CN115966128A - 一种仿真虚拟人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学教育技术领域，尤其涉及一种仿真虚拟人系统，包括：循环模块，用于仿真虚拟人的血液循环系统，产生虚拟人的血流相关生理指标；呼吸模块，用于仿真虚拟人的呼吸系统，产生虚拟人的呼吸相关生理指标，神经模块，用于仿真虚拟人的神经系统，并基于虚拟人的血流相关生理指标以及呼吸相关生理指标，得到虚拟人的神经冲动相关信号，并基于神经冲动相关信号，产生调节指令；生理驱动模块，用于仿真虚拟人的神经系统，并基于调节指令，对循环模块和呼吸模块进行调节和控制，通过虚拟仿真真实人的人体生理机制，以弥补实验教学的不足，为人类医学事业作贡献。

Description

一种仿真虚拟人系统

技术领域

本发明涉及医学教育技术领域，尤其涉及一种仿真虚拟人系统。

背景技术

医学教育领域不仅需要更多更专业的医疗人才，而且也需要更多的医疗医学研究成果，为卫生事业作贡献，但是，随着时代的进步，动物实验和人体实验之间存在这差别，目前的医学领域提倡无创的安全的人体实验，逐步取消部分动物实验，虽然这样的理念能够促进人类医学事业的快速进步，但是对于人体实验需要进行手术和药理病理的相关实验，这些复杂的程序将无法开展。

因此，需要一种新的手段来解决该问题，以弥补实验教学的不足。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的仿真虚拟人系统。

本发明提供了一种仿真虚拟人的系统，包括：

循环模块，用于仿真真实人的血液循环系统，产生虚拟人的血流相关生理指标；

呼吸模块，用于仿真真实人的呼吸系统，产生虚拟人的呼吸相关生理指标；

神经模块，用于仿真真实人的神经系统，并基于虚拟人的血流相关生理指标以及呼吸相关生理指标，产生虚拟人的神经冲动相关信号，并基于所述神经冲动相关信号，产生调节指令；

生理驱动模块，用于仿真真实人的大脑系统，并基于所述调节指令，对所述循环模块和所述呼吸模块进行调节和控制。

进一步地，还包括：基础信息模块，用于：

仿真真实人的基本特征，所述基本特征包括真实人的性别、年龄、身高、体重、视力以及体温。

进一步地，所述循环模块，用于基于所述虚拟人的基本特征，产生与所述虚拟人的基本特征相适应的血流相关生理指标；

呼吸模块，用于基于所述虚拟人的基本特征，产生与所述虚拟人的基本特征相适应的呼吸相关生理指标。

进一步地，所述血流相关生理指标包括：

血压、血流量、血流体积，以及血管阻力；

呼吸相关生理指标包括：

肺泡的氧分压和二氧化碳分压以及呼吸潮气量；

神经冲动相关信号包括：

缺氧反应模型产生的静脉神经的神经信号。

进一步地，所述神经模块，包括：

动脉压力感受器，用于感知循环模块产生的血压生理指标，产生第一神经脉冲信号；

外周化学感受器，用于感知呼吸模块中肺泡的氧分压和二氧化碳分压，产生第二神经脉冲信号；

肺牵张感受器，用于感知呼吸模块产生的呼吸潮气量，产生第三神经脉冲信号；

交感神经感受器，用于感知缺氧反向模型产生静脉神经的神经信号，产生第四神经脉冲信号。

进一步地，所述呼吸模块，包括：

呼吸机制单元，用于模拟呼吸气道的变化情况和胸膜腔压力的变化情况；

肺通气过程单元，用于模拟肺与外界环境之间的气体交换过程；

肺气体交换单元，用于模拟动脉中气体和静脉中气体的交换过程。

进一步地，所述循环模块基于瓦西塞克模型构建血流动力模型，所述瓦西塞克模型具体为如下公式：

V_sa＝C_sa·P_sa+V_u,sa

其中，C_sa为血管内的弹性特性，P_sa为血管内的血压，Q_lv,0为左心室基础血流量，L_sa为血管的流动惯性，R_sa为血管阻力，Q_sa为血管内的血流量，V_sa为血管容积，V_u,sa为血管无应力时的血管容积，C_sa·P_sa为血管扩张作用下的扩张容积，P_ep为内脏外的外周血管血压。

