开题报告：颅内高压动力学的数学模型（课件）.ppt

1、开题报告的内容与格式l一一.立论依据立论依据l 研究的意义研究的意义l 国内外研究现状国内外研究现状l 参考文献参考文献l二二.研究方案研究方案l 1.研究目标和研究内容研究目标和研究内容l 研究目标研究目标l 研究内容研究内容l 拟解决的关键问题拟解决的关键问题l 2.研究方法和可行性分析研究方法和可行性分析l 拟采取的研究方法拟采取的研究方法l 研究程序（技术路线）研究程序（技术路线）l 可行性分析可行性分析l 3.本研究的特色技创新之处本研究的特色技创新之处l 4.预期研究进展和成果预期研究进展和成果l三三.论文大纲论文大纲l开题报告举例开题报告举例 1：l项目名称：颅内高压动力学的数学

2、模型项目名称：颅内高压动力学的数学模型l一一.立论依据（项目的研究意义、国内外现状分析、立论依据（项目的研究意义、国内外现状分析、l 所涉及的学科领域、科学价值）所涉及的学科领域、科学价值）l项目的研究意义与科学价值：项目的研究意义与科学价值：l 颅内高压症是涉及神经内、外科和内科等多学科颅内高压症是涉及神经内、外科和内科等多学科 和多种疾病的一种综合症。和多种疾病的一种综合症。l以往的传统手术由于自身操作的特点，以往的传统手术由于自身操作的特点，l在治疗疾病的同时也会无法避免的给病人人带来巨大在治疗疾病的同时也会无法避免的给病人人带来巨大的创伤的创伤l有时这种创伤本身会给病人造成严重的后果。

3、有时这种创伤本身会给病人造成严重的后果。l我们的颅内高压动力学的数学模型研究项目我们的颅内高压动力学的数学模型研究项目l对颅内高压动力学进行基于数学模型的无创的对颅内高压动力学进行基于数学模型的无创的连续定量分析连续定量分析l以数学统计学的方法使基于血压血流量数据的以数学统计学的方法使基于血压血流量数据的无创测量颅内压成为可能。无创测量颅内压成为可能。l实现了无须开刀、安全轻松、没有并发症、术实现了无须开刀、安全轻松、没有并发症、术后恢复快的目标。具有很高的可预期的临床应后恢复快的目标。具有很高的可预期的临床应用价值。用价值。l国内外研究现状及分析：国内外研究现状及分析：l人脑处于密闭的刚性颅

4、腔内。人脑处于密闭的刚性颅腔内。l早期的颅内压（早期的颅内压（ICP）动力学数学模型设置的参数较）动力学数学模型设置的参数较少少lMarmarou最早的模型综合了其他各种指标解决了一最早的模型综合了其他各种指标解决了一定问题定问题l此后的研究者借助解剖学、生理学及病理生理学研究此后的研究者借助解剖学、生理学及病理生理学研究结果揭示了颅内压各种指标的关系。结果揭示了颅内压各种指标的关系。l到到1987年，数学模型研究已逐渐具有临床应用价值，年，数学模型研究已逐渐具有临床应用价值，但不构成对但不构成对ICP动力学的全部解释。动力学的全部解释。l近年来，我院的前辈们对该模型进行了改进，得到了近年来，

5、我院的前辈们对该模型进行了改进，得到了一些有意义的研究成果，但仍有许多值得继续深入探一些有意义的研究成果，但仍有许多值得继续深入探讨的问题讨的问题 l涉及的学科领域：涉及的学科领域：神经内、外科学神经内、外科学 内科内科 统计学统计学 数数学与应用数学学与应用数学l（二）研究目标、内容、拟解决的关键问题（二）研究目标、内容、拟解决的关键问题l 以及成果形式以及成果形式l研究目标：研究目标：l 建立完善的数学模型解释颅内压的生理过程，通过建立完善的数学模型解释颅内压的生理过程，通过可测颅内各种生理指标以及常量预可测颅内各种生理指标以及常量预 测估计颅内压。测估计颅内压。l研究内容：研究内容：l

6、颅内血压、血流量与颅内压关系的研究颅内血压、血流量与颅内压关系的研究l 利用北京市人民医院提供的各种数据进行综合整理，利用北京市人民医院提供的各种数据进行综合整理，运用所学知识进行数学模型的研究。运用所学知识进行数学模型的研究。l拟解决的关键问题：拟解决的关键问题：l 1 观测已知颅内压数据的准确性观测已知颅内压数据的准确性l 2 在没有任何关于颅内压先验数据的条件下如何在没有任何关于颅内压先验数据的条件下如何根据血压和血流量的数据得到颅内压的估计值根据血压和血流量的数据得到颅内压的估计值独到之处独到之处l目前医学界还没有能够用于临床的无创颅内压目前医学界还没有能够用于临床的无创颅内压检测仪。

