生理系统仿真建模.ppt

生理系统仿真建模,复习课,第一章 系统仿真和建模在生理中的应用,1.1 系统及其仿真与建模的概念 1.2 生理系统建模中常用的工程方法 1.3 生理反馈和控制,建模与仿真方法的特点,理想化 抽象化 简单化,建立模型的过程,1.试验设计 2.模型结构的确定 3.参数估计 4.模型验证系统辨识,定义：系统辨识是在对被识别系统进行输入和输出观测的基础上，在设定的一类系统中，确定一个与被识别的系统等价的系统系统辨识三要素,观测数据 候选的模型集合 模型与被识别系统等价的评价准则 （核心内容）,房室系统的性质,房室系统是一个由有限个子系统组成的系统，每个子系统称之为房室，且具有以下性质：有固定的容量，内含均匀分布的单一物质（或能量）； 各房室间可进行物质（或能量）的交换，也与外环境进行物质交换； 系统中的过程符合物质（或能量）守恒定律，即系统中物质总量的改变等于输入总量与输出总量之差房室分析法的内容,房室分析法主要研究代谢物在生物系统内传输、循环、代谢等动态过程，主要包括两方面的内容： 确定系统中应包含哪些房室及各房室之间的联系； 在适当的假设条件下，利用守恒定律列出房室的数学方程，建立数学模型。

二室模型,血液较丰富的中心室(包括心、肺、肾等器官) 血液较贫乏的周边室(四肢、肌肉组织等) 药物的动态过程在每个房室内是一致的，转移只在两个房室之间以及某个房室与体外之间进行ci(t)，xi(t)和Vi分别表示第i室(i=1，2)的血药浓度、药量和容积,k12和k21是两室之间药物转移速率系数，k13是药物从1室向体外排除的速率系数f0（t）是给药速率，由给药方式和剂量确定第二章 神经元和神经网络,2.1 神经元电活动模型 2.2 神经元的功能模型 2.3 神经网络,神经系统的主要机能,1.高级机能，包括饮食活动等非条件反射性及学习和记忆等条件反射性的复杂行为 2.运动机能，包括骨胳肌的收缩等躯体运动和组成内脏器官的平滑肌与心肌的内脏机能 3.感觉机能，包括各种内外刺激作用于感受器产生神经冲动传到大脑皮层所产生的躯体感觉、内脏感觉和特殊感觉，如视、听、味、嗅觉等神经系统的主要细胞组成,神经细胞 神经胶质细胞神经系统表现出来的一切机能都由神经细胞所承担所以神经细胞是神经系统的结构单元，同时也是它的功能单元，称为神经元细胞膜的物质转运机制,细胞膜主要是由脂质双分子层构成的，因此从理论上讲只有脂溶性的物质才有可能通过它。

常见的跨膜物质转运形式,,,单纯扩散,易化扩散,由载体介导,由通道介导,主动转运,出胞与入胞,细胞的生物电现象,生物电的表现形式： 静息电位——所有细胞在安静时均存在，不同的细胞其静息电位值不同 动作电位——可兴奋细胞受到阈或阈上刺激时产生 局部电位——所有细胞受到阈下刺激时产生静息电位,静息电位表现为膜外相对为正而膜内相对为负 静息电位是K+外流形成的膜两侧稳定的电位差动作电位,动作电位产生和传播都是“全或无”式的 动作电位上升支——Na+内流所致 动作电位下降支——K+外流所致神经元的基本结构,细胞体、树突、轴突、轴突末梢,神经细胞的分类,根据神经元在信息传递、整合过程中的作用不同或反射弧中的位置，可把它们分成： 传入（感觉）神经元 中间（联络）神经元 传出（运动）神经元,神经细胞的分类,根据对突触后神经元的不同作用分为: ①兴奋性神经元 ②抑制性神经元,突触的结构,突触前膜、突触间隙、突触后膜,生物膜电位的电路模型,为计算跨膜电压，建立生物膜的电路模型：把表示离子通透性的电阻画成可变电阻，是考虑到突触中离子通透性的变化形式神经元,圆圈表示抑制性输入端，箭头表示抑制性输入端，框中字母表示阈值。

