生理系统建模与仿真

正是由于在建立模型过程中所采用的理想化、 抽象化、简化等手段，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。鉴于这一 基本事实，把通过模型的方法对事物的表述称 为模型空间。同时，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。


数学模型就是用数学表达式来描述研究对象的 生理特性，它不象物理模型那样追求与客观实 体的几何结构或物理结构类似，只是要求较好 地刻划生理系统内在的数量关系，从而可探求 客观实体的变化规律。例如，血液在血管中的 流动可以用流体力学的公式来描述；物质的交 换可以用连续性方程来描述，等等。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，不仅使许多繁杂的计算成为可能，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。

随着电子技术的发展，建立模型的方法已由最 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。然而，尽管模型的概念 是建立在与其原型具有某种相似性的基础之上 的，但是，相似并不是等同。尤其是对生理系 统的模型而言，到目前为止，还无法构造一个 与其原型完全一样的模型。当然，那也不是建 立模型的目标。

模型大体可分为数学模型和物理模型两类。 物理模型是指实体的模型；简单的物理模型如 生理课上使用的—些物理教具：眼睛的模型、 脑的模型等，复杂—些的如用于研究心脏功能 的心室瓣膜模型和用胶皮管做成的血管模型。 物理模型的特点主要是形象而且更接近于实际 情况。其缺点是灵活性较差，且受到材料、加 工等条件的限制、逐步被数学模型所取代。


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

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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。

（ 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。

和实验；

(2) 动物实验的方法：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； 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。 临床实验虽然不存在上述的第一个局限性，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。

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
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： （ 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。
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。


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。
主要内容
6.1 生理系统仿真的意义与作用 6.2 建立生理系统模型的基本方法 6.3 生理系统仿真的基本方法 6.4 生理系统模型的实例

6.1 生理系统仿真的意义与作用
生理学可以说是一门实验科学，对于生 理系统的研究，传统上有两类方法： (1) 临床实验的方法：即在人体上进行直接测量