试议数字人体建模进展

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一、数字人体力学模型

数字人体力学模型具有几何学、运动学、动力学的特征，主要有:数字人体多体系统力学模型、数字人体非完整系统力学模型、数字人体变质量系统力学模型、数字人体碰撞系统力学模型、数字人体破坏系统力学模型、数字人体流体系统力学模型、数字人体极端系统力学模型。人体是由多种不同物质结构组成，因此，可用若干塑性、流变体、流体、弹性体组成的系统模型加以描述，构建数字人体多体系统力学模型，一般采用“有限段建模法”;把人体系统作为一个非完整的系统，来进行力学研究，更接近人体系统的实际，构建数字人体非完整系统力学模型，其最大优点是在定量分析和模拟分析时，可将边界条件动态的进行;构建数字人体变质量系统力学模型，主要包括变质量人体系统的牛顿力学和分析力学，是研究人体质量变化物体的运动及作用力之间的关系;构建数字人体碰撞系统力学模型，主要包括人体的外部碰撞、碰撞后人体的响应、人体与环境的关系;对于人体内部的液体流动、组织间液体的非线性交换、对流，构建数字人体流体系统力学模型;对于人体内部的温度、压力，构建数字人体极端系统力学模型，比如对流、辐射、热应力和高温低温疲劳试验模型。

二、数字人体信息模型

数字人体信息模型是有关人体系统物质流、能量流、信息流的性质、时空变化、特征、运动状态的模型。人体信息是指有关人体诸要素的物质和能量的性质、特征和状态表征的知识，包括物质信息和能量信息，数据是信息的载体。数据是未经处理的数字、文字、声音、图像等，而信息是以有意义的形式加以排列和处理的数据。构建数字人体信息模型，用以研究人体系统信息机制，从信息流的角度，探讨人体系统信息的结构、性质、获取和处理。研讨人体系统的物质流、能量流、信息流所形成的机制，从而构建数字人体信息模型。一般来说，产生人体系统物质流、能量流的基础理论是有差异性、非均衡理论、耗散结构理论、引力场理论，而物质流、能量流又是信息流的基础。构建数字人体信息模型，可以对人体系统信息的机制、产生、获取、处理、传播等规律进行研究。包括:数字人体认知模型、信息图谱模型、全息信息模型、记忆信息模型等。

三、数字人体基因模型

1985年美国科学家率先提出人类基因组计划，1990年美国、英国、法国、德国、日本、中国科学家分工合作，正式启动了人类基因组计划，测定人染色体30亿个核苷酸序列的碱基组成，现在已注释的人类编码基因34057个，功能基因12404个。医学界已经发现，有些疾病是遗传病致病基因所致，比如亨廷顿舞蹈病、遗传性结肠癌、乳腺癌等是单基因遗传病致病基因所致，而心血管疾病、肿瘤、自身免疫性疾病、老年性痴呆、精神分裂症等则是多基因疾病。利用基因技术构建数字人体基因模型，进行遗传图谱绘制、物理图谱绘制、基因序列测定、基因序列中个体差异的辨识、基因鉴定、基因功能分析是数字人体的一个重要方面。基因技术的应用及建模，使数字人体向更深层次迈进，绘制人基因图谱，进而发现人类基因并确定其染色体位置，破解人类遗传信息。科学家们正在对大规模基因组、大规模基因功能表达谱进行信息分析，对完整基因组进行比较研究，力求发现新基因。构建数字人体基因模型是人类基因组计划的一个重要组成部分，已有可喜的进展，基因诊断、基因治疗、疾病易感基因的识别已在医学领域得到了初步应用。

四、数字人体蛋白质模型

人们已知细胞膜上镶嵌着蛋白质，然而要了解蛋白质的功能，就要找到这些蛋白质的分子基础，就必须进一步知道蛋白质的三维结构，当然，要设计药物也需要了解相应蛋白质受体的三维结构，受体和蛋白质特异性结合及相互作用的过程。因此，构建数字人体蛋白质模型是医学界和科学家的一个重要课题。蛋白质的相互作用、生物大分子的结构模拟与药物设计可以说是今后生物信息学的研究重点。有学者从60种球形蛋白质的结构出发，采用MiyazawaJernigan相互作用矩阵，计算了蛋白质分子中氨基酸之间的相互作用能，发现构成蛋白质分子的20种氨基酸可分成疏水、中性、亲水基团，在计算它们之间相互作用能的基础上，建立了蛋白质分子的HNP格点模型。还有学者采用PLS变量筛选法(是一种建立大数据模型有效方法)，在蛋白质一级结构中的二联氨基酸与蛋白质二级结构的模型的基础上，构建了蛋白质一级结构中的三联氨基酸个数与蛋白质二级结构个数模型。数字人体建模包括:数字人体可视化模型、数字人体虚拟模型、数字人体数学模型、数字人体力学模型、数字人体信息模型、数字人体基因模型、数字人体蛋白质模型。可视化人体和虚拟人体的研究已经取得了丰硕的成果，其它数字人体建模的研究虽然还处于初始阶段、基础阶段，但已经取得了可喜的曙光，其前景十分广阔。

作者：侯鹏高单位：皖北卫生职业学院