23系本科生课程《生物医学基础》

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顺鸭廖
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1 23 系本科生课程生物医学基础生物医学基础 (2)

2 大纲 I. 生理学 II. 生理系统建模 III. 生物医学电子学 2017/1/2 生物医学基础 (2) 2

3 生理系统建模流程图模型 : 分析和整理复杂的实验数据并验证假说的工具建立模型最重要的目标是形成新知识, 预测尚未发生的现象, 并辅助新实验的设计 2017/1/2 生物医学基础 (2) 3

4 确定模型和随机模型确定性模型 : 自变量之间, 以及自变量与因变量之间具有明确的关系随机模型 : 随时间等因素变化的随机变量实际中更常见所有确定性模型都含有测量误差, 测量误差给确定性模型带来了随机因素 2017/1/2 生物医学基础 (2) 4

5 模型计算分析模型求解解析法近似数值方法模型分析正向分析 : 建立完整模型分析系统特性, 调节参数满足预定的技术指标逆向分析 : 根据实验数据估计模型的参数, 识别系统的构成估计模型参数的方法 : 最小二乘法等 2017/1/2 生物医学基础 (2) 5

6 心血管动力学建模全身的毛细血管网 2017/1/2 生物医学基础 (2) 6

7 一各类血管的功能特点 1. 大动脉 : 具有弹性和可扩性 2. 小动脉 : 半径小阻力大 3. 小静脉 : 4. 毛细血管 : 薄透性好 5. 静脉 : 容纳循环血量 60-70% 弹性贮器血管毛细血管前阻力血管毛细血管后阻力血管物质交换血管容量血管

8 动脉血管动力学建模研究对象 : 心肌作用力和心肌活动引起的血压和血流研究方法 : 流体力学的理论 Reynold 传输定理柏努力方程 Navier-Stokes 方程等效电路电路分析的理论方法 2017/1/2 生物医学基础 (2) 9

9 ( 二 ) 血压 Blood Pressure 概念 : 血管内的血液对血管壁的侧压力不流动时的侧压力称体循环平均压 ( 充盈压 ); 流动时的侧压力称血压 ( 分动静脉血压 ) 产生条件 : 1 血管内血液的充盈度推血流动 2 血流的动力 = 心射血力对管壁侧压力扩张管壁 ( 势能 ) 3 血流的阻力 = 能量的消耗 : 血压渐降

10 动脉系统负荷的等效电路模型 2017/1/2 生物医学基础 (2) 11

11 动脉负荷模型 2017/1/2 生物医学基础 (2) 12

12 例题根据给出的动脉系统模型原件的经典参数, 计算在动脉瓣关闭时的血压 p(t), 并作出一个心搏周期的 p(t) 曲线 (t=0~1s) 2017/1/2 生物医学基础 (2) 13

13 ( 二 ) 心室的泵血 1. 心室收缩期 (1) 等容收缩期 : 心室开始收缩室内压急剧 ( 左室内压近 80mmHg) 房室瓣关闭 ( 动脉瓣仍处于关闭状态 ) ( 容积不变血液不流 ) 继续收缩快速射血期

14 2. 心室舒张期 (1) 等容舒张期 : 心室开始舒张心房压 < 心室压 < 动脉压动脉瓣关闭, 房室瓣关闭容积不变血液不流

15 分析 C dp dt 1 R p( t) Q( t)(1 Z R 0 s ) Z0 s s C s dq dt C s dp dt 1 R s p( t) /1/2 生物医学基础 (2) 16

16 方程求解齐次一阶线性微分方程通解 : yce P( x) dx C ( C e 1 ) 因此原方程有解 : p( t) p 0 e t R s C s 如何选择初始血压值? 2017/1/2 生物医学基础 (2) 17

17 各段血管的压力梯度 : 主 A:100mmHg 小 A:85mmHg Cap:30mmHg V 始 :10mmHg 心房 ( 大 V): 0

Matlab 计算结果 120 动脉血压随时间变化曲线 110 100 血压 (mmhg) 90 80 70 60 0 0.