进一步地，实验模拟模块，用于接收操作者对任意目标实验的选择操作，基于所述选择操作，对所述虚拟人模拟出经过所述目标实验之后的反应。

进一步地，所述目标实验包括如下任意一种或多种：

注射和手术。

进一步地，还包括：

生理信号输出模块，用于将循环模块产生的血流相关生理指标、呼吸模块产生的呼吸相关生理指标以及神经模块产生的神经冲动相关信号的数据分别导出，以应用于各自对应的软件程序中。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供了一种仿真虚拟人的系统，包括：循环模块，用于仿真虚拟人的血液循环系统，产生虚拟人的血流相关生理指标；呼吸模块，用于仿真虚拟人的呼吸系统，产生虚拟人的呼吸相关生理指标，神经模块，用于仿真虚拟人的神经系统，并基于虚拟人的血流相关生理指标以及呼吸相关生理指标，得到虚拟人的神经冲动相关信号，并基于神经冲动相关信号，产生调节指令；生理驱动模块，用于仿真虚拟人的神经系统，并基于调节指令，对循环模块和呼吸模块进行调节和控制，通过虚拟仿真真实人的人体生理机制，以弥补实验教学的不足，为人类医学事业作贡献。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例中仿真虚拟人的系统的结构示意图。

附图标记：101-循环模块，102-呼吸模块，103-神经模块，104-生理驱动模块，105-基础信息模块，106-生理信号输出模块。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

本发明的实施例提供了一种仿真虚拟人的系统，如图1所示，包括：

循环模块101，用于仿真真实人的血液循环系统，产生虚拟人的血流相关生理指标；

呼吸模块102，用于仿真真实人的呼吸系统，产生虚拟人的呼吸相关生理指标；

神经模块103，用于仿真真实人的神经系统，并基于虚拟人的血流相关生理指标以及虚拟相关生理指标，产生虚拟人的神经冲动相关信号，并基于神经冲动相关信号，产生调节指令；

生理驱动模块104，用于仿真真实人的大脑系统，并基于调节指令，对循环模块和呼吸模块进行调节和控制。

在具体的实施方式中，该仿真虚拟人的系统，还包括：基础信息模块105，用于仿真真实人的基本特征，该基本特征包括真实人的性别、年龄、身高、体重、视力以及体温。

通过设置基基础信息模块105，可以对虚拟人的整体生理机能进行设定，比如，年龄在青年阶段的，生理机能较强，年龄在老年阶段的，生理机能较弱等等。当然，除了年龄，还可以通过性别、身高、体重、视力以及体温等等基本信息综合考虑对生理机能的影响。

通过更改虚拟人的基本特征，可以得到不同生理机能的虚拟人。

由于基本特征直接影响真实人的呼吸系统和血液循环系统，因此，循环模块101，用于基于虚拟人的基本特征，产生于虚拟人的基本特征相适应的血流相关生理指标。呼吸模块102，用于基于虚拟人的基本特征，产生与虚拟人的基本特征相适应的呼吸相关生理指标。

也就是说，虚拟人的基本特征设定的不同，直接影响该虚拟人的循环模块101所产生的血流相关生理指标以及呼吸模块102产生的呼吸相关生理指标。

其中，该血流相关生理指标包括：血压、血流量、血流体积、血管顺应性、血管阻力、心肌收缩力、心率、总血量等指标。

呼吸相关生理指标包括：气管顺应性、气管呼吸阻力、吸气末最小呼吸肌张力、呼吸频率、肺泡的氧分压、二氧化碳分压、呼吸潮气量，相关代谢率以及呼吸潮气量。

神经冲动相关信号包括：动脉压力感受器产生的第一神经脉冲信号、外周化学感受器产生的第二神经脉冲信号、肺牵张感受器产生的第三神经脉冲信号，交感神经感受器产生的第四脉冲信号、迷走神经脉冲信号、缺氧反应模型产生的静脉神经的神经信号等等。

当然，上述血流相关生理指标、呼吸相关生理指标以及神经冲动相关信号并不仅限于上述这几种，在本发明实施例中并不作限定。

其中，循环模块101基于瓦西塞克模型构建血流动力模型，该瓦西塞克模型具体为如下公式：

V_sa＝C_sa·P_sa+V_u,sa

其中，C_sa为血管内的弹性特性，P_sa为血管内的血压，Q_lv,0为左心室基础血流量，L_sa为血管的流动惯性，R_sa为血管阻力，Q_sa为血管内的血流量，V_sa为血管容积，V_u,sa为血管无应力时的血管容积，C_sa·P_sa为血管扩张作用下的扩张容积，P_ep为内脏外的外周血管血压。

