两房室的血糖调节的线性 系统，估算葡萄糖灌输于正常人时，人体系统的响
应特性，其结果与临床符合。
• 由病人的糖耐量试验曲线对糖尿病人进行分类诊断；
正在研究和应用的胰岛素治疗糖尿病人的最佳控制
用药问题等。
• 2003年初，被称为“中国虚拟人1号”的我 国首例女性虚拟人数据集在南方医科大学 构建成功，标志着继美国、韩国后，中国 成为世界上第三个拥有本国虚拟人数据库 的国家。
通过血管铸型技术显示的动静脉模型
虚拟人的研究分为四个发展阶段：
• 第一阶段是数字可视人；
• 第二阶段是数字物理人，拥有人体的物理性 能，可以模拟肌肉的运动； • 第三阶段是数字生理人，可模拟人的生理功 能； • 第四个阶段是数字智能人，具备一定的思维 能力。
及许多生理实验都是无法进行的，而运用模型
来进行仿真实验，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
脑血液流动的参数模型，不仅能模拟出
生物系统建模与仿真的方法研究
生物系统建模与仿真的方法研究生物系统是由多种生物体系和环境因素相互作用而成的复杂系统。
生物系统建模是指通过数学模型构建、分析和预测生物系统的功能和行为。
生物系统建模与仿真的方法研究是一门跨学科的研究领域，涉及数学、物理、化学、生物学、计算机科学等多个学科的知识和技能。
本文介绍了生物系统建模和仿真的常见方法和技术。
一、生物系统概述生物系统是指生物体系和其所处环境的整体，包括单细胞、多细胞和生态系统等。
生物系统的行为和功能受到基因、分子、细胞、器官和组织等多层次的调控和互动影响。
为了深入理解和预测生物系统的行为，需要通过建模和仿真来模拟和研究生物系统的内部机制和外部环境的影响。
二、生物系统建模的方法生物系统建模的方法包括动态和静态建模、确定性和随机建模、基于物理规律和统计学规律的建模等。
下面介绍三种常见的生物系统建模方法。
（1）动态建模动态建模是指将生物系统的动态行为建立成一组方程，描述生物系统随时间变化的状态和过程。
动态建模常用的数学工具有微分方程、差分方程、代数方程等。
例如，生物反应动力学模型是针对生化反应中庞大的分子和底物之间关系建立的微分方程模型，这些反应在生物体中发挥重要的生理和生化功能。
（2）静态建模静态建模是指将生物系统的静态状态建模成一个矩阵或网络图，反映不同生物元件之间的拓扑关系。
静态建模相关的技术包括图库理论、网络流和拓扑分析等。
静态建模适用于描述从物质到能量、基因到蛋白质之间的信息流。
（3）随机建模随机建模是指考虑生物系统内部和外部环境的随机因素，基于概率和随机过程理论构建模型。
随机建模常用的数学工具包括蒙特卡罗模拟、随机微分方程等。
随机建模常用于分析和预测生物系统的稳定性和可逆可控性。
三、生物系统仿真的方法生物系统仿真是基于建模的一个重要环节，仿真的目标是通过计算机模拟实验来验证和评估模型的准确性和可信度。
下面介绍生物系统仿真的三种常见方法。
（1）连续仿真连续仿真是指将生物系统的动态过程进行数学离散化和步进求解，得到系统在每个时间点的状态和变化。
生物系统建模与仿真技术的研究
生物系统建模与仿真技术的研究随着科技的发展，生物系统建模和仿真技术已经成为了生物学研究的重要方法。
生物系统建模和仿真技术可以被应用于生物医学、环境科学、农业和食品科学等众多领域。
本文将探讨生物系统建模和仿真技术的应用和发展。
1. 生物系统建模将生物系统的复杂过程转换为形式化的模型是生物系统建模的主要任务之一。
生物系统建模需要从实验数据中提取基本的生物学信息，包括基因表达、蛋白质互作、代谢通路等。
通过分析这些信息，可以建立生物系统的数学模型，从而揭示生物系统的内在机制。
生物系统建模的常用方法包括传统的数学建模、系统动力学、智能算法等。
其中，系统动力学是一种建立定量生物系统模型的主要方法。
使用系统动力学，可以建立生物系统的差分方程模型，模拟生物系统的变化过程。
而在智能算法领域，遗传算法等自适应算法也被广泛应用于建模。
2. 生物系统仿真生物系统仿真是模拟生物系统内部机制和行为的过程。
通过仿真，可以分析生物系统在不同环境下的响应，发现生物系统的缺陷和优点，从而为生物医学、环境科学、农业和食品科学等领域提供指导性意见。
生物系统仿真技术可以根据不同场景和需求进行不同的设计和实现。
比如，在生物医学中，人体器官的仿真可以用于手术模拟和治疗方案的优化。
在农业和食品科学中，模拟作物生长、食品加工等过程可以优化生产效率和提高食品质量。
3. 应用案例生物系统建模和仿真技术已经被广泛应用于众多领域。
以下是一些典型案例：1）癌症建模。
通过建立癌症的数学模型，可以揭示癌细胞生长和转移的机制，为治疗方案的制定提供指导。
2）心血管疾病仿真。
