Cardiovascular and Respiratory Systems心血管和呼吸系统的建模，分析和控制 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Batzel, Jerry J./ Kappel, Franz/ Schneditz, Daniel/ Tran, Hien T.

出品人:

页数:274

译者:

出版时间:2006-12

价格:958.00元

装帧:

isbn号码:9780898716177

丛书系列:

图书标签:

• 心血管系统
• 呼吸系统
• 建模
• 分析
• 控制
• 生物医学工程
• 系统工程
• 生理学
• 数学建模
• 控制理论

一本全面探讨心血管与呼吸系统复杂性的著作，聚焦于利用先进的数学建模、数据分析与精密控制技术，深入理解并优化这两个至关重要的生命支持系统。本书旨在为读者提供一个深入的视角，揭示这些系统在健康与疾病状态下的动态行为，并探索如何通过科学方法介入和调节。 核心内容概述： 第一部分：心血管系统建模与分析 本部分将系统性地介绍心血管系统的解剖生理基础，并在此基础上，深入探讨构建模型的技术。 心血管系统的生理学基础： 血液动力学： 详细解析血液在血管中的流动原理，包括压力、流量、阻力、血管弹性和粘度的相互作用。我们将考察不同类型血管（动脉、静脉、毛细血管）的结构与功能特点，以及它们对整体血流动力学的影响。 心脏功能： 深入研究心脏的电生理活动（心电活动及其传播）、机械泵血功能（心室收缩与舒张、瓣膜功能）、心肌细胞的生理特性以及心脏的自主神经与体液调节机制。 外周血管调控： 探讨神经体液因素（如儿茶酚胺、血管紧张素、一氧化氮、内皮素等）如何精确调控血管的收缩与舒张，以及这些调控如何维持全身血压和灌注。 血液成分与循环： 介绍血液的基本成分（红细胞、白细胞、血小板、血浆）及其在氧气运输、免疫防御、止血等过程中的作用，以及它们对血液粘度和整体循环的影响。 心血管系统数学建模技术： 集中参数模型（Lumped-parameter models）： 介绍如何使用电阻-电容-电感（RCL）类比来简化和模拟心血管系统的关键组成部分，如心脏腔室、大血管、外周血管床。重点讲解这些模型在模拟血压、容积、流量等宏观生理参数中的应用。 分布式参数模型（Distributed-parameter models）： 探讨如何通过偏微分方程来描述血液在血管网络中的连续流动，考虑血管的几何形状、弹性以及血液的粘弹性。我们将介绍一维和多维模型，以及它们在捕捉局部血流动力学特征中的优势。 多尺度建模： 阐述如何将不同尺度的模型（从分子、细胞到器官、系统）进行整合，以更全面地理解心血管系统中的复杂相互作用。例如，将细胞水平的离子通道模型与整体血流动力学模型相结合。 生物力学建模： 重点关注心肌的力学行为、瓣膜的动态变形以及血管壁的应力-应变关系。介绍有限元方法（FEM）在模拟这些生物力学现象中的应用。 数据驱动模型： 探讨如何利用实验数据（如血压、心电图、血流速度、影像学数据）来构建和校准心血管模型，以及机器学习和统计方法在模型参数估计和验证中的作用。 心血管系统分析方法： 时域与频域分析： 分析生理信号（如心电图、血压波形）的时域特征，并通过傅里叶变换等方法进行频域分析，以识别周期性、振荡模式和潜在的病理生理信息。 非线性动力学与混沌理论： 探讨心血管系统中的非线性现象，如心率变异性（HRV）的分析，以及混沌理论在理解系统稳健性和失稳机制中的应用。 稳定性分析： 应用动力学理论来评估心血管系统在不同生理或病理条件下的稳定性，预测潜在的失稳模式（如休克、心律失常）。 参数敏感性分析： 评估模型参数的变化对系统输出的影响程度，以识别关键的生理参数以及它们在疾病发生发展中的重要性。 第二部分：呼吸系统建模与分析 本部分将聚焦于呼吸系统的结构、功能及其动力学行为，并介绍相应的建模和分析技术。 呼吸系统的生理学基础： 气体交换： 详细阐述肺泡与毛细血管之间的气体扩散机制（氧气与二氧化碳的交换），影响因素（如表面积、膜厚度、分压梯度），以及通气/血流比例（V/Q）失调的机制。 呼吸力学： 深入研究肺、胸廓的弹性与阻力，驱动呼吸的肌肉（膈肌、肋间肌）的功能，以及胸腔内压、肺内压、气道压、跨肺压等关键参数的变化。 