Computer Aided Medicine Modeling and Simulation for Physiological S ystems

1. Computer Aided MedicineModeling and Simulation for Physiological Systems LIU Lei Shanghai Center for Bioinformation Technology 2014.3.13

2. Methods Introduction Examples 1 2 3 Outlines

3. Introduction • Modeling and simulation is a discipline for developing a level of understanding of the interaction of the parts of a system, and of the system as a whole. • It is widely used in many fields • Industry • Social affairs • Transportation • Life sciences • ……

4. 在真实系统上实验会破坏系统的正常运行; 由于实际系统中各种条件的限制，得不到所需的实验条件; 实际系统中进行实验时难以保证每次操作条件都相同，难以对实验结果的优劣作出正确评价； 无法复原； 实验时间太长、费用太大或者有危险。 Why simulation？

5. Introduction 建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和在计算机上进行仿真的有关复杂活动 System Computer Modeling Simulation Model

6. Introduction System 任何事物都是在联系中显现出来的，都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统的联系的总貌。 ----Democritus， Great World System 按照某些规律结合起来，相互作用、相互依存的所有试题的集合或总和。

7. Introduction System

8. Introduction • 构造一个系统的模型，在模型上进行试验是系统分析、研究的有效手段。 • 系统模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体 • 物理模型、数学模型和模型的非形式描述 Model 模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特征的抽象，是对系统某些本质方面的描述。

9. Introduction • 又称实体模型，是实际系统在尺寸上放大或缩小后的相似体。 • 缩小比例的房屋模型设计房屋 • 心脏血流模型设计心脏瓣膜 • 物理模型用于土木工程、 水利工程、船舶制造、 飞机制造、生物模拟等。 物理模型 Model

10. Introduction 物理模型描述真实系统的逼真感虽然较强，但对于复杂的系统，建立物理模型所需的费用大，而且要修改参数或者改变结构都很困难。 将系统的内在联系和它与外界的关系抽象为数学模型，用数学方程来描述实际系统的结构和性能。

11. Introduction • 用数学表达式形式来描述系统的内在规律。 • 数学模型通常是模型的形式描述 • 利用数学手段对事物描述的理论越来越完善。从牛顿的万有引力定律，到爱因斯坦的相对论，再到非线性理论的发展和应用； • 长期以来，人们充分认识到利用数学模型去描述所研究系统的优越性，并逐步地发展了系统研究和系统分析理论。 数学模型 Model

12. Introduction • 利用数学模型描述系统的特征并进行求解的手段，逐步发展成为现代的计算机仿真技术。 数学模型 Model 数学模型 求解 计算机仿真

13. Introduction • 1961年，G.W.Morgenthater首次对仿真进行了技术性定义 • 1978年，Korn，《连续系统仿真》 Simulation 仿真指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现。 用能代表所研究的系统的模型作实验

14. Introduction • 1982年，Spriet进一步将仿真的内涵加以扩充 • 1984年，Oren Simulation 所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动。 仿真的基本概念架构：“建模-实验-分析” 仿真是一种基于模型的活动

15. Introduction • 仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。 Simulation simulation Models

16. Introduction • Nowadays, the modern simulation technology is done by computers, so system simulation is sometimes called computer simulation • 系统仿真有三个基本的活动 • 系统建模 • 仿真建模 • 仿真实验 Simulation

17. Three important factors of system simulation System – model – computer Introduction System Model Simulation Model Emulator or Computer Modeling

18. History of System Modeling and Simulation

19. 所用模型分类：物理仿真、数学仿真、半实物仿真所用模型分类：物理仿真、数学仿真、半实物仿真 计算机类型分类：模拟仿真、数字仿真、混合仿真 信号流分类：连续系统仿真、离散系统仿真 仿真时间分类：实时仿真、超实时仿真、亚实时仿真 研究对象分类：化工、经济、生物 Different kinds of simulation

20. Similarity Geometric similarity Environment similarity Function similarity Similarity of thinking Physical similarity Foundation of simulation

21. New trends of simulation • 系统仿真方法学致力于更自然地抽取事物的属性和特征，寻求是模型研究者更加自然的参与仿真活动的方法 • 面向对象的仿真（object-oriented simulation） • 定性仿真（qualitative simulation） • 智能仿真（intelligence simulation） • 分布交互仿真（distributed interactive simulation） • 可视化仿真（visual simulation） • 多媒体仿真（multimedia simulation） • 虚拟现实仿真（virtual reality simulation）

22. mathematical model modeling method model verification System modeling

23. 线性系统与非线性系统 定常系统(time-invariant systems)与非定常系统 连续系统：高阶微分方程或一阶微分方程组 离散系统：高阶差分方程或一阶差分方程组 Mathematical model

24. 机理建模法（白盒） 实验建模法（系统辨识、黑盒） 综合建模法 Modeling method

25. 基于机理建模的必要条件法：进行实验设计，结果是可预测的，然后比较验证结果和预测结果是否吻合。基于机理建模的必要条件法：进行实验设计，结果是可预测的，然后比较验证结果和预测结果是否吻合。 基于实验建模的数理统计法：对模型进行大量数据测试，看输出的数据中符合期望数据在全部数据中所占比值，如果该比值大于设定的阈值，则认为模型符合要求。 实物模型验证 模型验证

