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1、 生理系统建模与仿真在航天医学中的应用生命科学是人类最重要同时又是最神秘的科学之一，以至于直至科技高度发达的今日，有关生命的未知数仍然远远多于已知数。有关生命现象的研究，人们已经认识到生物科学除了沿着组织细胞分子这一愈来愈细化的分析道路外，还有从总体以及相互的观点来研究生物功能的综合研究道路。人类对其自身的研究，由于受到伦理道德和实验手段的限制，在许多方面还难于获得足够的数据，故仍然知之甚少。为揭开生命之迷，建立模型(model)并进行系统的仿真(simulation)的方法以其经济、快速、灵活等优势在生命科学的研究中有着不可替代的地位，成为通用的研究方法之一。循环系统仿真就是采用建模与仿真的
2、方法研究生命系统的一个较为成功的范例。生理学是以生物机体的功能为研究对象，是一门实验性科学，其研究方法传统上主要有两类：(1)动物实验。(2)人体实验。对于人体生理学的研究而言，若采用动物实验的研究方法，则实验动物又称为动物模型。一般而言，动物实验有三个方面的局限性。第一，动物模型往往与人体相差较大，如何将其所得结论推广至人体是个难题；第二，由于实验动物存在个体差异，为了获得具有统计规律的数据，需要大量实验，因而往往要耗费大量人力物力；第三，有些实验条件尚不具备，如一些极端条件等，或时间周期太长而无法进行实验。若用人体为实验对象，虽然可以除去上述第一限制，但其余两条仍然存在，同时由于受到伦理道
3、德的限制，许多实验不能直接在人体上进行。生理系统的建模(modeling)与仿真弥补了上述传统实验方法的不足之处，成为第三种人体生理学的研究方法。所谓生理系统的建模与仿真，即为了研究、分析生理系统而构造一个与真实系统具有某种相似的模型，然后利用这一模型对生理系统进行一系列实验，这种在模型上进行试验的过程就称为系统仿真。生理系统的建模仿真对理解复杂的生理机制有着重要的作用。一般的，生理系统的建模与仿真有两种方法：(1)物理仿真或物理模拟。(2)数学仿真。物理仿真即按照真实系统的性质而构造的实体模型，并运行这一系统而进行实验。在计算机尚未普及的时代，系统仿真主要是指物理仿真。物理仿真一般采用电路机
4、械模拟器代表生理系统的不同参数。数学仿真即系统的特性用数学模型描述，并在数学模型上进行有关实验。随着电子计算机的普及应用，许多复杂的数学问题都可通过计算机来解决。因此，数学仿真一般都是通过运行计算机程序而实现的，常称之为计算机仿真或模拟(computer simulation)。目前，系统仿真的方法已经普遍为许多领域所采用，并表现出其他实验手段所无法比拟的优越性，主要反映在以下几个方面：(1)可实现时空的伸缩。因为仿真的尺度和时间不一定等同于实际的时空尺度。因此，系统仿真常用来进行预测。(2)可实现极端或异常条件下的实验。在现有的技术水平上，有些极端条件下的真实实验无法实施。例如，一些实验对人
5、体有害，不能进行真实的人体实验；而运用模型进行仿真实验则不受这些极端条件的限制，可以随意地考察系统在各种极端条件下的可能反应。(3)可作为预研手段为真实系统的运行奠定基础。例如，在对生理系统的研究中，可通过进行大量的仿真实验找出系统的变化规律性，然后再进行少量的活体实验进行验证，这样既可节约大量实验经费，缩短实验周期，又可减少危险性和提高效率。(4)仿真实验可以灵活地进行多种实验条件的不同组合。一些生理现象有多个影响因素，常常很难通过人体或动物实验估计这些因素中每个因素对某一生理现象的贡献大小或作用意义。如果用仿真实验，则可以方便地进行不同的仿真实验，探讨这些影响因素中，哪些是主要的，哪些是次