呼吸控制： 探讨中枢和外周化学感受器（感知CO2、O2、H+浓度）在调节呼吸频率、潮气量和呼吸功中的作用，以及神经中枢（脑干）的整合功能。 气道结构与功能： 分析不同级别气道的解剖特点，气道阻力与气道平滑肌张力的关系，以及粘液纤毛清除系统的作用。 呼吸系统数学建模技术： 集中参数模型： 利用电阻-容积（R-C）类比来模拟气道阻力、肺顺应性以及呼吸肌产生的力。介绍这些模型在模拟气体流动、肺容积变化和呼吸功中的应用。 分布式参数模型： 采用偏微分方程描述气体在复杂气道网络中的流动，考虑气道分支、壁阻力以及气体扩散。 气体动力学模型： 模拟气体在肺泡内的混合以及气体交换过程，考虑扩散和对流的协同作用。 呼吸控制模型： 构建模型来描述化学感受器和呼吸中枢的响应，以及它们如何反馈调节呼吸运动。 生物力学模型： 模拟呼吸肌的收缩、胸廓的运动以及肺的膨胀与回缩，分析呼吸过程中的力学负荷。 多尺度呼吸模型： 整合气道、肺泡、血液循环以及呼吸控制等不同尺度的模型，以捕捉呼吸系统的整体行为。 呼吸系统分析方法： 肺功能测试分析： 解释如何利用肺活量（VC）、用力肺活量（FVC）、第一秒用力呼气容积（FEV1）、最大呼气流量（PEF）等指标来评估肺功能，并分析其背后的动力学原理。 气体动力学分析： 分析肺泡气体浓度随时间的变化，评估气体交换效率。 呼吸力学分析： 评估呼吸功、呼吸阻力、肺顺应性等力学参数，识别呼吸系统中的力学障碍。 波形分析： 分析呼吸气体流量、压力、容积等生理信号的波形特征，识别异常模式。 系统辨识： 利用呼吸系统对外部刺激（如吸入气体成分改变）的响应数据，辨识系统的动力学特性。 第三部分：心血管与呼吸系统的相互作用及控制 本部分将整合前两部分的内容，探讨这两个系统如何协同工作，并介绍控制理论在维持和调节这些系统功能中的应用。 心血管与呼吸系统的耦合机制： 氧气与二氧化碳的相互影响： 详细阐述呼吸系统如何将氧气输送到血液，并排出二氧化碳，以及这些气体如何直接影响心血管系统的功能（如心率、血压）。 血压对呼吸的影响： 探讨循环血量和血压变化对呼吸驱动的影响。 神经体液的共同调控： 分析自主神经系统（交感神经与副交感神经）和某些体液因子（如肾上腺素）如何同时影响心血管和呼吸系统的活动。 整体稳态维持： 讨论这两个系统如何协同作用，维持内环境的稳定，满足机体对氧气和能量的需求。 心血管与呼吸系统的控制理论应用： 反馈控制系统： 将心血管和呼吸系统视为复杂的反馈控制系统，分析其内在的负反馈和正反馈机制。 模型预测控制（MPC）： 介绍如何利用心血管和呼吸系统的模型来预测未来状态，并设计最优控制策略，以达到特定的生理目标。 自适应控制： 探讨如何设计能够根据系统生理状态的变化而实时调整控制参数的控制器，以应对动态变化的需求。 鲁棒控制： 研究如何在存在不确定性（如模型误差、外部干扰）的情况下，设计能够保证系统稳定性和性能的控制器。 先进控制策略： 介绍更高级的控制技术，如模糊逻辑控制、神经网络控制等，在处理复杂非线性系统中的潜力。 临床应用实例： 有创/无创通气（Mechanical Ventilation）： 讨论如何利用控制理论来设计更精细的呼吸机控制策略，以优化通气效果，减少肺损伤。 心律失常的药物或电生理调控： 分析如何利用模型和控制原理来指导抗心律失常药物的选择或起搏器的参数设置。 人工心肺支持（ECMO）的优化： 探讨如何利用控制理论来优化ECMO的流量、氧合等参数，以最大程度地支持患者的生命。 药物输注的精确控制： 例如，如何根据患者实时的生理参数（血压、心率、血氧饱和度）来调整血管活性药物的输注速率。 本书的价值与目标读者： 本书面向对生理学、生物医学工程、系统生物学、控制科学和计算科学领域感兴趣的研究人员、工程师、医生和高级学生。通过提供一个扎实而全面的理论框架，并结合最新的建模与分析工具，本书旨在： 1. 深化理解： 帮助读者建立对心血管和呼吸系统复杂生理机制的深刻理解。 2. 提升分析能力： 教授读者运用数学和计算方法来分析复杂的生理数据和系统行为。 3. 驱动创新： 为开发更有效的诊断工具、治疗策略和医疗设备提供理论基础和技术指导。 4. 促进跨学科交流： 搭建连接生命科学、工程学和医学领域的桥梁。 本书的叙述将力求清晰、严谨，并辅以丰富的图表、公式推导和案例分析，旨在成为一本重要的参考资料，推动相关领域的研究和应用向前发展。