7、检测仪。l这个项目的成功本身就是数学统计知识在实际这个项目的成功本身就是数学统计知识在实际应用中的一个飞跃。应用中的一个飞跃。l同时也是医学界、神经外科的一个创新。同时也是医学界、神经外科的一个创新。l成果形式：成果形式：l研究成果将以论文形式发表，并运用于人民医研究成果将以论文形式发表，并运用于人民医院临床医学的研究。院临床医学的研究。l开题报告举例开题报告举例2l论论 文文 题题 目目：l功能基因组的复杂逻辑网络及其应用研究功能基因组的复杂逻辑网络及其应用研究 l一、立论依据（选题的研究意义、国内外研究现一、立论依据（选题的研究意义、国内外研究现状分析）状分析）l随着基因芯片等高通量数据采

8、集技术的发展，大随着基因芯片等高通量数据采集技术的发展，大量生物数据涌现，为系统地从基因水平研究生物量生物数据涌现，为系统地从基因水平研究生物学提供了丰富的素材，也发展出许多有效的数据学提供了丰富的素材，也发展出许多有效的数据分析方法。分析方法。l但是生物学的研究仍然明显地面对这样的局面：但是生物学的研究仍然明显地面对这样的局面：一方面海量的实验数据在日益增长，另一方面却一方面海量的实验数据在日益增长，另一方面却只有少量的蛋白质（或基因）功能机理为人类所只有少量的蛋白质（或基因）功能机理为人类所知，导致为功能基因组建立机理模型变得困难。知，导致为功能基因组建立机理模型变得困难。l这意味着传统的

9、依赖生物实验的方法已经难以高这意味着传统的依赖生物实验的方法已经难以高效率地揭示复杂的生物现象和规律。效率地揭示复杂的生物现象和规律。l2004年年Bowers系统地建立了对蛋白质系统发生系统地建立了对蛋白质系统发生谱数据的逻辑分析方法（谱数据的逻辑分析方法（logic analysis of phylogenetic profiles，简称，简称LAPP），正在改），正在改变这样的局面。变这样的局面。l由于对一个复杂系统来说，清楚地了解所有元素由于对一个复杂系统来说，清楚地了解所有元素（或部件）之间的关系是十分困难的，直接进行（或部件）之间的关系是十分困难的，直接进行机理性建模并不是普遍可行

10、的。机理性建模并不是普遍可行的。lLAPP与通常的机理建模方法不同，它是一种从与通常的机理建模方法不同，它是一种从元素的表达数据出发，通过一系列有效的逻辑分元素的表达数据出发，通过一系列有效的逻辑分析，发现元素之间的逻辑关联性的方法。析，发现元素之间的逻辑关联性的方法。l这就使得通过数据分析建立逻辑性的机理模型成这就使得通过数据分析建立逻辑性的机理模型成为可能。为可能。l在生物学中，随着研究的不断深入，研究者已经在生物学中，随着研究的不断深入，研究者已经不满足于揭示元素（蛋白质、基因）之间简单的不满足于揭示元素（蛋白质、基因）之间简单的相关性，还希望知道两个（或多个）元素之间具相关性，还希望知

11、道两个（或多个）元素之间具有有“怎样怎样”的相关性。的相关性。lLAPP方法可以揭示这些元素之间更深入的关系，方法可以揭示这些元素之间更深入的关系，即逻辑关系，而即逻辑关系，而LAPP方法能够批量地发现这类方法能够批量地发现这类逻辑关系。逻辑关系。l这种方法可以帮助生物医学研究者了解一些未知这种方法可以帮助生物医学研究者了解一些未知蛋白或基因之间的可能的逻辑功能，从而通过实蛋白或基因之间的可能的逻辑功能，从而通过实验发现它们之间新的生物学机理。验发现它们之间新的生物学机理。l由于由于LAPP方法具有上述意义，方法具有上述意义，l自自Bowers的开创性工作后的几年来，这个方法在理的开创性工作后

12、的几年来，这个方法在理论、算法和应用上都有了新的发展。论、算法和应用上都有了新的发展。l发现的逻辑关系很自然地从一阶、二阶发展到三阶和发现的逻辑关系很自然地从一阶、二阶发展到三阶和更高阶的逻辑；更高阶的逻辑；l并且一些作者还提出新型逻辑：一个原因多个结果的并且一些作者还提出新型逻辑：一个原因多个结果的逻辑类型和与取值有关的逻辑类型；逻辑类型和与取值有关的逻辑类型；l除了除了U值算法可以发现元素之间的逻辑关系之外，还值算法可以发现元素之间的逻辑关系之外，还有贝叶斯方法等概率算法和数据挖掘算法，用于发现有贝叶斯方法等概率算法和数据挖掘算法，用于发现数据中的逻辑关系。数据中的逻辑关系。l在应用方面，