6、要的，以及这些因素之间是否具有相互的协同或者拮抗作用。由于仿真实验方法具有上述的优势，同时也由于生理系统自身的错综复杂机制以及无扰动在体实验的缺乏，在生理系统的研究中，建立模型和系统仿真的方法已成为基本的预研手段，并已应用于几乎人体的各个生理系统的研究中，发挥着重要的作用。血液循环系统是一个重要的生理系统，也是较早且较为成功地运用了建模与仿真的方法进行研究的生理系统之一。对于血液循环的仿真研究，不仅开拓了人们对循环系统的生理病理机理的认识，还应用于对于循环系统辅助装置的优化控制方面，也取得了十分显著的成绩。循环系统完成体内的物质运输。由于循环系统在生理学上的重要地位以及其独特的与力学的广泛联系
7、，它是生理系统中较早、也是较好地将生理学和物理学结合起来的系统之一。血液循环系统仿真主要应用于三个方面的研究中：(1)用于研究循环系统的生理机制；(2)用于研究循环系统的病理机制及其治疗手段；(3)用于研究在超常环境下血液循环的变化及防护办法。建立了一个数学模型，就建造了一个实验平台，当改变模型设置或参数时，则构成了具有某些特异性的模型。对于生理系统而言，当其参量偏离正常生理范围时，则对应着某种病态或不正常。因此，通过改变生理系统模型中的各种参数的取值范围，则可构造一系列病态模型。在这些病态模型上所进行的仿真实验对研究有关的疾病发生机理以及救治手段有重要意义。例如，当在动脉模型中设置低于正常值
8、的血管弹性时，则构成了动脉硬化模型。循环系统的仿真方法还应用于新的循环系统救治的方法和装置，例如为了仿真研究低血容量性休克的生理影响可以建立一些循环系统模型，以探讨临床相应的治疗效果和措施，并代替一些动物或人体实验。随着社会和科学技术的发展，人类已逐步进入到许多超越人体生理正常环境的条件中。例如，航天飞行时宇航员处于失重或微重力环境，飞行员在飞机盘旋、筋斗等飞行时受到加速度的作用等等。在这样的超常环境下，循环系统会发生什么变化及如何预防循环系统出现异常，一直是人们所关心的问题。在实际的超常环境中进行人体实验不仅危险，难以实现；即使可实现，但耗资巨大而无法承受。如果建立了适当的循环系统模型，便可
9、通过仿真实验，构造出一些特殊的、甚至目前还无法实现的环境或条件，以考察循环系统的反应，从而达到预测的目的。同时，也可进一步研究在这些特殊条件下循环障碍的防护方法。“神舟一号”上天时并没有装上完整的系统，只有一些主要的系统， “二号”比“一号”多了一些，现在的三号又比二号多了一些，装上了模拟人的设备，比如说宇航员的生命保障系统，这套系统很复杂，造价很昂贵。 “神舟三号”上天后，将执行一些具体的空间探测和空间试验的任务，其与生命保障系统、安全返回系统相对独立的轨道舱将在发射完后留在轨道上继续工作约半年时间。 “神舟”四号上的“船长”和“神舟”三号上的“船长”是同一个“人” ，一个由仿真技术做成的模
10、拟人，包括头、躯干、四肢等 14 个部分， “他”体重 70 公斤，身体每一部分的形状与真人宇航员基本一致，能够满足航天服的穿脱，当安装在飞船座椅上时，其姿态能够与载人姿态保持一致。 “他”可以模拟宇航员在太空生活时的脉搏、心跳、呼吸、饮食和排泄等多种重要生理参数，并随时受到地面指挥中心的监控。与“神舟”三号相比， “神舟”四号的生命保障系统及相关的试验条件更为完备。太空辐射是对航天员安全的最大威胁， “神舟”四号为宇航员的太空卧室装配了绝对防辐射的设施。“模拟人” ，即拟人载荷系统，是在特殊的空间环境条件下模拟人体的相关功能，例如人体的耗氧、产热等各项生理指标，用来定量考核飞船的环境控制与生