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对于一个在实际工程领域工作的人来说，这本书的价值不仅在于理论的深度，更在于其潜在的应用前景。书中后半部分对“适宜性控制”（Admittive Control）在呼吸机设计中的应用探讨，让我眼前一亮。它不仅仅是告诉你如何构建一个模型，更是启发你如何利用这个模型去设计出能够更智能地适应病人需求的医疗设备。作者深入讨论了如何使用先进的PID控制或更复杂的模糊逻辑来替代传统的手动设置，以减少对病患肺部的损伤。这种从基础建模到前沿设备设计的无缝衔接，体现了作者深厚的跨学科背景。这本书无疑是为那些打算从事高级生命支持系统研发、生物医学仪器设计，或者进行深入临床生理学研究的专业人士量身定制的，它为你提供了解决未来复杂问题的“蓝图”。

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这本书的叙事风格非常“工程师化”，它不煽情，不渲染生物之奇妙，而是用冷峻的逻辑和严密的符号系统来解构生命。我注意到，书中对“控制论”的运用是贯穿始终的主线。比如在呼吸控制部分，作者详细分析了化学感受器（颈动脉体和主动脉弓）的输入信号如何通过中枢神经系统进行整合，最终形成对呼吸频率和深度的指令。他们甚至构建了一个多变量反馈回路图，清晰展示了酸碱平衡、二氧化碳分压和氧气水平之间的相互制约关系。对我而言，这本著作的最大价值在于它提供了一套通用的方法论——如何将一个生物系统视为一个需要被“调谐”的复杂机器。通过书中提供的这些模型，我开始以一种全新的、可预测的眼光看待呼吸窘迫或心律失常等病理状态，不再只是被动接受医学描述，而是尝试去寻找“控制系统”中的故障点。

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这本书的图表和插图质量极高，每一张图表都承载了大量信息，绝非花瓶式的装饰。特别是那些关于血管床阻力与顺应性耦合的图示，它们将复杂的流体力学概念可视化得非常到位。我记得其中有一张图清晰地展示了不同口径血管壁张力与全身血压之间的非线性关系，这对于理解高血压的病理生理机制至关重要。再比如，书中对心肺耦合系统的分析，它展示了吸气时胸腔内负压变化是如何反过来影响静脉回心血量和左心室充盈的。这种跨系统、跨尺度的整合分析能力，是其他专注于单一器官系统的书籍所不具备的。它迫使读者跳出“心”或“肺”的单一框架，用一个更大、更统一的视角去审视整个循环呼吸网络作为一个整体是如何协同运作的。

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坦白说，初次阅读这本书的时候，我感到了一种强烈的智力挑战，这绝对不是那种可以轻松快速读完的书籍。它需要的不仅仅是基本的微积分知识，更要求读者对系统动力学有深刻的理解。我对其中关于心室泵血功能的建模印象最为深刻。作者并没有采用简单的水泵类比，而是引入了更复杂的本构关系，考虑了心肌收缩力的时变特性和心肌组织的粘弹性。他们甚至探讨了将卡尔曼滤波应用于实时估计射血分数等关键参数的可能性，这在临床监测中具有巨大的实用价值。我花了整整一个周末才完全消化了关于心肌电生理活动如何转化为机械收缩力的那一章节，其中涉及到对动作电位传播路径的偏微分方程求解。这本书的严谨性体现在每一个细节上，它拒绝一切近似和简化，坚持用最底层的物理原理去推导宏观现象，这使得它在学术价值上无可匹敌，但同时也对读者的数学功底提出了极高的要求。

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这本厚重的《心血管和呼吸系统的建模、分析和控制》与其说是一本教科书，不如说是一部精妙的工程学巨著。我初次翻开它时，立刻被其对复杂生物系统的结构化处理方式所折服。作者没有停留在对生理现象的简单描述，而是深入到微分方程和状态空间模型的构建层面。例如，书中对肺部气体交换过程的数学描述，简直是艺术品。它详尽地展示了如何将氧气和二氧化碳在肺泡与血液间的扩散过程，用一组耦合的非线性常微分方程精确捕捉。那些关于伯努利原理在气道阻力模型中的应用，以及如何利用傅里叶分析来解析呼吸运动的周期性，都让我体会到，即便是最自然的生理活动，背后也遵循着严谨的物理和数学规律。我尤其欣赏它对“控制”这一概念的引入，它不仅仅是描述系统如何运行，更探讨了反馈机制（比如赫尔默兹-霍尔丹反射）是如何精确调节心率和通气量的。对于任何想从工程角度理解生命体稳态维持机制的人来说，这本书提供了一个无与伦比的理论框架，它远超出了我预想中生物医学工程书籍的深度。

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