通过仿真人体血管系统的运转，可以揭示心血管疾病的发生机制和诊断方法。
3）农业生产仿真。
通过模拟作物生长和环境变化，优化农业生产效率和提高农作物品质。
4）食品加工仿真。
模拟食品加工中的物理和化学变化过程，优化加工工艺和改善食品质量。
4. 发展趋势随着生物系统建模和仿真技术的快速发展，未来的研究方向包括以下几个方面：1）生物系统的多尺度建模。
数学建模 生物种群模型PPT课件
2020/11/11
假定方程组(1)的右端函数 f(x,y),g(x,y) ， 在平面区 域 G 满足解的存在唯一的条件，则过相平面中任一点 有唯一的轨线。
2020/11/11
平衡点 （Equilibrium） ：使得 f2(x0,y0)g2(x0,y0)0 的点 (x0, y0 ) 为组(1)的平衡点，否则称为常点。
a110,a220 表示甲（乙）种群为密度制约； 3) a120,a210 表示甲、乙种群相互竞争； 4) a120,a210 表示甲、乙种群相互依存； 5) a12a210表示甲、乙种群为弱肉强食（捕食与被捕食）。
2020/11/11
3 三种群的一般模型 三种群相互之间的作用要比两种群更复杂，但 建立模型的思想和方法是相同的。在三种群中 每两个种群之间的关系仍可归结为：
方程组2解的一般形式为电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义2020104方程组2解的一般形式为2221121122211211电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义2020104平衡点类型稳定性稳定结点nodestable不稳定结点unstable鞍点saddleunstable稳定退化结点stable不稳定退化结点unstable稳定焦点focusstable不稳定焦点unstable中心centerunstablebcad电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义2020104不稳定结点区稳定焦点区不稳定焦点区奇点的性态与的关系电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义2020104简单非线性微分方程的奇点dtdydtdx电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义2020104dtdydtdxdtdydtdx电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义2020104结论1如果则4的一次近似方程组的奇点dycxdtdyaxdtdx电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义2020104结论2设系统dycxdtdyaxdtdxo00为其对应线性系统的中心点若在o的邻域内存在此系统的一个连续的首次积分则o必为中在o00点的邻域内解析
生物系统仿真与建模-2
中心房室
外周房室
建模思路——怎样建立房室模型
模型的示意图表示及参数含义
x—物质的量 c—房室内物质浓度 V—房室的等效体积 f—输入物质的量 k—速率系数（时间-1）
f10 中心房室 x1，c1， v1 k01 k21 k12 外周房室 x2，c2， v2
中心房 室
外周房 室
单一房室
建模思路——数学表达
模型的数学表达
f10 中心房室 x1，c1， v1 k21 k12 外周房室 x2，c2， v2
动态变化 物质守恒定律
改变量=流入量 - 流出量
d x1 (t ) f10 k12 x2 (t ) (k21 k01 ) x1 (t ) dt d x2 (t ) k21 x1 (t ) k12 x2 (t ) dt
[1] Teorell, T.: Kinetics of distribution of substances administered to the body. I. The extravascular modes of administration. Arch Int Pharmacodyn et Ther 57: 205-225, 1937. [2] Teorell, T.: Kinetics of distribution of substances administered to the body. 11. The intravascular modes of administration. Arch Int Pharmacodyn et Ther 57: 226-240, 1937.