通过该瓦西塞克模型构建血流动力模型，从而产生出血压、血流量、血流体积等血流相关生理指标。

该呼吸模块102，包括：呼吸机制单元，用于模拟呼吸气道的变化情况和胸膜腔压力的变化情况；肺通气过程单元，用于模拟肺与外界环境之间的气体交换过程。肺气体交换单元，用于模拟动脉中气体和静脉中气体的交换过程。

其中，呼吸气道由四部分组成，包括咽喉、气管、支气管、肺泡。每部分都由阻力属性R_j和顺应性属性C_j，该呼吸机制单元可以由呼吸机压力驱动P_vent，也可以由肌肉驱动P_mus，胸腔壁具有被动的顺应性属性C_cw，肌肉作用在胸膜壁上，产生胸膜腔内压P_pl，胸膜腔内压P_pl包围气管、支气管以及肺泡。

肺通气过程单元，根据呼吸时肺泡内的气体体积变化，调节血液中的气体浓度，并计算出气体分压，最后根据经肺气体交换过的肺循环血液浓度和不经肺气体交换的分流血液浓度混合后成为动脉血浓度，计算出血氧饱和度。

肺气体交换单元中每个组织是一个恒定的腔体，从而模拟出动脉中气体和静脉中气体的交换过程。

呼吸机制单元根据气道和肺泡产生的压力，调节肺通气过程单元的呼吸气体体积，影响血液中气体的浓度和氧分压，进而影响肺气体交换单元的气体交换过程，模拟出的胸膜腔压力对循环模块101产生影响，调整整体循环的血压。循环模块101与呼吸模块102相互影响。

神经模块103用于仿真真实人的神经系统，基于虚拟人的血流相关生理指标和呼吸相关生理指标，产生虚拟人的神经冲动相关信号，并基于该神经冲动相关信号，产生调节指令。

该神经模块103包括：动脉压力感受器，用于感知循环模块101产生的血压生理指标，产生第一神经脉冲信号；外周化学感受器，用于感知呼吸模块中肺泡的氧分压和二氧化碳分压，产生第二神经脉冲信号；肺牵张感受器，用于感知呼吸模块102产生的呼吸潮气量，产生第三神经脉冲信号，其中，该呼吸潮气量是指进行平静呼吸时每次呼出或者吸入的气量；交感神经感受器，用于感知缺氧反应模型产生的静脉神经的神经信号，产生第四神经脉冲信号。

具体地，神经模块103能够根据循环模块101和呼吸模块102的生理指标，从而产生虚拟人的神经冲动相关信号，该神经冲动相关信息最终作用于循环模块101和呼吸模块102。基于该神经冲动相关信号，产生调节指令。

接下来，生理驱动模块104，用于仿真真实人的大脑系统，并基于调节指令，对循环模块101和呼吸模块102进行调节和控制。具体地，该调节指令为心动周期的调节指令，对循环模块101和呼吸模块102进行调节和控制，具体是对呼吸肌张力和呼吸频率的调节。

通过上述的仿真，使得仿真得到的虚拟人成为一个完整意义上的人体，通过产生和模拟出真实人所具备的生理指标，类似于信号发生器，从而自动又对生理指标进行反向调节。

在该仿真虚拟人的系统中还包括：生理信号输出模块106，用于将循环模块101产生的血流相关生理指标、呼吸模块102产生的呼吸相关生理指标以及神经模块103产生的神经冲动相关信号的数据分别导出，以应用于各自对应的软件程序中。该软件程序可以采用如下任意一种编程语言：Java、C#、Python和C++。

该软件程序具体可以是，测量血压的软件，通过获取到虚拟人的血压信息，判断虚拟人的血压情况是否稳定等等。或者，监控人体健康的报警装置，通过获取道虚拟人的各种生理指标，通过匹配相应的基本特征，判断该虚拟人的健康状况是否出问题。

在该仿真虚拟人的系统中还包括：实验模拟模块，用于接收操作者对任意目标实验的选择操作，基于该选择操作，对虚拟人模拟出经过该目标实验之后的反应。其中，该目标实验包括如下任意一种或多种：注射和手术。

