计算机在生物医学中模型与仿真

2024-10-29 百科知识版权反馈

【摘要】：所以，就动态模型而言，建模与仿真是不可分割的两个组成部分。这三点精辟地指出了建模与仿真方法的特点。在真实系统与模型之间存在的直接关系被统称为“建模”；而在模型和计算机之间存在的直接关系则被称为“仿真”。

6.1　模型和仿真的概念

自古以来，通过建立模型来研究客观世界就是人类认识自然的一种基本方法。比如地理中用的地图、地球仪以及战争中用的沙盘，都可称为形象的模型；而自从人类有了数字的概念后，则用数学的方式来描述事物，又构成了许多抽象的模型。在电子技术还不发达的过去，模型的概念常常与一些实体的、形象的、与所描述事物具有相似性的事物联系在一起；随着电子技术的飞速发展，模型的概念也有了新的寓意，并逐步形成了自已的方法论。

动是永恒的，静是相对的，因此，作为事物的描述，我们更关心的是其动态特性。能够描述事物动态的模型也就称之为动态模型。用动态模型描述事物的动态过程称为仿真或模拟。所以，就动态模型而言，建模与仿真是不可分割的两个组成部分。动态模型可分为三种：

①物理仿真模型，又称之为实体模型。

②图示仿真模型，即用画面的动态变化描述事物。

③计算机仿真模型。如果一个模型是用数学方式表述的，则其动态运行往往是采用数字计算机来实现的，并称之为计算机仿真。与前两者相比，计算机仿真起着更为重要的作用，因此，本书主要阐述计算机仿真模型。

一个动态模型的建立往往有如下三个方面的内容：理想化、抽象化、简单化。这三点精辟地指出了建模与仿真方法的特点。从某种意义上说，在建立某一事物的模型时并不苛求模型与其原型（所描述事物）的完全等同性，而往往根据研究的目的将实际条件理想化，将具体事物抽象化；同时也常常对一个复杂的系统进行一系列简化，以适应建模与仿真的需要。例如，在研究药物动力学的房室模型中，就将血液及血液含量丰富的器官抽象和简化为一个药物均匀分布的容器腔室，而不考虑循环系统的管路分布和走向等细节。从另一个角度来说，对于许多实际系统，试图建立其完满的仿真模型往往是不可能的或不值得的。我们研究的对象往往是我们尚未完全了解的事物，因此，我们也就不具备充分的知识去建立有关这一事物的完满的模型；同时，在许多情况下，我们感兴趣的往往只是这一事物的某一方面，没有必要追求所有方面都完满的模型。

正是由于建立模型采用的是理想化、抽象化、简单化的手段，即使是动态仿真模型，一般也难于全面地反映其所描述的客观事物，而仅仅能在有限的方面反映事物的特征。因此，我们称通过建模与仿真方法对事物的表述为模型空间。因为模型是基于真实系统而建立起来的，因而模型空间所得出的问题的解就与真实空间的同一问题的解有必然的联系。这种真实空间与模型空间的相互关系可用图6.1来表示。真实系统既可以是自然系统，亦可以是人工系统；既可以是现存的系统，亦可以是将要建立的系统。

图6.1　真实空间与模型空间的关系(www.chuimin.cn)

图6.2　计算机仿真模型框图

对于模型空间来说，真实系统可视为含有无限多可观测信息的源，而在有限的时间内，我们只能从中获取有限部分而远非全部。既然我们不可能利用真实系统的全部信息，又不可能建立一个完满的模型，那么，建模者就要论证所建模型对特定问题的有效性。事实上，任何模型都是根据某一特殊目的而建立起来的，因而，其有效性的评判标准也不可能一样，而是与其特定的使命联系在一起的。例如，一个心脏电活动模型对于描述心脏电活动是有效的，但却不可能反映心脏的力学特性。

一个计算机仿真模型一般由三个部分组成：真实系统、模型和计算机，如图6.2所示。这里，真实系统仅起着信息源的作用；模型则是具有产生这些信息的能力的指令集合；而计算机则是执行这些指令并产生信息的一个工具。在真实系统与模型之间存在的直接关系被统称为“建模”；而在模型和计算机之间存在的直接关系则被称为“仿真”。

动态仿真可以应用于以下四大范畴：

①了解系统的工作状况和原理例如Hodgkin和Huxley建立的神经细胞膜模型就帮助人们认识了神经系统电活动的生理机理。

②预报系统的未来状况例如气象预报和宇宙模型就属于这一类。

③改进现存系统在这一范畴内，模型用于分析现存系统的工作方式并研究在各种可能的方式下系统的状况，从中选出最优方案并用于改进原有系统。因此，这属于优化问题。

④设计新系统在该范畴内，所模拟的系统并不存在，而要通过建立一个模型来设计出新系统的蓝图，并进一步通过仿真来确定该系统的动态性能和可行性。例如现在新型汽车的设计就采用计算机仿真的方法。

计算机在生物医学中模型与仿真

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