18 Matlab 计算结果 120 动脉血压随时间变化曲线血压 (mmhg) 时间 2017/1/2 生物医学基础 (2) 19

19 心脏力学心室的弹性系数 : dpv Ev dv 实际使用的近似公式 : pv Ev V v v 2017/1/2 生物医学基础 (2) 20

20 ( 二 ) 心室的泵血 1. 心室收缩期 (1) 等容收缩期 : 心室开始收缩室内压急剧 ( 左室内压近 80mmHg) 房室瓣关闭 ( 动脉瓣仍处于关闭状态 ) ( 容积不变血液不流 ) 继续收缩快速射血期

21 弹性系数的改进公式 E v V v pv ( t) ( t) V d Vd: 容积常数 1. 误差线表明曲线的方差很大 2. 曲线形状明显不对称 2017/1/2 生物医学基础 (2) 22

22 改进的左心室力学模型 2017/1/2 生物医学基础 (2) 23

23 改进的模型 2017/1/2 生物医学基础 (2) 24 ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) (1 ) (1 ) ( ) ( r b p c p r b c t t t t t t v v v e e e e d cv b V a p

24 例题计算初始容积分别为 V v = ml 时狗心脏的等容心室血压 p v (t) 狗的等容心室压力曲线心室压力 Pv[mmHg] 时间 [s] 2017/1/2 生物医学基础 (2) 25

25 参数对曲线的影响等容心室压力曲线狗 -70 狗 -150 人 -70 人 -150 心室压力 Pv[mmHg] 时间 [s] 2017/1/2 生物医学基础 (2) 26

26 心血管系统建模仿真左心室模型同动脉血管负荷模型联合, 就可以模拟射血过程 2017/1/2 生物医学基础 (2) 27 dt dq C Z R Z Q t t p R dt dp C s s s s 0 0 ) )(1 ( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) (1 ) (1 ) ( ) ( r b p c p r b c t t t t t t v v v e e e e d cv b V a p

27 正常和病变动脉系统模拟正常病变 Ved: 心室舒张末期容积 ;SV: 每搏输出量 ;EF: 射血分数对称实线 : 心室等容曲线 ; 非对称实线 : 实际心室曲线 ; 虚线 : 心室输出量曲线 2017/1/2 生物医学基础 (2) 28

28 心室弹性系数 2017/1/2 生物医学基础 (2) 29 ) ( ) ( ) ( ) ( ) (1 ) (1 ) ( 2 ), ( r b p c p r b c t t t t t t v v v e e e e c b V a V t E v v v dv dp E ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) (1 ) (1 ) ( ) ( r b p c p r b c t t t t t t v v v e e e e d cv b V a p

29 正常心室心室衰竭 2017/1/2 生物医学基础 (2) 30

30 细胞膜的生理学建模 2017/1/2 生物医学基础 (2) 31

31 Fick 定律 J ( 扩散 ) D d[ I] dx J: 扩散引起的离子流量 [I]: 离子浓度 dx: 膜的厚度 D: 扩散系数, 单位为 m 2 /s; d[i]/dx: 浓度梯度 2017/1/2 生物医学基础 (2) 32

32 欧姆定律 J ( 迁移 ) uz[ I] J: 在电场作用下离子的迁移通量 ; u: 迁移率 Z: 离子价 ( 所带电荷数目 ) [I]: 离子浓度 v: 膜电位 dv/dx: 电场强度 dv dx 2017/1/2 生物医学基础 (2) 33

33 爱因斯坦方程 KT D q D: 扩散系数 u: 迁移率 K: 玻尔兹曼气体常数 T: 热力学温度 q: 单位电荷 2017/1/2 生物医学基础 (2) 34

34 离子通透膜的静息电位迁移扩散净流量 : KT d[ K ] J k Z[ K ] q dx dv dx 2017/1/2 生物医学基础 (2) 35

35 能斯特 (nernst) 方程稳态情况下 : 0 KT q d[k dx ] Z[K ] dv dx K 离子的能斯特方程 : E k v i v o KT q ln [K [K ] ] o i 2017/1/2 生物医学基础 (2) 36

36 道南 (Donnan) 平衡道南平衡方程 : [K [K ] ] o i [Cl [Cl ] ] i o 空间电荷平衡原则 : 在给定空间中阳离子数目与阴离子数目相等, 呈电中性 2017/1/2 生物医学基础 (2) 37

