Telemedicine and Teaching远程医疗与教学论STELLA软件在医学教育与研究领域中的应用何建璋 周毅 杜守洪 罗雪琼①＊②①摘 要 医学领域研究的是复杂动态系统，该类系统很多试验难以用常规方法实现。通过实例介绍了基于SD的建模仿真软件STELLA系统及其在医学教学和科研工作中的应用。利用STELLA系统动力学的方法来进行仿真研究可达到事半功倍的效果。关键词 医学教育 系统动力学 STELLA 仿真 Doi:10.3969/j.issn.1673-7571.2013.09.027The Application of STELLA in the Field of Medical Education and Research / HE Jian-zhang, ZHOU Yi, DU Shou-hong, et al//China Digital Medicine.-2013 8(9): 83 to 84Abstract The medical field is a complex dynamic system, a lot of this kind of system test is difficult to use conventional methods. This article breaks down the modeling simulation software system-STELLA which is based on SD and its application in the medical teaching and research work, finally came to the conclusion that approach for studying the simulation conclusion with STELLA system can achieve twice the result with half the effort.Keywords medicine education, system dynamics, STELLA, simulationFund project National Natural Science Foundation Project (No. 61263011); Project of Basic Business Expenses for Scientific Research of Central Universities (No. 11ykpy07); Natural Science Foundation Project of Guangdong Province (No. S2011010005309)Corresponding author Zhongshan School of Medicine, Guangzhou 510080, Guangdong Province, P.R.C.1 引言系统动力学（System Dynamics，SD）的方法是麻省理工学院的Jay W.Forrester教授于20世纪50年代中创立的。随着信息技术的发展，到90年代以后，SD方法在世界范围内开始得到广泛的传播，其应用领域涉及到经济、能源、交通、环境、生态、生物、医学、工业、城市等。SD的原理是把系统看成一个具有多重信息因果反馈的机制，SD通过剖析系统、建立因果关系反馈图，之后再转变为系统流图、建立SD模型，最后通过专门的仿真软件来完成对真实系统的结构模拟与分析，从而找到较优的解决问题的办法。STELLA是一种基于SD的建模仿真软件，是第一个将系统思维方式带入到桌面系统的软件，主要目的是帮助人们以整体的、系统的观点来思考问题，动态地展现和表达复杂系统和概念的实际工作原理和过程。在教学和科研工作中，当研究对象较复杂、动态反馈过程较多、常规实验较难验证时，采用STELLA建模来进行模拟试验与分析，不仅方便观察和描述研究对象的动态变化过程，以上的难题也都迎刃而解。[2][1]2 数学背景[3-4]STELLA构建于一个结构严谨的数学模型体系，它是以常微分方程组的形式来实现的（见图1）。基金项目：国家自然科学基金项目（编号：61263011）；中央高校基本科研业务费项目（编号：11ykpy07）；广东省自然科学基金项目（编号：S2011010005309）＊通讯作者：中山大学中山医学院，510080，广东省广州市中山二路74号①中山大学中山医学院，510080，广东省广州市中山二路74号②新疆医科大学医学工程技术学院，830011，乌鲁木齐市新医路393号83第8卷第9期远程医疗与教学Telemedicine and Teaching 图1 Map层示意图 (4)第一步，对模型进行离散化，这里选用有限差分法，可得到： (5)第二步，在STELLA中画出流程图（见图2）；图4 对比试验结果图1所反映的数学方程式是：脉注射模型、口服或肌肉注射模型。第六步，比较三种用药方式，从中找出较优的用药方案。 图2 Model层示意图4 结语利用SD方法来分析复杂的系统动态，观察在不同条件下的系统的响应过程，已经成为动态大系统研究的发展趋势。在医学领域中，除了药物动力学，还有细菌的繁殖、流行病学、糖尿病健康等也都是复杂的动态系统，都可以用SD方法来进行辅助分析和研究。在医学教育上，由于STELLA 人机界面友好，输入输出形式灵活，用于教学也有利于激发学生的学习兴趣，培养学生的系统思考能力，有效提高教学质量和教学效果。所以，假以时日，SD方法和STELLA工具一定会得到医学领域科学家和教育家们的重视和应用，成为现代医学发展的新潮流。参考文献 [1] 张彦琦, 潘传波,张玲,等.系统动力学方法在慢性病管理中的应用[J].成都医学院学报 2012,7(1):18-21. [2] Barry Richmond.An Introduction to Systems Thinking.Isee Systems,Inc,2008.[3] Michael L,Deaton, James J. Winebrake. Dynamic Modeling of Environmental System .Springer-Verlag New York,Inc,1999.[4] 张力菠.基于系统动力学的管理决策建模研究[D].南京:南京理工大学,2001.[5] 戴明强.数学模型及其应用[M].北京:科学出版社,2007.【收稿日期：2013-04-15】【修回日期：2013-08-07】（责任编辑：刘华）[1]STELLA求常微分方程组数值解的算法有三种，分别是欧拉法（Euler）、2阶龙格-库塔法（2nd-order Runge-Kutta）和4阶龙格-库塔法（Classical Runge-Kutta）。但是，使用者不需要直接构造艰深的数学方程式，只需通过图形化的语言来确定模型中各变量之间的关系（Model层中的数学关系），输入特定变量的初值，然后选定算法、计算步长和时间范围，最后启动模型运行，就可以得到所需变量的数值或者变化曲线了，因为复杂的求解运算完全是由STELLA自动完成的。第三步，输入(5)公式，给x赋初值0，将k设定为0.4，k0设定为1；第四步，选择步长是1，时间范围是15小时，运行模型，即可得到图3的结果。 a 图形结果 3 应用初探[2,5]药物动力学是一门研究药物、毒物及其代谢物在机体内的吸收、分布、代谢和排泄过程定量规律的科学，经过多年的发展，药物动力学模型已经很成熟，下面就以最简单的单房室系统模型为例，演示一下用STELLA工具来进行现代医学定量分析研究的步骤。假定药物以恒定的速率k0进行静脉滴注，药物在体内的消除速率为k，则体内药量x随时间的变化规律的数学模型如下： b 数值结果 图3 模型运行结果第五步，调整参数k0分别为1、1.2、1.4进行对比性试验，得到图4的结果。从结果可知，体内药量在静脉注射后随时间上升，经过相当长的时间后，体内的药量将趋于一个稳定的水平，与解析解的结果相吻合，而且静脉滴注速率越大，最后体内药量的稳定水平就越高。同样的方法也可应用到药物动力学的另外两个模型中——快速静84第8卷第9期
论STELLA软件在医学教育与研究领域中的应用
