- •ВВЕДЕНИЕ
- •1.1. Понятие моделирования
- •1.2. Виды моделирования
- •1.2.1. Физическое моделирование
- •1.2.2. Математическое моделирование
- •1.3. Классификация математических моделей
- •1.4. Понятие об адекватности математической модели
- •МОДЕЛИРОВАНИЯ
- •Рис.2.1. Блок-схема объекта моделирования
- •2.2. Пассивный эксперимент: общая характеристика
- •2.3. Понятие об уравнении регрессии
- •2.4. Построение линейной модели статики
- •Таблица 2.2
- •Рис.2.4. Блок-схема объекта (при n=1)
- •2.5. Регрессионный анализ результатов моделирования
- •Рис.2.6. Тональная аудиограмма при остром среднем отите
- •2.5.3. Проверка гипотезы об адекватности математической модели
- •2.6. Построение множественной линейной модели
- •2.8. Математические модели на основе активных экспериментов
- •3.2. Модели, характеризующие режим течения материального потока
- •4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БТС
- •4.1. Понятие об имитационном моделировании
- •4.2. Понятие о компартментной системе
- •5. ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ MATLAB
- •ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БТС
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учебное пособие не охватывает всех разделов дисциплины “Моделирование биологических процессов и систем”, основное внимание уделено темам, отличающимся сложным математическим аппаратом, а также моделям биологических элементов биотехнических систем, не описанных в учебной литературе.
За рамками книги остались вопросы идентификации биотехнических систем, планирование эксперимента в задачах оптимизации, эксперименты с симплекс-планированием, машинные эксперименты с моделями. С этими вопросами студенты могут познакомиться в известных учебниках по математическому моделированию [3, 8,9] и др.
Объем книги ограничил возможности рассмотрения примеров математических моделей биологических элементов биотехнических систем. Эта область исследования широко представлена в статьях и монографиях [4, 16-18].
В последние годы появились учебные пособия по моделированию, охватывающие отдельные классы биомедицинских объектов [21].
Решение задач моделирования выполняется при помощи различных программных средств и специальных систем.
Применение программной системы MATLAB позволяет студентам пользоваться огромной библиотекой уже разработанных программ (М-файлов), из которых можно подобрать близкую к своему частному примеру программу. Подробное описание команд и функций MATLAB, а также особенности работы с его средствами моделирования Simulink можно найти в [15, 20].
Описание биотехнической системы довольно часто ведется с использованием аппарата передаточных функций. Этот подход не рассмотрен в учебном пособии, т.к. вопросы создания математических описаний в области изображений по Лапласу изучаются в дисциплине “Управление в биологических и медицинских системах”. Для исследования математических моделей биотехнических систем, заданных с помощью передаточных функций, можно использовать пакет расширения MATLAB - Simulink, а также систему LabVIEW, программу PDS и ряд других.
137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Биотехнические системы: Теория и проектирование / под. ред. В.М.Ахутина. Л.: Изд-во ЛГУ, 1981. 220с.
2.Бусленко, Н.П., Моделирование сложных систем / Н.П. Бусленко М.:
Наука, 1968. 356с.
3.Советов, Б.Я. Моделирование систем / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев.М.: Высшая школа, 2001. 343с.
4.Беллман, Р. Математические методы в медицине / Р. Беллман М.:
Наука. 1987.
5.Онопчук, Ю.Н. Исследование на имитационных моделях с биоуправлением характера изменения парциальных давлений газов в организме человека при физической нагрузке и в состоянии покоя / Онопчук Ю.Н., Марченко Д.Н. // Кибернетика и техника. 1988. Вып.7.
6.Смирнов, В.А. Математическая статистика / В.А.Смирнов М.: Высшая школа, 1980.
7Норенков, И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем / И.П. Норенков М.: Высшая школа, 1980.
8.Скурихин, В.И. Математическое моделирование / В.И. Скурихин, В.Б. Шифрин, В.В. Дубровский К.: Технiка, 1985.
9.Бондарь, А.Г. Математическое моделирование. /А.Г.Бондарь К.:
Технiка, 1986.
10.Ермолаев, А.П. Тугоухость / А.П. Ермолаев М.: 1999.
11.Киндлер, Е. Языки моделирования / Е. Киндлер М.: Наука, 1989.
12.Филатова, Н.Н. Интеллектуальная система исследования слуха / Н.Н.Филатова, А.В. Бодрин, О.М. Григорьева, М.В. Калюжный, И.Н. Стрельников // Сборник трудов VIII национальной конференции по ИИ с международным участием "КИИ-2002". Т. 2. Коломна. 2002. С.600-605.