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（2）集总参数法
集总参数模型（集中参数模型）
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。
生物系统模拟PPT课件
贝叶斯分类器
• 贝叶斯分类器的分类原理是通过某
对象的先验概率，利用贝叶斯公式 计算出其后验概率，即该对象属于 某一类的概率，选择具有最大后验 概率的类作为该对象所属的类。
K-近邻法思想简介
• K-近邻法的基本思想是在测试样本x
的k 个近邻中，按出现的样本类别来作 为x 的类别，即先对x 的k 个近邻一一 找出它们的类别，然后对x 类别进行判 别，即在N 个训练样本中，找出x的k 个近邻。
计算诊断学技术
• 核心:基因芯片. • 作用:检测疾病相关基因组,分析疾病产生
根源,对疾病进行科学诊断和分类.
• 数据分析三过程(主要针对肿瘤细胞):
• 选择肿瘤分型特异基因. • 构建分类器. 1. 检测分类预测结果的有效性.
主要的分类器模型和方法
• 贝叶斯分类法 • K-近邻法 • 人工神经网络
计算机辅助药物设计(1)
• 概念:计算机辅助药物设计根据已知药物靶
分子(蛋白质或受体)的结构,针对性设计与靶 分子结合的药物分子.
• 原理:首先通过X射线晶体衍射技术等技术支
持获得药物分子的结构,采用分子模拟软件 分析结合部位的结构性质;然后在化合物数 据库中搜索分子形状的结构特征设计全新 的药物分子.
整个模拟（以及预测结果）都可能是错的。
电子细胞
• 电子细胞亦称虚拟细胞或人工细胞.它
是在计算机上模拟真实细胞的结构和 细胞的活动,阐明生命现象.
• 电子细胞的关键是建模,涉及到细胞内
环境和细胞相关物质对细胞的生命活 动的作用.
系统生物学分析方法
• 关键字:
• 计算机仿真. • 整合. • 数据结构—图. 1. 干涉
生物系统模拟
•分子模型化技术 •生物分子模拟
生理系统建模与仿真 - 生物医学工程研究所
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。例如，对循环系 统的研究时，实际的血液循环网是个大的闭合回路， 同时又与全身各个器官和系统相耦合和作用。但根据 建模的目的，可以有形形色色的模型。例如，当研究 心肌的力学特性时，可建立心肌的力学模型，而忽略 其他因素的作用；而当研究血管的输运作用时，则可 将心脏简化为一个泵。
6.2.2 数学模型
所谓数学模型，就是用数学表达式来描述 事物的数学特性，它不像物理模型那样追求与 客观事物的几何结构或物理结构的相似性，但 可较好地刻划系统内在的数量联系，从而可定 量地探求系统的运转规律。同时，现代电子计 算机技术的发展极大地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。这不仅使许多繁杂的计算成为可能， 还使数学模型更加直观形象和动态化。
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。
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生物控制论的研究方法
建立系统模型 进行数学仿真 系统稳定性分析 经典控制理论的频率分析 现代控制理论的最优控制 自适应控制理论 系统辨识
生物控制论的研究方法
中国自动化学会生物控制论与生物医学工程专业委员会倡导理论与实 验的紧密结合，模型工作都应有扎实的生物学背景。本领域的研究工 作属于基础与应用基础范畴，但与计算机视觉，信息与自动化技术以 及生物医学工程应用有密切联系，它属于生物科学与信息科学以及医 学工程的交叉科学。
生物控制论的学科地位
生物科学：心理学、生理学、行为学、脑科学、思维科学… 信息科学：信息论、生物信息学、全信息论… 系统科学：系统学、控制论、生物控制论、大系统控制论…
生物科学
信息科学
多学科协同
系统科学
生物控制论的研究内容
从系统的、定量的、动态的角度定量化研究生物系统。 生物反馈系统的定量的和动态的研究 生物系统辨识 神经元与神经网络的研究 感觉系统中信息传递、编码和加工等过程的模型和分析 神经控制论 …………………生物系统的显著特点源自非线性 时变性 紧耦合 多层次
需要： 系统的（整体的） 动态的 定量的
进行研究
生物控制论的发展概况
控制论的产生
《控制论—关于在动物和机器中控制 和通讯的科学》
Cybernetics or control and communication in the animal and
machine
线性系统和非线性系统 多级系统 层次和突现性质
控制：
反馈 开环控制 闭环控制
系统
