復(fù)雜非線性系統(tǒng)中的混沌第六章ppt課件.ppt

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1、第六章心臟系統(tǒng)中的混沌6.1　生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中混沌的研究現(xiàn)狀、意義及展望6.2心電信號的數(shù)據(jù)采集實驗6.3　心電信號的分析與計算6.1.1　心臟系統(tǒng)中混沌的研究在20世紀(jì)80年代，混沌帶來了一種新的生理學(xué)。以混沌理論為工具，美國和加拿大的幾個研究小組發(fā)現(xiàn)了動力學(xué)心臟。但混沌和分形理論應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，仍不象起應(yīng)用在其它領(lǐng)域（如湍流和機(jī)械系統(tǒng)）那樣廣泛和充分徹底。6.1.1.1Glass等人的工作Vanderpol和Vandermark在早期的一篇文章中就提出可用耦合的非線性震蕩器來模擬心律。改變震蕩器的相對頻率，有可能復(fù)制出多種不同的心律異常?；谶@種思想，Glass和他的McGill大

2、學(xué)的同事做了雞胚心肌細(xì)胞團(tuán)離體實驗。實驗結(jié)果心肌細(xì)胞團(tuán)離體實驗歷程中具有復(fù)雜的動力學(xué)性態(tài)6.1.1.1Glass等人的工作盡管Glass等人的實驗證實了混沌可以在一個生理系統(tǒng)中人為地產(chǎn)生，但他認(rèn)為，對于正常心臟中的混沌遠(yuǎn)沒得到證明。為此Glass研究了兩類延遲方程。單變量延遲微分方程式(6.3)x是被控變量，?是?時刻x的值x?的非線性函數(shù)，式(6.3)亦可寫為6.1.1.1Glass等人的工作具有多項延遲的微分方程如圖6.2給出具有各自時間延遲的多個反饋回路同時起作用來控制變量P。假定xi是?i時刻的被控變量的非線性函數(shù)。6.1.1.2Goldberger等人的工作雖然混沌可以在生理系統(tǒng)中

3、人為地產(chǎn)生，但混沌能自然地出現(xiàn)嗎？為此，以Goldberger為首的科學(xué)家對此進(jìn)行了深入研究Goldberger對正常心臟和有病心臟作了深入研究后得出：心臟竇性心律在正常情況下可能是混沌的，在病理狀態(tài)下則變得有序1988年，Goldberger和Rigney曾對嚴(yán)重心臟病患者的非躺臥心電圖作過一次追溯性研究。6.1.1.2Goldberger等人的工作QRS復(fù)合波的功率譜，圖解Goldberger維6.1.1.3作者的研究工作及發(fā)展方向作者創(chuàng)造性地設(shè)計并曾實施了用于心臟系統(tǒng)非線性研究的犬的PHCA實驗，并應(yīng)用混沌理論對實驗過程中幾個溫度臺階上采集的大量心電信號進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，支持了Go

4、ldberger的觀點(diǎn)。在此之后我們又采集了人的心電信號，基于人犬心電動態(tài)生理信息混沌特征的對比，得出如下的結(jié)論：隨著物種的進(jìn)化，心臟系統(tǒng)自然生理節(jié)律的混沌性可能愈加顯著，混沌可能成為生物進(jìn)化的某種標(biāo)志。6.1.2神經(jīng)系統(tǒng)中的混沌神經(jīng)系統(tǒng)中的混沌，對于研究神經(jīng)細(xì)胞膜的離子通道特性、神經(jīng)興奮模式、神經(jīng)系統(tǒng)信息編碼方式、神經(jīng)細(xì)胞相互連接和相互作用等基本生理特征，對于診斷某些神經(jīng)系統(tǒng)功能失調(diào)、缺損等疾病，都是非常重要的。最近國外幾個實驗室獲得的證據(jù)已經(jīng)表明，混沌是神經(jīng)系統(tǒng)的其它組成部分的正常特征。其他一些研究人員還模擬了神經(jīng)細(xì)胞之間的相互作用以弄清混沌是如何產(chǎn)生的。6.1.3混沌在生物醫(yī)學(xué)工程其他

5、領(lǐng)域中的應(yīng)用混沌和分形理論可以用于模擬或仿真許多生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的自相似結(jié)構(gòu)利用混沌理論還可對生物醫(yī)學(xué)工程中一些復(fù)雜的現(xiàn)象進(jìn)行短期預(yù)測科學(xué)家的研究還表明，生物反饋系統(tǒng)、細(xì)胞代謝、人的眼球、雪小板生成系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)中都存在混沌現(xiàn)象。當(dāng)人衰老時，這些系統(tǒng)、器官的混沌程度降低，呈簡單的規(guī)則變化。6.1.4混沌理論在生物醫(yī)學(xué)工程研究中的作用與意義混沌與生物醫(yī)學(xué)工程的聯(lián)系是必然的。混沌是研究復(fù)雜的不規(guī)則動力系統(tǒng)的理論，而生物系統(tǒng)這一高度非線性系統(tǒng)，顯然是再合適不過的研究對象了將非線性理論引入生物學(xué)去探索生物進(jìn)化的規(guī)律，又有助于清除人們思想中長期占統(tǒng)治地位的舊思維模式的影響，使人們清晰地認(rèn)識到世界的非

6、線性本質(zhì)，為生物學(xué)家探索生物進(jìn)化的規(guī)律提供了一種先進(jìn)而又具有現(xiàn)實意義的方法6.2.1.1溫度傳感器器系統(tǒng)的構(gòu)成在PHCA實驗中，犬的體溫是反映心臟系統(tǒng)運(yùn)動的一個重要生理參量，為了準(zhǔn)確掌握及控制犬鼻咽溫度的變化，作者研制了溫度傳感器。溫度傳感器系統(tǒng)由熱電偶溫度計、8520A數(shù)字萬用表、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口和APPLE-II機(jī)組成。其結(jié)構(gòu)如圖6.2.1.1溫度傳感器器系統(tǒng)的構(gòu)成6.2.1.2熱電偶溫度計的制備熱電偶工作原理圖根據(jù)銅-康銅熱電偶的分度表，知該熱電偶溫度計可精確測得0.025?C，由銅-康銅熱電偶的校準(zhǔn)曲線圖6.6，知其可估測到0.01?C。6.2.1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立自動測

7、試系統(tǒng)信號采集的BASIC主程序流程圖恢復(fù)輸出、輸入設(shè)備的匯編子程序流程圖6.2.1.4小結(jié)（i）該溫度傳感器制作簡單，應(yīng)用面廣，適合于一切實驗室實時連續(xù)測溫；與控制設(shè)備相結(jié)合，亦可起到控溫的作用。（ii）該溫度傳感器采用廉價金屬熱電偶，且能抵抗?jié)駳獾那治g，又可用在真空、氧化、還原及中性氣氛中，在低溫測量中具有很高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。（iii）通過對四個溫度臺階上的溫度信號和心電信號的相關(guān)分析，為觀察心臟系統(tǒng)在