13.Максимей, И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ / И.В. Мак-
симей М.: 1989.
14.Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем / Р. Шеннон М.:
Наука, 1999.
15.Дьяконов, В.П. MatLab с пакетами расширений / В.П. Дьяконов и др. М.: Нолидж, 2001. 880с.
16.Силаев, В.А. Биоэлектрическое управление. Человек и автоматические системы / Силаев В.А. М.: Наука. 1970. 448с.
17.Аклашов, Э.А. Моделирование газообменной функции и режимов дыхания легких при искусственной вентиляции / Аклашов Э.А., Марченко Д.И., Онопчук Ю.Н. // Кибернетика и техника. 1988. Вып.7.
138
18.Зинкельман, А.Д. Модели органов слуха / А.Д. Зинкельман М.:
1985.
19.Физиология сенсорных систем / под ред. А.С.Батуева М.: Наука,
1976.
20.Дьяконов, В.П. MATLAB 6.5 SP1/7+ Simulink 5/6 /В.П. Дьяконов М.: Солон-Пресс. 2003. 576с.
21Бегун. П.И. Моделирование в биомеханике / П.И.Бегун, П.Н. Афонин М.: Высшая школа, 2004. 390с.
139
Приложения
1. Критерий Кохрена (Gtab)
|
|
|
|
|
|
f1 |
|
|
|
|
|
f2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
16 |
2 |
0.9985 |
0.9750 |
0.9392 |
0.9057 |
0.8584 |
0.8534 |
0.8332 |
0.8159 |
0.8010 |
0.7880 |
0.7341 |
3 |
0.9985 |
0.8709 |
0.7977 |
0.7457 |
0.7071 |
0.6771 |
0.6530 |
0.6333 |
0.6167 |
0.6025 |
0.5466 |
4 |
0.9985 |
0.7679 |
0.6841 |
0.6287 |
0.5895 |
0.5598 |
0.5365 |
0.5175 |
0.5017 |
0.4884 |
0.4366 |
5 |
0.8412 |
0.6838 |
0.5981 |
0.5440 |
0.5063 |
0.4783 |
0.4564 |
0.4387 |
0.4241 |
0.4118 |
0.3645 |
6 |
0.7808 |
0.6161 |
0.5221 |
0.4803 |
0.4447 |
0.4184 |
0.3980 |
0.3817 |
0.3682 |
0.3568 |
0.3135 |
7 |
0.7271 |
0.5612 |
0.4800 |
0.4307 |
0.3907 |
0.3726 |
0.3555 |
0.3384 |
0.3254 |
0.3154 |
0.2756 |
8 |
0.6798 |
0.5157 |
0.4377 |
0.3910 |
0.3595 |
0.3362 |
0.3185 |
0.3043 |
0.2926 |
0.2829 |
0.2462 |
9 |
0.6385 |
0.4775 |
0.4027 |
0.3584 |
0.3286 |
0.3067 |
0.2901 |
0.2768 |
0.2659 |
0.2568 |
0.2226 |
10 |
0.6020 |
0.4450 |
0.3733 |
0.3311 |
0.3029 |
0.2823 |
0.2666 |
0.2541 |
0.2439 |
0.2353 |
0.2032 |
12 |
0.5410 |
0.3924 |
0.3264 |
0.2880 |
0.2624 |
0.2439 |
0.2299 |
0.2187 |
0.2098 |
0.2020 |
0.1737 |
15 |
0.4709 |
0.3346 |
0.2758 |
0.2419 |
0.2195 |
0.2034 |
0.1911 |
0.1815 |
0.1736 |
0.1671 |
0.1420 |
20 |
0.3894 |
0.2705 |
0.2205 |
0.1921 |
0.1735 |
0.1602 |
0.1501 |
0.1422 |
0.1357 |
0.1303 |
0.1108 |
24 |
0.3434 |
0.2354 |
0.1907 |
0.1656 |
0.1493 |
0.1374 |
0.1286 |
0.1216 |
0.1160 |
0.1113 |
0.0942 |
30 |
0.2929 |
0.1980 |
0.1593 |
0.1377 |
0.1237 |
0.1137 |
0.1061 |
0.1002 |
0.0958 |
0.0921 |
0.0771 |
40 |
0.2370 |
0.1576 |
0.1259 |
0.1082 |
0.0968 |
0.0887 |
0.0827 |
0.780 |
0.0745 |
0.0713 |
0.0595 |
60 |
0.1737 |
0.1131 |
0.0895 |
0.0766 |
0.0682 |
0.0623 |
0.583 |
0.0552 |
0.0520 |
0.0497 |
0.0411 |
120 |
0.0998 |
0.0632 |
0.0495 |
0.0419 |
0.0371 |
0.0337 |
0.0312 |
0.0292 |
0.0279 |
0.0266 |
0.0218 |
140
2. Критерий Фишера (Ftab)
|
|
|
|
|
|
|
f1 |
|
|
|
|
|
|
