生理系统建模与仿真2.

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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6.4生理系统模型的实例药物动力学模型虚拟人36.4.1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4人体的复杂性实验的局限性数学模型——房室模型临床应用的所有药物都应用房室模型进行动力学研究利用数学模型，可以对任一种药物推导出一系列计算其分布和转运的动态过程的公式，若经试验确定了公式中的动力学参数后，即可用于预示药物在体内各部分的时变浓度，从而选择最佳的给药方式、给药剂量以及给药的时间间隔，确定合理的用药方案，提高疗效为了进行严格的数学描述，对房室有如下假设：房室是具有固定容量的、内含均匀分布的单一物质的容器；各房室间可以进行物质交换；房室系统中的物质交换均服从物质守恒定律房室：是一个由有限个子系统组成的系统。每个子系统称之为一个房室。房室状态参量在t时刻房室所含物质的总量——x(t)房室中的物质浓度——C(t)房室的体积——VC(t)=x(t)/V物质流动速率系数——kij物质转运速率——fij（i为流入房室标号；j为流出房室标号）12k21k12房室模型分类一室模型：假定药物进入体循环后在体内的分布是瞬即均衡的x1，C1V1f10f01二室模型：假定身体由一个中央室（血液）和一个周边室相连接的模型。x1，C1V1f10f01x2，C2V2k21k12f02f20三室模型以及多室模型123123123a)乳突型b)链型c)环形d)复合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应用房室模型建立药物动力学模型：11一般在药物动力学研究中，多采用线性房室模型。fij=kijxj（j≠i）实际过程中，线性是一种理想化假设12根据给药的方式，其输入速率取不同的函数形式对临床上常用的四种给药方式，其输入速率可以用下面四种函数近似表示（1）静脉推注给药：给药持续时间相当短，可用δ函数来表示，当设给药总量为D时、则有：f(t)=Dδ(t)00()10ttt（2）静脉点滴给药：此时药物将以一个恒定速度在一个周期内均匀地流入体内。设给药总量为D，给药(即点滴)持续时间为τ,则其流入的速率为：其中，u(t)为单位阶跃函数：()[()()]Dftutut00()10tutt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，则有：tDetf)(15（4）口服给药：口服给药的作用方式与肌肉注射类似，但药物要经过胃肠道吸收方能进入血液循环，因此药物往往不能完全被利用，在吸收前即有被排泄或转化的可能。设口服药的利用率为F，则其流入体内的速率可由下式描述：tDFetf)(16线性一房室模型V1，x1(t)f10k01110011()()dxtfkxtdt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所以18()()ftDt10111()()0(0)dxtkxttdtxD求解此微分方程，得：tkDetx01)(1那么，血药浓度为：tkeVDtC011)(一室模型模拟药物在体内的转运过程时，要求各器官组织对药物转运具有一致性。实际上对许多药物来说，器官与器官、器官与组织、肌肉与骨骼之间的运转是很不相同的。因此药物到达这些器官与组织后，其浓度也将各不相同。6.4.2虚拟人模型20虚拟人的价值医学参考——有利于培养优秀外科医生、手术模拟，人造器官、手术器械的设计与研究制药实验——提高用药准确性和研制新药及新药上市的效率。军事应用——试验核武器、化学武器、生物武器的威力肿瘤治疗——进一步提高了治疗的安全性。体育运动………..研制“虚拟人”的过程首先需要确定出一个理想的人体样本，然后经过尸体解剖、拍照、分析，再将数据输入电脑进行合成，从而制成一个完整的立体人类生理结构。用电脑制作“虚拟人”，最关键的环节是采集各种人体数据。这项研究工作，由美国最先进行。他们于１９８９年提出了“可视虚拟人”的概念，并于１９９４年制成了世界第一具男性“虚拟人”。１９９８年，又通过对一具女尸的解剖，形成了数字化的女性“虚拟人”。现在，美国正在制造第二代有物理性能的“虚拟人”和第三代有生理功能的“虚拟人”。韩国从２０００年开始进行“虚拟人”的研究，计划利用５年时间建立具有东方人特征的数据库。我国对“虚拟人”的研究，在2001年正式列入高新技术发展计划中。2003年2月18日17时18分，我国首例女性虚拟人数据集在位于广州市的解放军第一军医大学构建成功，这标志着继美国、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。虚拟可视人(VisibleHumam)：从几何学角度定量描绘人体的解剖结构，然后在计算机中重建成三维人体，没有生理变化，是人体断层解剖学意义上的数字化“解剖人”虚拟物理人(PhysicalHuman)：在“可视人”基础上，加入人体组织的力学特性和形变等物理特性，在质感、温度等方面达到和人体一样的指标。虚拟生理人(PhysiomeHuman)：在“物理人”基础上，赋予人体微观结构及生化特性。