37 例题假设细胞膜对 K+ 和 Cl- 通透, 但对较大的阳离子 R+ 不通透初始条件为 [KCl] i =100mmol/L, [RCl] i =500mmol/L, [KCl] o =400mmol/L, 计算稳态时的平衡离子浓度 [KCl]100mmol/L [KCl]167mmol/L [RCl]500mmol/L [KCl]400mmol/L [RCl]500mmol/L [KCl]333mmol/L + Vm=18mV /1/2 生物医学基础 (2) 38

38 枪乌贼与神经生理学 2017/1/2 生物医学基础 (2) 39

39 古德曼 (Goldman) 方程特点 : 定量描述 Vm 与各种 (n>=2) 可通透离子之间的关系只适用于膜电位恒定的情况 ( 静息电位 ) 以 K+, Cl- 和 Na+ 三种离子为例 : v m KT q ln Pk [K P [K k ] ] o i P P Na Na [Na [Na ] ] o i P P Cl Cl [Cl [Cl ] ] i o 2017/1/2 生物医学基础 (2) 40

40 例题计算枪乌贼巨神经纤维的跨膜电位 2017/1/2 生物医学基础 (2) 41

41 离子泵当细胞膜处于静息状态时, 膜两侧维持稳定的电位需满足以下 2 个条件 : 细胞膜对某些离子不通透细胞膜上存在主动离子泵 2017/1/2 生物医学基础 (2) 43

42 细胞膜的电动势电阻和电容特性电动势特性 2017/1/2 生物医学基础 (2) 44

43 电阻特性 2017/1/2 生物医学基础 (2) 45

44 三种离子的等效电路 2017/1/2 生物医学基础 (2) 46

45 电容特性 2017/1/2 生物医学基础 (2) 48

46 作业第 12 章习题 P.632 第 1 题第 6 题 ( 根据 P.601 表 12.2 数据 ) 2017/1/2 生物医学基础 (2) 49

47 大纲 I. 生理学 II. 生理系统建模 III. 生物医学电子学 2017/1/2 生物医学基础 (2) 50

48 生物医学电子学具备传感器的生物医学仪器系统 2017/1/2 生物医学基础 (2) 51

49 生物医学传感器广泛用于临床医学和生物学研究中的各种生理参数测量, 是医疗诊断仪器的重要组成部分分类 : 在体侵入式非侵入式按照测量量的类型又可分为 : 物理传感器电学传感器化学传感器生物传感器 ( 酶抗体或者受体生物识别元件, 选择性结合被测物质 ) 2017/1/2 生物医学基础 (2) 52

50 生物电检测心电图记录电极涂有 AgCl 导电膏的聚脂薄膜吸盘吸盘接头泡沫 2017/1/2 生物医学基础 (2) 53

51 生物电检测肌电图记录电极脑电图记录电极 2017/1/2 生物医学基础 (2) 54

52 生物医学检测技术的发展趋势未来临床医学的发展趋势 : 降低费用提高效率尽可能提供低成本高质量的服务检测技术的发展 : 快速的筛查技术病人自我检查技术即时诊断仪器设备走出医院, 来到病人身边 2017/1/2 生物医学基础 (2) 55

53 移动健康 2017/1/2 生物医学基础 (2) 56

54 移动健康与大数据 2017/1/2 生物医学基础 (2) 57

55 生物信号处理生物医学信号分析技术 : 基本方法 : 放大滤波数字化和存储等高级数字信号处理方法 : 信号平均 ( 统计信号处理 ) 小波分析人工智能等 2017/1/2 生物医学基础 (2) 58

56 信号平均测量信号 : x i ( t) x( t) n( t) x(t) 无噪声信号, n(t) 独立的噪声测量信号中的噪声由多个不同的噪声源产生, 各次实验记录中随机噪声都不同 ECG 测量中干扰来源 : 肌肉呼吸仪器内部电子噪声 50Hz 工频干扰难以预料的心脏搏动变化等 2017/1/2 生物医学基础 (2) 59

57 信号平均生物医学信号多为周期信号血压血流心电图所有记录的叠加平均信号, 得到典型的生物医学信号后, 再根据平局波形计算各个参数连续信号 : 离散信号 : 1 x( t) N 1 x( k) N N i1 N i1 x i ( t) x i ( k) 2017/1/2 生物医学基础 (2) 60