f2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
8 |
12 |
16 |
24 |
50 |
100 |
2 |
18.5 |
19.0 |
19.2 |
19.3 |
19.3 |
19.3 |
|
19.4 |
19.4 |
19.4 |
19.5 |
19.5 |
19.5 |
3 |
10.1 |
9.6 |
9.3 |
9.1 |
9.0 |
8.9 |
|
8.8 |
8.7 |
8.7 |
8.6 |
8.6 |
8.6 |
4 |
7.71 |
6.94 |
6.59 |
6.39 |
6.26 |
6.16 |
|
6.04 |
5.91 |
5.84 |
5.77 |
5.70 |
5.66 |
5 |
6.61 |
5.79 |
5.41 |
5.19 |
5.01 |
4.95 |
|
4.82 |
4.68 |
4.60 |
4.53 |
4.44 |
4.40 |
6 |
5.99 |
5.1 |
4.76 |
4.53 |
4.39 |
4.28 |
|
4.15 |
4.00 |
3.92 |
3.84 |
3.75 |
3.71 |
7 |
5.59 |
4.74 |
4.35 |
4.12 |
3.97 |
3.87 |
|
3.73 |
3.57 |
3.49 |
3.41 |
3.32 |
3.28 |
8 |
5.32 |
4.46 |
4.07 |
3.84 |
3.69 |
3.58 |
|
3.44 |
3.28 |
3.20 |
3.12 |
3.03 |
2.98 |
9 |
5.12 |
4.26 |
3.86 |
3.63 |
3.48 |
3.37 |
|
3.23 |
3.07 |
2.98 |
2.90 |
2.80 |
2.76 |
10 |
4.96 |
4.10 |
3.71 |
3.48 |
3.33 |
3.22 |
|
3.07 |
2.91 |
2.82 |
2.74 |
2.64 |
2.59 |
11 |
4.84 |
3.98 |
3.59 |
3.36 |
3.20 |
3.09 |
|
2.95 |
2.79 |
2.70 |
2.61 |
2.50 |
2.45 |
12 |
4.75 |
3.88 |
3.49 |
3.26 |
3.11 |
3.00 |
|
2.85 |
2.69 |
2.60 |
2.50 |
2.40 |
2.35 |
13 |
4.67 |
3.80 |
3.41 |
3.18 |
3.02 |
2.92 |
|
2.77 |
2.60 |
2.51 |
2.42 |
2.32 |
2.26 |
14 |
4.60 |
3.74 |
3.34 |
3.11 |
2.96 |
2.85 |
|
2.70 |
2.53 |
2.44 |
2.35 |
2.24 |
2.19 |
15 |
4.54 |
3.68 |
3.29 |
3,06 |
2.90 |
2.79 |
|
2.64 |
2.48 |
2.39 |
2.29 |
2.18 |
2.12 |
16 |
4.49 |
3.63 |
3.24 |
3.01 |
2.85 |
2.74 |
|
2.59 |
2.42 |
2.33 |
2.24 |
2.13 |
2.07 |
20 |
4.35 |
3.49 |
3.10 |
2.87 |
2.71 |
2.60 |
|
2.45 |
2.28 |
2.18 |
2.08 |
1.96 |
1.90 |
30 |
4.17 |
3.32 |
2.92 |
2.69 |
2.53 |
2.42 |
|
2.27 |
2.09 |
1.99 |
1.89 |
1.76 |
1.69 |
40 |
4.08 |
3.23 |
2.84 |
2.61 |
2.45 |
2.34 |
|
2.18 |
2.00 |
1.90 |
1,79 |
1.66 |
1.59 |
50 |
4.03 |
3.18 |
2.79 |
2.56 |
2.40 |
2.29 |
|
2.13 |
1.95 |
1.85 |
1.74 |
1.60 |
1.52 |
100 |
3.94 |
3.09 |
2.70 |
2.46 |
2.30 |
2.19 |
|
2.03 |
1.85 |
1.75 |
1.63 |
1.48 |
1.39 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
141 |
|
|
3. Критерий Стьюдента (ttab) |
|
|
|
|
Число сте- |
Критерий Стьюдента |
|
пеней свободы |
|
|
1 |
12,706 |
|
2 |
4,303 |
|
3 |
3,182 |
|
4 |
2,776 |
|
5 |
2,571 |
|
6 |
2,447 |
|
7 |
2,365 |
|
8 |
2,306 |
|
9 |
2,262 |
|
10 |
2,228 |
|
11 |
2,201 |
|
12 |
2,179 |
|
13 |
2,160 |
|
14 |
2,145 |
|
15 |
2,131 |
|
16 |
2,120 |
|
17 |
2,110 |
|
18 |
2,101 |
|
19 |
2,093 |
|
20 |
2,086 |
|
21 |
2,080 |
|
22 |
2,074 |
|
23 |
2,069 |
|
24 |
2,064 |
|
25 |
2,060 |
|
26 |
2,056 |
|
27 |
2,052 |
|
28 |
2,048 |
|
29 |
2,045 |
|
30 |
2,042 |
|
142
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение |
3 |
1. Основные понятия теории моделирования биологических про- |
5 |
цессов и систем |
|
1.1. Понятие о моделировании |
5 |
1.2. Виды моделирования. |
6 |
1.2.1. Физическое моделирование |
6 |
1.2.2. Математическое моделирование |
11 |
1.2.3. Имитационное моделирование |
14 |
1.3. Классификация математических моделей |
15 |