系统一般是指由许多单元相互联系而组成的一个整体， 通常具有一定的功能。 单元的划分应以其在完成整体功能中的作用为依据， 而单元间的联系主要指其功能间的联系。 实现功能间的联系的方式是多样的，可以通过物质、 能量、信息来实现。
线性系统与非线性系统
线性系统与非线性系统
线性系统： 可加性 比例性
非线性系统： 局部线性化处理 非线性处理方法
层次和突现性质
系统是分层次，不同层次完成不同的功能 通常系统从低层向高层方向功能也是从低级到高 级 系统从低层次向高层次发展时，或从简单到复杂 发展时，系统的高层次往往“涌现出”低层次所 没有的新性质 所以研究系统问题时，应注意分析和综合、系统 论和还原论相结合，避免孤立、片面的看问题。
生物控制论的研究内容
神经系统信息加工的模型与模拟 生物系统中的非线性问题 生物系统的调节与控制 生物医学信号与图象处理
中国自动化学 会生物控制论 与生物医学工 程专业委员会
理解大脑的工作原理 视觉信息的编码、表达和加工 不同的脑功能状态下的模型与仿真问题 动态脑模型以及学习、记忆与决策 意识产生的物质基础
生物系统建模与仿真
生物控制论概述 基本概念 仿真示例
生物控制论
生物控制论是应用控制论的理论和方法研究生物体的学科， 其主要研究对象是生物系统的调节控制及信息处理问题， 是系统的、动态的、定量的研究生物体的重要工具。生物 控制论是一个广大的领域，本课程结合生物医学问题的典 型实例,运用控制理论的基本概念,理论和方法进行分析，使 同学掌握生物控制论的基本内容，树立从整体和综合角度 研究生物医学问题和建立系统数学模型的观点。同时对于 如何将怎样把信息科学，数理科学和生命科学（主要是神 经科学）融合起来进行研究，特别是其中的基于生物学实 验基础之上的建模和计算机仿真方法有一个入门性的了解。
建立描述各种生物系统的控制和信息处理过程的繁简不同的数学模型 并进一步加以分析或进行系统仿真，这是生物控制论的主要方法。
从生物控制论看学科交叉研究的重要性和应注意之处： 学科交叉是当代科学发展的重要趋势；生物控制论产生的历史；学科 交叉是多学科的有机结合，而不是混合；生物控制论必须以生物科学 的实验事实为基础，运用信息科学和数理科学的思想和方法，解决生 物科学的问题。
What is Biological Cybernetics?
Cybernetics （舵手，governor）
“生物控制论的主要目的在于建立能反映人体和动物功 能的模型和理论，而且这种模型和理论中的逻辑原理和 有机体本身中起作用的逻辑原理是相同的。它也试图建 立和生物系统有同样的物理与生物化学成份的模型。它 是少数能真正地称之为边缘科学的学科之一。无论对生 物学还是医学来说，生物控制论都给了它们以一种新的、 普遍适用的、能充分发挥数学威力的语言”。 “我们研究生物这种复杂系统的工具就是去测量与此系 统有关的某些量，并研究这些量之间的数学关系 。这就 是说生物控制论是以生物体中的控制和信息过程(即信息 的接收、传递、存储、反馈和处理的过程)作为研究对象， 目的是构造生物体中控制和信息过程的模型。 因此，我 们又可认为把控制论用于生物科学中去就是生物控制 论”。
过程
称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济 学过程、生物学过程。
术语
系统
完成一定任务的一些元、部件的组合。
生物控制论的应用
阐明生物系统的机理 解决医学中的实际问题
确定药物和放射疗法的最优方案 自适应控制保证手术病人血压的稳定 假肢和人工脏器的控制问题 自我控制机体状态的生物反馈方法 为设计测量与估计人体在不同情况下(如体育训练、航天飞 行)的状态的自动装置提供科学依据 …………………
基本概念（1）
系统：
控制系统
术语 自动控制系统示例 开环控制和闭环控制 自动控制系统的分类 自动控制系统理论 自动控制系统的基本要求
术语
自动控制
在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动 地按照预定要求进行。
对象
是一个目标物体，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其 作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如 加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。
---N. Wiener,1948
生物控制论的发展概况
维纳、罗森勃吕特 每月一次的方法讨论会 1930’s~40’s “行为目的和目的论” 维纳、斯切特 《生物控制论进展》 1960’s “Biological Cybernetics” 专业刊物成立 1960’s ...........................