神经网络的特点,人脑是由140亿个神经元组成的神经网络，其突出特点主要有三个方面： 1.并行处理机制因此其速度快； 2.容错性单个神经元的损坏并不影响其整体功能，因而保证了其可靠性； 3.自学习能力保证了人的适应能力第四章 体温调节系统的仿真与建模,4.1 体温调节系统的生理机制 4.2 体温控制系统的简化模型 4.3 体温控制系统的热交换模型及仿真 4.4 热分布的组分模型,体热平衡,肝脏和骨骼肌是人体主要的产热器官 人在寒冷环境中主要依靠战栗来增加产热量 散热：辐射、传导和对流等方式,温度感受器,外周温度感受器：冷感受器、热感受器 中枢温度感受器,中枢温度感受器,当局部组织温度升高时冲动发放频率增加的神经元称为热敏神经元，而当局部组织温度降低时冲动发放频率增加的神经元称为冷敏神经元体温调节的中枢位于下丘脑体温控制系统的热交换模型,其中电流代表热流，电导代表热导，电容代表热容量，电流源代表热源，而环境温度的作用由一个电压源来描述，记为Ta电流源Hc代表体核的基础代谢，约占总代谢的75%，Hs则代表由皮肤表面蒸发到外环境的热量中枢神经为保持体核温度的恒定进行的调节主要包括以下三个方面： 汗腺分泌，用于调节蒸发散热量以及调节热源Hs； 血管的舒张和收缩用于改变血流量以及调节热导Gv； 代谢调节，用于改变产热量以及调节热源Hc。

热分布的组分模型,将人体分解为16个部分，即包括头部、颈部、胸部、腹部、左、右上臂，左、右下臂，左、右手，左、右大腿，左、右小腿，左、右脚 建立一个四层的热交换模型这四层划分为：体核、肌肉、脂肪以及皮肤同时，每一部分还包括动脉和静脉的血液循环的传导作用应用这一模型进行仿真发现，当施行局部热疗在肢体部位，且功率较低时，不会引起全身效应但对于腹部热疗，则会引起较强的全身反应，身体各部分的温度都将有大幅度上升这种效应可以通过有效的冷却措施得以减弱第六章 血液循环系统的建模与仿真,6.1 循环系统的生理知识 6.2 循环系统建模与仿真的基本方法 6.3 心脏模型 6.4 血管网模型 6.5 血液循环系统的调控机制 6.6 数字仿真实例,右心房,,,,,,,,,,主动脉,,,全身毛细血管,,,组织细胞,氧、营养物质,,,上、下腔静脉,,,,,肺动脉,,,肺部毛细 血管网,,肺泡,,CO2,O2,,,肺静脉,,,右心室,左心房,左心室,肺循环,体循环,,,,循环系统的仿真模型,物理仿真 数字仿真 物理数字仿真,数学模型,在人体循环方面，其数学模型按照建模方法可分为三种主要类型：参数模型 黑箱模型 房室模型,泵模型,M为时间、血压容积的函数，E反应心肌的顺应性，R为等效电阻。

一、动静脉血液动力学模型 1.动脉血管模型 2.静脉血管模型二、循环系统整体模型三、冠脉循环模型 1.瀑布模型 2.心肌内泵模型 3.时变弹性模型,动脉血管模型,血管中的血压和血流的关系类似于电路中的电压与电流之间的关系，用等效电路来模拟血流在血管中的流动状态顺应性,等效流感,等效流阻,血流,循环系统整体模型,心脏循环 多元动脉循环 外周循环系统 多元静脉系统 生理调节系统,冠脉心肌内泵模型,心肌内压力是通过改变血管壁的顺应性而发生作用的 R表示血管对血液的流阻血管顺应性,心肌内压力,时变弹性模型,心肌内的任何腔体都受到心肌时变硬度的影响，因此都具有时变的弹性这种机制被称为冠脉的时变弹性心率调节,由于血压变化，颈动脉窦和主动脉弓处压力传感器的传导反馈引起心率调节心率反馈调节的数学模型,传入频率模型 传出频率模型 窦房结模型,主动脉内气囊反搏的优化,利用气囊在主动脉内充气膨胀，排气压缩的体积变化使舒张期血压上升，达到增加冠脉血流量的目的它的辅助作用主要表现在如下的两个方面：在心舒期充盈胸主动脉，提高舒张期主动脉根部血压来增加冠脉系统的灌流量，从而达到改善心肌供氧的目的；通过在心脏收缩前急速排空来减小心室射血阻力并减轻心脏的负荷。