1.4. Понятие об адекватности математической модели |
18 |
1.5. Общая характеристика методов составления математических |
19 |
моделей |
|
1.6. Контрольные вопросы |
21 |
2. Формально-статистические методы моделирования |
22 |
2.1. Общая характеристика формально-статистических методов |
22 |
2.2. Пассивный эксперимент: общая характеристика |
24 |
2.3. Понятие об уравнении регрессии |
27 |
2.4. Построение линейной модели статики |
29 |
2.5. Регрессионный анализ результатов моделирования. |
32 |
2.5.1.Проверка гипотезы об однородности выборочных диспер32 сий параллельных измерений.
2.5.2.Проверка гипотезы о значимости оценок коэффициентов 35 регрессии.
2.5.3.Проверка гипотезы об адекватности математической моде36
ли
2.6. Построение множественной линейной модели |
38 |
2.7. Построение нелинейных моделей, описывающих статиче- |
45 |
ский режим работы объекта |
|
2.8. Математические модели на основе активных экспериментов |
54 |
2.8.1. Полный факторный эксперимент |
56 |
2.8.2. Дробный факторный эксперимент |
58 |
2.8.3. Построение моделей на основе планов второго порядка |
62 |
2.8.4. Алгоритм построения регрессионных моделей на основе |
66 |
планирования экспериментов |
|
2.9. Контрольные вопросы |
71 |
3. Построение моделей элементов биотехнических систем |
74 |
3.1.Особенности задачи моделирования процессов функциони74 рования элементов биотехнических систем.
3.2.Модели, характеризующие режим течения материального 75 потока
143 |
|
3.2. Модель процессов газообмена в дыхательной системе чело- |
83 |
века |
|
3.3. Моделирование органов слуха. |
85 |
3.3.1. Особенности органов слуха, как объекта моделирования |
85 |
3.3.2. Модели наружного и среднего уха |
86 |
3.3.3. Модели улитки |
89 |
3.4. Контрольные вопросы |
101 |
4. Имитационное моделирование БТС |
103 |
4.1. Понятие об имитационном моделировании |
103 |
4.2. Понятие о компартментной системе. |
105 |
4.3. Построение методической модели на примере модели дви- |
107 |
жения йода в организме млекопитающих |
|
4.4. Алгоритмическая модель процесса |
113 |
4.5. Имитационная модель лечебного учреждения: вопросы под- |
116 |
готовки исходных данных |
|
4.6. Контрольные вопросы |
117 |
5. Применение системы MATLAB для решения задач моделиро- |
118 |
вания элементов БТС |
|
5.1. Общая характеристика системы MATLAB |
118 |
5.2. Численный анализ моделей элементов биотехнических сис- |
127 |
тем |
|
Заключение |
135 |
Библиография |
130 |
Содержание |
138 |
144
Наталья Николаевна Филатова
Моделирование биотехнических систем
Учебное пособие
Редактор Т.С. Синицына |
|
|
|
Технический редактор Г.В.Комарова |
|
||
Корректор |
|
|
|
Подписано в печать |
|
|
|
Формат |
1/16 |
|
Бумага |
Физ. печ. л. 9 |
Усл. печ. л. |
Уч.-изд. Л. |
|
Тираж 150 экз. |
Заказ |
|
Издательство Тверского государственного технического университета 170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22