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生理系统建模与仿真在计算机应用中的发展

【摘要】:正是由于生命系统的高度复杂性以及研究的困难程度,生理系统成为较早地应用建模与仿真方法的领域之一。正是由于这项建模与仿真工作对神经电生理方面的卓越贡献,Hodgkin和Huxley两人在1963年获得了诺贝尔生理医学奖。

6.2 生理系统建模与仿真的发展状况

可以说,生理系统是世界上最复杂的系统之一,因而,直至科技高度发达的今天,人们对生理系统仍知之甚少,对许多生理问题亦较少以有效的手段进行研究。正是由于生命系统的高度复杂性以及研究的困难程度,生理系统成为较早地应用建模与仿真方法的领域之一。在早期工作中,较为著名的要数20世纪50年代初期Hodgkin和HuxIey两人建立的神经细胞膜产生动作电位时膜电导变化的模型。这一模型揭示了神经电生理的内在机制,并可通过仿真预测神经电的一切基本现象,如动作电位的有或无原则、不应期、阈值,以及动作电位的传话,等等。正是由于这项建模与仿真工作对神经电生理方面的卓越贡献,Hodgkin和Huxley两人在1963年获得了诺贝尔生理医学奖。

如果说在19世纪,数学在生物中的应用还等于零的话,那么,在100多年后的今天,采用建立数学模型并进行计算机仿真的方法来研究生命系统已积累了丰富的经验,并已经成为一个通用手段。现在,几乎所有的生理系统都有了或简或繁的模型。本书将介绍其中的一部分,我们将看到,在这一领域的应用中,既包括加深对生理系统的了解和预测其动态趋势方面的应用,也包括对各种人工脏器和生命辅助系统进行优化和设计方面的工作。(www.chuimin.cn)

在生理系统的建模与仿真过程中,生理系统(如人体)就是提供给模型空间的信息源。然而,由于受到现有观测手段的限制,系统的许多信息是隐含在观测信号中的,无法提取出来。我们知道,任何有关人体的深层次信息的取得,无疑都对了解生命现象有重要意义。在现有检测手段尚无能为力的情况下,采用建模和仿真的方法为提取生命系统内的深层次信息提供了一个有效的手段。例如,可通过建模与仿真找出各种异常心电信号与心脏电传导状态间的内在联系;可获得各种脉象与循环系统参数间的关系,等等。这方面的工作还刚刚起步,需要做的工作还很多。

传统的生理学研究方法都从形态、生化、局部以及孤立的角度去对待人体系统。事实上,人体内部各组织和器官有着千丝万缕的联系,体内的生理活动以及相互关联都是动态过程。因此,很有必要从系统的角度将人视为一个既相互关联又相互作用的复合系统来研究。这一任务亦可采用建模与仿真的方法来完成。如果将各器官和生理系统的模型用适当的反馈与控制模型联系起来,则将形成一个动态的整体模型。在这方面,已有人做了初步的尝试。例如,20世纪70年代末,美国密西西比大学医学中心生理及生物物理系推出的叫做“Human”的人体系统计算机数学模型。这种从系统控制的角度研究生命系统的方法又称为生物控制论。生理系统建模与仿真的工作与许多其他科学工作一样,都是无止境的,尽管有许多前期的工作已经完成,但随着人们对生理系统认识的深化,将有更多的问题等待我们解决,包括本书所介绍的工作,也都有待于进一步完善和深入。总之,要解决这一领域的问题,需要多学科的知识,也需要不懈的努力。