11、命保障系统、医学监督系统和飞船的相关系统的功能。它的成功研制为实现载人飞行提供了可靠保证。 当人类进行太空飞行活动时，载人航天器的舱内大气环境是航天员赖以生存的基本环境，主要特征参数是总压、氧分压、二氧化碳分压、温度和湿度，简称五大参数。把这五大参数控制在要求的范围以内，以适应航天员的工作、生活需要，这是环境控制与生命保障系统（简称环控生保系统）的一项基本任务。这是载人航天器熵的一个重要系统，也是最具载人航天特色的系统，直接关系航天员的身体健康、工作效率和生命安全。在实现载人飞行之前，必须在无人飞船上对环控生保系统进行充分的考核，采用以物理化学的方法提供模拟的代谢负荷就是其中的一种方法。我国“
12、神舟”系列飞船上装载的“模拟人”采用物理化学的方法模拟人体耗氧、产热等代谢指标，且安全可靠，避免了用动物做实验的种种缺点：一方面，他的模拟代谢量是受控的，可以根据需要，人为地设定其代谢速率和代谢总量，保证提供给飞船地代谢负荷大小适中；另一方面，它的各项性能参数可以经遥测通道传输到地面测试中心，科研人员可以通过对参数地分析，准确地掌握其代谢模拟量，有利于对环控生保系统地工作情况作出准确地评价。而且，当飞船遇到各种应急事件时，还可以通过遥控指令对人体代谢模拟装置进行适时地开机或关机，不会影响飞船地安全。也正因为如此，生理系统的建模与仿真在航天员培训过程中也成为必不可少的重要步骤。我国航天员培训中心
13、的人员组成有航天员、航天教员与航天医生。 航天员培训中心大致分为：训练部、医学部和技术保障部三部分。各部门都有具体的分工。合格乘员组成员应具备良好的思想素质、身体素质、心理品质及对航天飞行环境的耐力和适应能力，有为祖国载人航天事业献身的精神；掌握与载人航天飞行有关的基础理论和科学技术知识，全面系统了解载人飞船概貌，包括工程总体及各系统的组成、功能和作用、工作原理、故障情况及安全措施等；应熟练掌握载人航天飞行所必须具备的各种技能，包括对飞船的操纵、控制。对运行工况的监视，对应急情况和故障的识别、判断和处理，对舱内设备的管理与维护，对各种安全保障装备、测量通信设备、日常生活与工作用品的使用和操作、
14、空间实验的操作，以及救生与生存技能。另外，合格乘员组成员应熟悉载人航天飞行的全过程与环境，包括发射、射前紧急撤离、在轨飞行、返回后出舱、回收和营救的全过程与环境，以及与地面保证人员的配合；应熟练掌握载人航天飞行各阶段正常与应急飞行程序。乘员之间应相对和谐，密切配合，必要时其岗位能相互替代，这些基本条件必不可少。而要充分掌握这些理论及在实践中充分理解、应用，航天员对人体生理系统建模与仿真方面的知识就应该有所了解和掌握；没有系统建模与仿真的方法，将在航天员训练中筑起一道很难逾越的高墙，航天教员无法真正施教，航天员也无法真正理解和体会，因为那是只有在航天旅行时才会有的特殊情况。要达到上述合格航天员的基本条件，必须对航天员进行系统全面的训练，训练周期大约 4 年。航天员训练分以下 4 个阶段进行：第一阶段：基础理论训练阶段12 个月。第二阶段：航天专业技术训练阶段20 个月。第三阶段：航天飞行任务模拟训练阶段16 个月。第四阶段：发射场发射准备阶段1 个月。参考文献：1. 沈翔.人机系统中人体运动仿真及其应用D.北京:北京航空航天大学,1995.2. 吴国兴.长期载人航天的医学和医学工程问题.中国航天.1999.043. 翔云.“神舟”飞船上的“模拟人”.太空探索.2003.08