58 例题 ( 新版 p ) 2017/1/2 生物医学基础 (2) 61

59 血压信号的平均 2017/1/2 生物医学基础 (2) 62

60 脑干听觉反应 EEG 记录信号的平均 2017/1/2 生物医学基础 (2) 63

61 人工智能技术人工智能 (Artificial Intelligence,AI): 利用计算机实现人类智能, 其实现方法包括 : 模糊逻辑专家系统神经网络在图像处理语音和生物医学信号处理生物医学仪器等领域中有广泛应用 2017/1/2 生物医学基础 (2) 64

62 模糊逻辑传统计算 : 精确数值 0.01 < 0.5 模糊逻辑的计算 : 基于语言变量而不是数字来模拟人类的推理过程描述体温时, 高烧高于正常值低于正常值冰凉等 2017/1/2 生物医学基础 (2) 65

63 模糊逻辑的基本元素模糊逻辑的基本元素是模糊集各组之间不存在精确划分, 而是用语言变量来分类, 如青年中年和老年 2017/1/2 生物医学基础 (2) 66

64 模糊系统模糊系统由多条规则组成, 常用规则为语言变量组成的 if/then 语句例如, 按年龄分类的模糊集的两条简单规则 : If 病人是青年,then 用治疗方案 A If 病人是中年或老年,then 用治疗方案 B 模糊系统的优点 : 如果信息量很有限或者很复杂, 不能进行准确的数值计算, 则模糊逻辑比传统的数值计算有明显优势 2017/1/2 生物医学基础 (2) 67

65 专家系统人工智能中的一个重要应用领域, 实现了人工智能从理论研究走向实际应用从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重大突破具有大量的专门知识与经验的程序系统, 应用人工智能技术和计算机技术, 根据某领域专家提供的知识和经验, 进行推理和判断, 模拟人类专家的决策过程, 以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题 2017/1/2 生物医学基础 (2) 68

66 专家系统要素 :1) 包含领域专家的大量知识 ;2) 类似人类专家思维的推理能力 ;3) 利用知识解决实际问题在多个领域中已经得到广泛应用, 如医学专家系统个人理财专家系统寻找油田的专家系统贷款损失评估专家系统各类教学专家系统 2017/1/2 生物医学基础 (2) 69

67 专家系统的构造 2017/1/2 生物医学基础 (2) 70

68 应用 : 动物识别专家系统 2017/1/2 生物医学基础 (2) 71

69 应用 : 医疗专家系统年龄患者 ID 年龄经常抽烟基因突变癌症 >55 岁高风险是是基因突变 <=55 岁抽烟否否低风险决策树构建高风险低风险 2017/1/2 生物医学基础 (2) 72

70 人工神经网络人工神经网络 (Artificial Neural Network,ANN) 用于模仿并复制出真实大脑的功能, 从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 按不同的连接方式组成不同的网络, 目前人工智能领域的热点方向最近十多年来, 人工神经网络的研究工作不断深入, 已经取得了很大的进展, 其在模式识别智能机器人自动控制预测估计生物医学经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题, 表现出了良好的智能特性 2017/1/2 生物医学基础 (2) 73

人类大脑的构成人脑由一千多亿 (1011 亿 - 1014 亿 ) 个神经细胞 ( 神经元 ) 交织在一起的网状结构组成, 其中大脑皮层约 140 亿个神经元, 小脑皮层约 1000 亿个神经元神经元约有 1000

71 人类大脑的构成人脑由一千多亿 (1011 亿亿 ) 个神经细胞 ( 神经元 ) 交织在一起的网状结构组成, 其中大脑皮层约 140 亿个神经元, 小脑皮层约 1000 亿个神经元神经元约有 1000 种类型, 每个神经元大约与个其他神经元相连接, 形成极为错综复杂而又灵活多变的神经网络人的智能行为就是由如此高度复杂的组织产生的, 浩瀚的宇宙中, 只有包含数千忆颗星球的银河系的复杂性能够与大脑相比 74

72 生物神经元的结构 ( 输出 ) 神经冲动 ( 输入 ) 生物神经元结构 75

73 生物神经元的特点工作状态 : 兴奋状态 : 细胞膜电位 > 动作电位的阈值神经冲动抑制状态 : 细胞膜电位 < 动作电位的阈值学习与遗忘 : 由于神经元结构的可塑性, 突触的传递作用可增强和减弱 76