26. 仿真实际上是对数学模型进行求解 数字计算机适合求数值解，而不是解析解 大部分微分方程难以得到解析解 数字仿真，就是需求对数学模型进行转换，使其适合于数字计算机求解 系统的数字仿真

27. 差商法：将导数用差分形式来近似 泰勒展开法 数值积分法：在小区间上进行积分，而小区间上的积分又可以近似为代数运算 单步法和多步法 显式算法与隐式算法：需要显示公式还得到初始值，然后用隐式公式进行迭代，如果相继两次迭代结果间的误差在设定阈值内，则为结果 “病态”问题 数值求解方法

28. Physiological systems are any systems that contribute to the functioning of the human body. These may include any of the organs, for example: cardiovascular system (blood vessels and heart) nervous system (brain, spinal cord and nerves) respiratory system (lungs, associated blood supply and bronchial tree) renal system (kidney filtration) endocrine system (hormone production, release and action) Physiological systems

29. Animal experiment Human experiment Modeling and simulation of physiological systems Physical Simulation Computer aided simulation Methods to study Physiological systems

30. 了解生理活动内部机理—适用机理建模 生理活动机理了解较少—适用系统辨识（实验建模法） 需要研究生理功能，比如药物的吸收、升华物质的分布等—适用房室模型 缺少先验知识，比如各种生理电、心音、疾病发病率—适用回归模型 Modeling methods

31. 建立物理模型 建立数学模型 对模型进行检验和修正 机理建模过程

32. 定义：在对输入和输出观测的基础上，在指定的一类系统中，确定一个与被识别系统等价的系统。定义：在对输入和输出观测的基础上，在指定的一类系统中，确定一个与被识别系统等价的系统。 辨识方法：脉冲响应、最小二乘法、极大似然法 系统辨识（实验建模法）

33. 辨识目的和先验知识 实验设计 模型类别确定 参数估计 模型验证 系统辨识的建模过程

34. 房室：房室是包含某种物质的具有一定体积的空间，在任何时刻，这些物质都分布于房室中，但也可以在房室与房室之间以及房室与外界环境之间按一定的速度转移或转换，并满足物质守恒定律。房室：房室是包含某种物质的具有一定体积的空间，在任何时刻，这些物质都分布于房室中，但也可以在房室与房室之间以及房室与外界环境之间按一定的速度转移或转换，并满足物质守恒定律。 房室模型：由若干个房室组成的系统称为房室系统，描述这类系统中物质的运动模型(包括结构框图和运动方程式)称为房室模型。 房室模型定义

35. 在实际的房室系统（特别是在生理、生态、环境等系统）中,实验条件是受到限制的。 此时，模型的参数能不能被估计出来（得到唯一的估计值），这就是模型结构的可辨识问题。 如果不具有可辨识性，就需要重新考虑模型结构。 房室模型的可辨识性

36. 神经元和神经网络 研究神经元的电活动、功能模型，以及据此组成的神经网络 神经网络的研究应用于数据挖掘、人工智能领域 血压调节系统 动脉系统模型、静脉系统模型、毛细血管模型 神经系统对血压的调节 生理仿真内容简介

37. 体温调节系统 中枢神经对体温的调控 体温控制系统的热交换模型 心脏电生理模型 心脏电生理模型 心脏状态仿真，如心肌缺血、心室肥大 生理仿真内容简介（续）

38. 血液循环系统 系统包括体循环、肺循环、心脏 血液动力学研究 循环系统整体仿真 呼吸系统 系统生理功能（外呼吸、血液传输、内呼吸） 呼吸气体方程 肺力学分析 呼吸控制系统仿真 生理仿真内容简介（续）

39. 激素与内分泌系统 血糖调节系统仿真 代谢模型 视听系统 眼球光学系统 大脑视区信息加工 视觉计算理论 听觉神经系统信息处理 生理仿真内容简介（续）

40. 姿态与运动仿真 肌肉模型 关节力学分析 步行机器人数学模型 生理仿真内容简介（续）

41. SCIRun • SCIRun is a Problem Solving Environment (PSE), for modeling, simulation and visualization of scientific problems. • SCIRun now includes the biomedical components formally released as BioPSE, as well as BioMesh3D. • SCIRun is available for free and is open source. • http://www.sci.utah.edu/cibc/software/106-scirun.html

42. SCI Run • SCIRun is developed and maintained by the NIH/NCRR Center for Integrative Biomedical Computing • It runs on Unix, Mac, Linux • The latest version is SCIRun 4.7, and the stable version is 4.6 • One can get it from http://www.sci.utah.edu/download/scirun/4.6.html

43. SCIRun • SCIRun is a modular dataflow programming Problem Solving Environment (PSE). • SCIRun has a set of Modules that perform specific functions on a data stream. Each module reads data from its input ports, calculates the data, and sends new data from output ports.

45. SCIRun

46. SCI Run

47. References • 张晓华 ，系统建模与仿真，清华大学出版社 • 齐欢，系统建模与仿真，清华大学出版社 • 郑筱祥 ，生理系统建模与仿真，北京理工大学出版社

48. Thank you ! 2014.3.13