能最真实、最深入地从解剖、物理、生理、生化，从宏观到微观，从表象到本质全面反映人体结构和功能的交互式数字化人体模型虚拟人的几个阶段：25美国有三大信息源头，并有全方位模拟人体的长远计划：1、由美国国立医学图书馆倡议的可视人体项目（VHP），侧重于人体结构的数字化以及相关知识库的研究。26可视人计划：1989年美国国立医学图书馆建立了采集人体横断面CT、MRI（磁共振）和组织学数据的项目，其目的是为利用计算机图像重建技术建造虚拟人体作准备，项目名称为VisibleHumanProject（VHP），即可视化人体。27该项目由科罗拉多大学承担实施，分别于1991年和1994年选择了男女各一个活体。男的身高1.82米，女的身高1.54米。在他们死后，立即用CT和MRI作了轴向扫描，然后将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶后冰冻至摄氏零下80度，对尸体作组织切片，然后摄影。男的间距1毫米，共1878个断面。女的间距0.33毫米，共5189个断面。这些数据称为VHP数据集。28VHP数据集291.虚拟解剖图谱2.虚拟内窥镜3.微观组织三维重构NASAAmes研究中心的生物计算中心梅奥医院利用VHP数据集的重构图像作为引子，重构了神经元三维图像，制作虚拟现实动画VHP数据集的应用虚拟解剖图谱虚拟内窥镜VHP数据集是向全世界提供的数字化人体标准数据。除了可以向美国商业部国家技术信息服务局(NTIS)购买以外，Web发行是共享资源的重要手段。1.国立医学图书馆主站点----在Web上发行VHP数据集最初由克罗拉多美国国家大气研究中心负责。位于马利兰列斯特山的国立医学图书馆美国国家生物医学通信中心于1996年1月建成FTP站点(vhnet.nlm.nih.gov)。VHP数据集经过压缩以后共31.9GB。彩色数据分为全身、小腿、大腿、盆腔、腹部、胸部和头部七个部分。放射学数据分为MRI、正常CT和冰冻CT。2.VHP数据集镜像站点----为了便于从世界各地下载VHP数据集，建立了若干国际镜像站点，位于英国、意大利、日本和新加坡。3.基于PC的VHP并行Web服务器----瑞士联邦理工学院建造了基于PC的VHP男性数据集并行Web服务器，数据量为13GB，其Web地址为。用户访问这一Web服务器时，可以通过输入要观察的断面位置和方向得到人体任意截面图像。4.VHP女性数据集Web浏览器----密歇根大学超级计算中心曾承担美国新一代Internet(NGI)开发任务，医疗卫生、远程教育和生物医学研究均属于其中的八个样板应用领域。该中心组织了跨学科开发小组，设计了可通过Web浏览的VHP女性数据集浏览器，其站址为。这一浏览器采用图像和知识融合技术，可以通过拖动鼠标按高、中、低分辨率观察VHP女性的横断面、冠状面和矢状面。VHP数据集的发行美国国立医学图书馆VHP虚拟人网站美国可视化人体网站几个录象实例MHeadSag.mpgMHeadTrn.mpgumd_video.mpgMHeadCor.mpgflip_titles_smaller.mov39BackAnim.mpg2、美国橡树岭国家实验室于1999年提出的虚拟人体计划（VirtualHuman），利用VHP数据侧重人体机能模拟，目前为器官级。40虚拟人体：是将人体数据、生物物理模型以及高级计算算法整合成一个研究环境，研究人体对外界刺激的反应。41这个阶段的物理人就不同于可视人，他会像真人一样对外界有反应。比如说，在做汽车碰撞试验时，“虚拟人”可以提供人体意外创伤的数据，帮助改进汽车的安全防护体系。423、由美国科学家联盟提出的数字化人体项目（DigitalHuman），所建造的数字人体信息库是最完整的。其研究强项是细胞级虚拟人体模拟。43数字人体计划：包括可视人、虚拟人等全部内容。它的目标是实现人体从分子到细胞、组织、器官系统和整体的精确模拟，被认为是有史以来最雄心勃勃的研究计划。44数字人体的应用领域包括：基因表达、细胞模型、器官模型、仿生学研究；提高医疗实践水平开发人体的模拟替身：45中国虚拟人计划我校钟世镇教授：“虚拟中国人”计划：2001年在北京的香山会议被认为是我国数字虚拟人的研究的开篇。钟世镇教授牵头向国家提出建设“中国虚拟人”的项目，该项目很快被列入国家“863”项目。由中国科学院、首都医科大学、华中科技大学和解放军第一军医大学等协作攻关。吉林大学吕衡发、李幼琼教授——“人体断层解剖和三维重建”第三军医大学张绍祥教授——“可视人”项目46中国可视化人体网站女性盆腔模型三维虚拟解剖肝内管道系统脑三维模型心脏模型动态显示三维喉模型动态显示。。。。。。。。。50肝脏血管图51计算机重建的脑血管三维结构模型52计算机重建的颅骨三维结构模型53虚拟手术与美国、韩国相比，中国虚拟人原型标本更加完整，具有健康国人代表性。美国虚拟人原型曾在15岁时手术切除右睾丸，21岁时切除阑尾，38岁时拔过一颗牙。韩国虚拟人原型是一位死于淋巴瘤的65岁老人由于美韩均对尸体标本使用了过量福尔马林灌注，尸体都出现了不同程度的肿胀变形，采集的数据与原型存在偏差。55中国虚拟人男1号尸体标本是一位28岁的汉族健康男性，祖籍湖南，身高1.66米，体重58公斤，没有任何传染病和代谢疾病。该男子2002年4月死亡，自愿捐献尸体做科学研究。中国虚拟人女1号女性，年龄19岁，身高1.56米，广西人，2002年在广东因食物中毒而急性死亡。切片精度0.2毫米，共切片855