一、课程简介

生理系统建模与仿真,是根据生理系统与工程系统的共性或相似性,建立物理的、化学的和数学的模型来模拟生理系统。因此,本学科涉及到沟通工程及生物医学两大研究领域,是一门典型的交叉学科。

通过对神经、心血管、呼吸、体温等人体生理系统建立相应的数学模型,并进行有关的系统模拟实验,使学生掌握相关生理系统的调控机制和功能特性、数学仿真建模方法、相关仿真建模软件使用方法等各个方面的知识，增强学生实际动手能力和编程仿真能力。

本门课程为公共选修课，适用于三年级以上学生选修。总学时数为32，其中理论课学时32个，2.0个学分。

二、课程目标

（一）基本理论知识

1.掌握神经元电活动的生理基础，掌握神经元电活动的模型，掌握神经元的功能模型，掌握神经网络模型及其构建方法；

2.掌握心电活动的生理基础，掌握心电仿真模型的数学物理基础，掌握心电仿真模型的组成、主要功能以及应用；

3.掌握视觉系统的神经解剖知识，掌握大脑视觉皮层信息加工的原理，掌握视觉皮层神经网络构建方法；

4.掌握体温调节系统的生理机制，掌握体温控制系统的模型构建以及简化模型，掌握体温控制系统的热交换模型及仿真；

5. 掌握呼吸系统的生理功能，掌握呼吸气体方程及其应用，掌握肺的力学分析及其建模仿真，掌握呼吸控制系统的仿真与建模

（二）基本技能

1.掌握抽象思维能力和仿真建模方法，能够把复杂的生理系统简化成相应的数学方程组，构建生理系统模型；

2.掌握分析问题和解决问题的能力，能够通过对神经、心血管、呼吸、体温等人体生理系统建立相应的数学模型,并进行有关的系统模拟实验,获取正常状态以及生理异常甚至极端异常状况下的资料,从而可寻找控制对象达到所希望状态的最优方法；

3.了解相关生理系统仿真建模的最新动向，能够较好地把握生理系统建模仿真发展的前沿。

（三）基本素质

1.通过理论知识的讲授加强对学生抽象与逻辑思维能力的培养，强调理论与实际相结合，学会利用仿真建模的方法解决现实中遇到的实际问题。

2.培养学生开拓和独立自主的学习方法，广泛阅读和收集相关资料，进一步养成尊重科学、激发探索、勇于创新、勇于实践的良好素质。

3.进一步培养学生利用辨证唯物主义的观点分析问题和解决问题的能力。根据学院的教育方针，要十分重视学生全面发展，培养为生物医学现代化服务的优秀专业人才。

三、学时分配

四、理论教学目标与内容

系统仿真建模在生理中的应用

目标

1.掌握系统及其仿真与建模的基本概念；

2.熟悉生理系统建模中常用的工程方法；

3.了解仿真建模在生理中的不同应用。

内容

1.重点阐述：①系统、建模的定义；②生理系统建模的工程方法。

2.一般介绍目前生理系统仿真建模的发展前沿及相关应用。

神经元与神经网络模型

目标

1.掌握单个神经元电活动的生理基础、神经元电活动模型；

2.熟悉神经细胞之间的突触连接和突触电位；

3.了解神经细胞的结构和分类，神经信号的检测和分析技术，神经网络的定义与模型构建方法。

内容

1.重点阐述：①神经元动作电位产生的机理；②神经元电活动的不同模型及其特点；②突触传递、电突触和化学突触；

2.详细了解:利用Matlab等软件建立神经元电活动模型的方法及操作步骤；

3.一般介绍:神经网络模型和神经信号的检测和分析技术。

心脏的电生理建模与仿真

目标

1.掌握心电活动的生理基础与数学物理基础、心电仿真模型的组成；

2.熟悉心脏电生理模型的主要功能以及应用；

内容

1.重点阐述：①心肌细胞的动作电位与静息电位的特点；②心肌细胞离子通道的基本结构和功能；③心脏兴奋传导系统；④心电仿真模型的组成和构建；

2.详细了解：①心电仿真模型的数学物理基础；②利用Matlab等软件建立心电模型的方法及操作步骤；

3.一般介绍:心脏电生理模型目前的应用及发展。

视觉系统建模与仿真

目标

1.掌握视网膜和外侧漆状体的信息加工、视觉计算理论；

2.熟悉大脑视觉皮层的信息加工；

内容

1.重点阐述：①视网膜细胞的动作电位与静息电位的特点；②视网膜信息加工和成像原理；③视觉计算理论和仿真模型的构建；

2.详细了解:大脑视觉皮层神经环路；

体温调节系统的仿真与建模

目标

1.掌握体温控制系统的生理机制、体温控制系统的简化模型；

2.熟悉体温控制系统的热交换模型以及仿真；

内容

1.重点阐述：①人体温度感受器、体温调节中枢以及体温调定点学说；②基于负反馈的下丘脑温度调控模型；③热交换模型等效电路；

2.详细了解：利用Matlab等软件建立神体温调节系统模型的方法及操作步骤。

呼吸系统的建模与仿真

目标

1.掌握呼吸系统的生理基础、呼吸气体方程、肺的力学分析；

2.熟悉呼吸系统力学模型、呼吸控制系统的仿真与建模；

内容

1.重点阐述：①肺通气、肺换气和呼吸运动的调节；②呼吸气体方程以及肺的力学分析；

2.详细了解：①呼吸系统的模型构建，包括上呼吸道模型、气管模型肺泡模型；②利用Matlab等软件建立呼吸系统模型的方法及操作步骤；

3.一般介绍:呼吸系统的生理功能、呼吸系统仿真建模目前的应用及发展。

五、措施与评价

（一）措施

1.教学组织

任课教师根据教学计划、教学对象、使用教材等预先制定教学进度表，认真编写教案，合理安排教学的各个环节。

2.教学方法

（1）讲课：讲课必须做好充分准备，课堂上要贯彻“少而精、重启发、重素质教育”的原则，课前对上节课内容进行提纲复习并提问，课后布置好学生下节课的预习内容，根据教材内容，适当分发一些相关补充资料给学员进行学习，或安排学员按要求查阅资料，注重教学方法的多样化。

（2）见习：任课教师根据教材和讲授内容，适时安排学员进行见习。见习前安排好实验电脑并协调好科室工作，有针对性、启发性地提出见习要求及需要思考和解决的问题，启发帮助学生提高观察问题、解决实际问题的能力。

（3）辅导：为了提高学生学习及自主吸收和获取知识、信息的能力，在教学进程中要求学生重视自学。课堂上检查提问，在学习方法上给予指导帮助。课后安排相对固定的时间做集体或个别辅导答疑。

（4）考核：考核内容不超过教学大纲，考核方法可多样化，包括笔试、阶段小测验，课后作业和资料查阅整理占一定比例。

（二）评价

1.授课质量评价按“教师教学质量评价表”，由督导组、同行、学生和教研室予以评定。

2.学生成绩评价依据教学大纲和理论课考试；期末考核为主，并参考平时成绩，进行综合评价,学科满分100分。

编写  赵宗亚

审校  秦鑫