第七章 呼吸系统的建模与仿真,7.1 呼吸系统的生理功能 7.2 呼吸气体方程及其应用 7.3 呼吸控制系统的仿真与建模,机体与外界环境之间的气体交换过程，称为呼吸呼吸的三个环节： 外呼吸（肺通气和肺换气） 气体在血液中的运输 内呼吸（组织换气）,肺通气的动力,肺通气的直接动力是大气与肺泡气之间的压力差 肺通气的原动力是呼吸肌收缩和舒张引起的节律性呼吸运动呼吸的反射性调节,中枢神经系统接受各种感受器传入冲动，实现对呼吸运动调节的过程，称为呼吸的反射性调节主要包括机械和化学两类感受器的反射性调节呼吸气体方程,在标准状况（0°C，760mmHg）下，有效腔呼吸气体的基本方程可用下列三个方程表达： （1）呼出气体的容量VE等于吸入气体容量VI减去耗氧量VO2加上二氧化碳产生量VCO2：,呼吸气体方程,（2）耗氧量等于吸入气体的氧容量减去呼出气体的氧容量：和 分别为吸入和呼出气体中O2浓度的百分数呼吸气体方程,（3） CO2产生量等于呼出气体的CO2容量减去吸入气体的CO2容量：因为吸入气体中CO2量很少，可忽略不计，因此上式可简化为：,第八章 激素与内分泌系统 的仿真与建模,8.1 甲状腺素和碘代谢的生理机理 8.2 人体中碘分布的模型 8.3 血糖调节系统的仿真,甲状腺激素,甲状腺分泌的有生物活性的激素有甲状腺素（又名四碘甲腺原氨酸T4）和三碘甲腺原氨酸（T3）两种。

甲状腺激素的生理功能,（1）促进新陈代谢，使绝大多数组织耗氧量加大，并增加产热2）促进生长发育，对长骨、脑和生殖器官的发育生长至关重要，尤其是婴儿期此时缺乏甲状腺激素则会患呆小症3）提高中枢神经系统的兴奋性此外，还有加强和调控其它激素的作用及加快心率、加强心缩力和加大心输出量等作用甲状腺素的代谢一部分是通过肝脏进行的，为了研究这一代谢过程的机理，人们进行了分离灌流肝实验将实验用鼠的肝脏从其体内分离出来，然后用血液对其进行灌流，从而考察甲状腺素在肝中的代谢情况为了在实验中测定系统的各部分中甲状腺素的含量，人们采用注有放射性碘标记的T4的血液进行灌流，然后不断地测量肝和血液中的放射性，同时也测量由胆管收集到的胆汁中的累计放射性式中A、B、D、E、α、β都为与交换速率系数有关的常数，若已知各房室系统中甲状腺素的含量，则可确定这些系数碘在人体内的三种状态,无机状态 贮存在甲状腺中的有机结合状态 其它组织中有机结合状态这三种状态的碘在体内互相转化，其转化速率和该种状态浓度成正比按碘在人体存在的不同形式建立的三房室碘分布模型图中表明了碘在人体内分布的三种状态为无机态I、甲状腺中的有机结合态G和其他组织中的有机结合态H。

这三种状态的碘在体内相互转化，该物理模型表明了它们之间转化的路径和变化规律血糖的激素调节,胰岛素（胰岛B细胞分泌）：促进合成代谢、降低血糖浓度，维持血糖正常水平的主要激素胰高血糖素（胰岛A细胞分泌）：促进分解代谢、升高血糖浓度的激素神经调节,下丘脑 大脑 交感神经和迷走神经,血糖调节系统简单模型,血糖调节的简单模型只考虑血糖值与血中胰岛素的关系血糖浓度用x1表示，血中胰岛素浓度用x2表示，则可以写出其关系的方程式：其中a为常数，反映血糖值及血中胰岛素对葡萄糖及胰岛素代谢的影响，而G、I为单位容积中外源性输入的葡萄糖和胰岛素的速率第九章 视听系统建模与仿真,9.1 视觉系统概要 9.2 在视网膜和外侧漆状体的信息加工 9.3 大脑视区的信息加工 9.4 听觉功能形成及信息处理,视觉系统,视觉器官 视神经 视觉中枢,,,人眼的视近调节,晶状体的调节 瞳孔的调节 两眼球会聚,视觉信息的传递通道,视网膜是一层透明的神经组织膜，仅0.1-0.5mm厚，但结构复杂 主要分为四层：色素细胞层感光细胞层双极细胞层神经节细胞层,感光细胞,视杆细胞、视锥细胞,视杆细胞 视锥细胞 数量 多(1.2×108) 少(6×106) 外段 呈圆柱 呈圆锥 分布 周边部 中央凹 连接 会聚式 单线式 视色素 视紫红质 三种视锥色素 功能 晚光觉 昼光觉无色觉 有色觉分辨力低 分辨力高,。