通过上述仿真得到的虚拟人的系统，可以模拟在该虚拟人身上进行注射、手术等有创且危险的实验，由此构建出不同病症的虚拟病人，并通过开展临床治疗等相关训练，进而使得该虚拟人能够根据不同的实验，做出最接近真实人的反应。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供了一种仿真虚拟人的系统，包括：循环模块，用于仿真虚拟人的血液循环系统，产生虚拟人的血流相关生理指标；呼吸模块，用于仿真虚拟人的呼吸系统，产生虚拟人的呼吸相关生理指标，神经模块，用于仿真虚拟人的神经系统，并基于虚拟人的血流相关生理指标以及呼吸相关生理指标，得到虚拟人的神经冲动相关信号，并基于神经冲动相关信号，产生调节指令；生理驱动模块，用于仿真虚拟人的神经系统，并基于调节指令，对循环模块和呼吸模块进行调节和控制，通过虚拟仿真真实人的人体生理机制，以弥补实验教学的不足，为人类医学事业作贡献。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种仿真虚拟人的系统，其特征在于，包括：

循环模块，用于仿真真实人的血液循环系统，产生虚拟人的血流相关生理指标；

呼吸模块，用于仿真真实人的呼吸系统，产生虚拟人的呼吸相关生理指标；

神经模块，用于仿真真实人的神经系统，并基于虚拟人的血流相关生理指标以及呼吸相关生理指标，产生虚拟人的神经冲动相关信号，并基于所述神经冲动相关信号，产生调节指令；

生理驱动模块，用于仿真真实人的大脑系统，并基于所述调节指令，对所述循环模块和所述呼吸模块进行调节和控制。

2.如权利要求1所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，还包括：基础信息模块，用于：

仿真真实人的基本特征，所述基本特征包括真实人的性别、年龄、身高、体重、视力以及体温。

3.如权利要求2所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，所述循环模块，用于基于所述虚拟人的基本特征，产生与所述虚拟人的基本特征相适应的血流相关生理指标；

呼吸模块，用于基于所述虚拟人的基本特征，产生与所述虚拟人的基本特征相适应的呼吸相关生理指标。

4.如权利要求1所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，所述血流相关生理指标包括：

血压、血流量、血流体积，以及血管阻力；

呼吸相关生理指标包括：

肺泡的氧分压和二氧化碳分压以及呼吸潮气量；

神经冲动相关信号包括：

缺氧反应模型产生的静脉神经的神经信号。

5.如权利要求4所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，所述神经模块，包括：

动脉压力感受器，用于感知循环模块产生的血压生理指标，产生第一神经脉冲信号；

外周化学感受器，用于感知呼吸模块中肺泡的氧分压和二氧化碳分压，产生第二神经脉冲信号；

肺牵张感受器，用于感知呼吸模块产生的呼吸潮气量，产生第三神经脉冲信号；

交感神经感受器，用于感知缺氧反向模型产生静脉神经的神经信号，产生第四神经脉冲信号。

6.如权利要求1所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，所述呼吸模块，包括：

呼吸机制单元，用于模拟呼吸气道的变化情况和胸膜腔压力的变化情况；

肺通气过程单元，用于模拟肺与外界环境之间的气体交换过程；

肺气体交换单元，用于模拟动脉中气体和静脉中气体的交换过程。

7.如权利要求1所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，所述循环模块基于瓦西塞克模型构建血流动力模型，所述瓦西塞克模型具体为如下公式：

V_sa＝C_sa·P_sa+V_u,sa

其中，C_sa为血管内的弹性特性，P_sa为血管内的血压，Q_lv,0为左心室基础血流量，L_sa为血管的流动惯性，R_sa为血管阻力，Q_sa为血管内的血流量，V_sa为血管容积，V_u,sa为血管无应力时的血管容积，C_sa·P_sa为血管扩张作用下的扩张容积，P_ep为内脏外的外周血管血压。

8.如权利要求1所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，实验模拟模块，用于接收操作者对任意目标实验的选择操作，基于所述选择操作，对所述虚拟人模拟出经过所述目标实验之后的反应。

9.如权利要求8所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，所述目标实验包括如下任意一种或多种：

注射和手术。

10.如权利要求1所述的仿真虚拟人的系统，其特征在于，还包括：

生理信号输出模块，用于将循环模块产生的血流相关生理指标、呼吸模块产生的呼吸相关生理指标以及神经模块产生的神经冲动相关信号的数据分别导出，以应用于各自对应的软件程序中。

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