74 人类大脑的特点能实现无监督的学习功能冗余性处理信息的效率极高善于归纳推广具有自我意识 2017/1/2 生物医学基础 (2) 77

75 神经网络的计算模型 2017/1/2 生物医学基础 (2) 78

76 人工神经网络特点 : 非线性分布式并行计算自适应自组织问题 : 模型复杂参数过多训练困难非线性激活函数 2017/1/2 生物医学基础 (2) 79

77 视觉系统信息处理机制大卫休伯尔 1981 年诺贝尔医学生理学奖 2017/1/2 生物医学基础 (2) 80

78 深度神经网络近年来通过算法大数据和 GPU 计算等软硬件条件的不断进步, 深度神经网络技术出现了革命性突破! 2017/1/2 生物医学基础 (2) 81

你必须要一个巨大的引擎和许多燃料深度学习 ( 创建人工智能的关键流程之一 ) 也是同样的道理, 火箭引擎就是深度学习模型, 而燃料就是海量数据,

79 神经网络发展的关键要素我觉得人工智能就像是去构建一艘火箭船你需要一个巨大的引擎和许多燃料如果你有了一个大引擎, 但燃料不够, 那么肯定不能把火箭送上轨道 ; 如果你有一个小引擎, 但燃料充足, 那么说不定根本就无法成功起飞所以, 构建火箭船, 你必须要一个巨大的引擎和许多燃料深度学习 ( 创建人工智能的关键流程之一 ) 也是同样的道理, 火箭引擎就是深度学习模型, 而燃料就是海量数据, 这样我们的算法才能应用上 - 吴恩达 ( 在线教育平台 Coursera 的联合创始人斯坦福大学计算机科学系和电子工程系副教授百度公司首席科学家 ) 有关人工智能中深度学习的火箭理论

80 神经网络发展的关键要素未来趋势 : 神经网络大小和数据的多少对人工智能发展的影响火箭燃料 : 语音数据的改变 By Andrew Ng, Spark Summit 2016

81 神经网络的颠覆性突破深度学习图像处理智能竞技语音识别

82 神经网络在生物医学领域的应用 AlphaGo 下个目标是什么? IBM Waston 现在在干什么?

83 神经网络在生物医学领域的应用百度医疗 : 连接医患 + 人工智能百度医疗大脑希望让机器学习医生的看诊行为, 属于人工智能, 健康设备平台可连接智能医疗硬件, 收集医疗数据 2015 年 10 月, 百度与北京协和医学院合作开展食管癌研究项目将协和的优质资源和百度的大数据人工智能技术全基因组测序技术结合百度将提供癌症从预测到诊断从诊断到治疗的整个医疗闭环数据支持我需要百度用它的大数据和人工智能的技术来解决这个问题

84 健康信息学实验室 (HIlab) 欢迎你! 研究方向 : 信号信息处理人工智能大数据深度神经网络理论与应用图像处理健康大数据挖掘 ( 生物医学可穿戴设备和群体消费活动数据等 )

85 健康信息学实验室 (HIlab) 欢迎你! 学科前沿 : 国际流行的前沿科研方向, 智能化是信息科学领域的趋势和未来! 理实结合 : 算法理论编程实践项目开发团队合作等多方面知识技能形式灵活 : 国创大研助研等多种方式 2017/1/2 生物医学基础 (2) 88

86 HIlab2017 年国创团队申请项目医学影像人工智能机器人的设计卫星图像的超分辨率分析和多目标识别 2017/1/2 生物医学基础 (2) 89

87 祝大家新年快乐考试顺利! 2017/1/2 生物医学基础 (2) 90

幻灯片 1

幻灯片 1 第三章血液循环右心 : 泵血入肺循环 ; 左心 : 泵血入体循环毛细血管第一节心脏的生物电活动能. 心脏是血液循环的动力器官也具有内分泌功心脏的主要功能是泵血, 心脏不断地有秩序的协调的收缩与舒张, 是实现泵血功能的必要条件, 而心脏的这种功能是依赖于心肌细胞的生理特性 : 兴奋性传导性收缩性自律性心肌细胞分类 : 1. 普通心肌细胞 ( 工作细胞非自律细胞 ): 心房肌

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