13、逻辑分析不仅应用在系统发生谱在应用方面，逻辑分析不仅应用在系统发生谱数据上（离散数据）去揭示未知蛋白的功能，数据上（离散数据）去揭示未知蛋白的功能，l还应用在肿瘤的基因表达数据上分析致病机理，还应用在肿瘤的基因表达数据上分析致病机理，给临床治疗提出建议，给临床治疗提出建议，l甚至结合其他形式的数据一起分析各种类蛋白甚至结合其他形式的数据一起分析各种类蛋白之间的关系。之间的关系。l同时，同时，LAPP方法也有其缺陷和困难之处，在方法也有其缺陷和困难之处，在应用方面也远没有推广。应用方面也远没有推广。l因此，因此，LAPP方法无论在理论、算法和应用上方法无论在理论、算法和应用上都具有广阔的发展空间

14、。都具有广阔的发展空间。l复杂系统是当今科学与工程研究中最常见的对象复杂系统是当今科学与工程研究中最常见的对象l在系统中，元素之间和子集之间具有一定关联性在系统中，元素之间和子集之间具有一定关联性l这些关系及其全体的组合成为系统的结构。这些关系及其全体的组合成为系统的结构。l用连线、箭头或者加权的边表示，其整体构成网络图用连线、箭头或者加权的边表示，其整体构成网络图（无向、有向、加权等等），（无向、有向、加权等等），l因此，复杂系统对应着复杂网络。因此，复杂系统对应着复杂网络。l生物学家经常利用大规模网络来研究复杂的生物学现生物学家经常利用大规模网络来研究复杂的生物学现象，例如生物学中的各种系

15、统（血液、内分泌、解剖、象，例如生物学中的各种系统（血液、内分泌、解剖、功能基因等）。功能基因等）。l更有意义的是，用更有意义的是，用LAPP方法揭示复杂网络中元素方法揭示复杂网络中元素（部件）之间的因果关系或制约关系之后，启发人们（部件）之间的因果关系或制约关系之后，启发人们对网络的调控发展出更多更有效的方法。对网络的调控发展出更多更有效的方法。l在研究和揭示生物学现象的复杂性和规律性中，这种在研究和揭示生物学现象的复杂性和规律性中，这种系统的方法显然有相当的价值。系统的方法显然有相当的价值。l因此，因此，LAPP方法也是生成复杂逻辑网络的一个重要方法也是生成复杂逻辑网络的一个重要方法，可以

16、用于其他领域的复杂系统的研究方法，可以用于其他领域的复杂系统的研究l将将LAPP方法应用到构建复杂功能基因组网络中，并方法应用到构建复杂功能基因组网络中，并对基因网络进行结构分析与调控。对基因网络进行结构分析与调控。l目前通过文献检索并未发现有关方面的研究报告目前通过文献检索并未发现有关方面的研究报告l基于此，提出了本文的研究。基于此，提出了本文的研究。l二、研究方案二、研究方案l1研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题l研究目标研究目标l 使用模拟计算的方法大规模的研究基因表达调控网使用模拟计算的方法大规模的研究基因表达调控网络，络，l建立一种分析多元基因非

17、线性逻辑关系和基因表达调建立一种分析多元基因非线性逻辑关系和基因表达调控网络模型的方法，控网络模型的方法，l为分子生物学家提供一种细胞分子通路和基因表达网为分子生物学家提供一种细胞分子通路和基因表达网络分析的方法分析手段和参考模型。络分析的方法分析手段和参考模型。l研究内容研究内容l生物体本身是一个复杂系统，网络模型是对复杂系统生物体本身是一个复杂系统，网络模型是对复杂系统的高度抽象。的高度抽象。l本文主要研究生物中的基因网络。本文主要研究生物中的基因网络。l用用LAPP方法建立功能基因组（或蛋白）之间的逻辑方法建立功能基因组（或蛋白）之间的逻辑关系，由此生成功能基因组的高阶逻辑网络，关系，由

18、此生成功能基因组的高阶逻辑网络，l并对高阶逻辑网络拓扑结构和统计性质进行研究。并对高阶逻辑网络拓扑结构和统计性质进行研究。l把研究结果应用到拟南芥和肿瘤（结肠癌和黑素瘤）把研究结果应用到拟南芥和肿瘤（结肠癌和黑素瘤）基因组上，基因组上，l对生物反应机制和致病机理进行模拟调控，从而揭示对生物反应机制和致病机理进行模拟调控，从而揭示生物学上的一些规律。生物学上的一些规律。l关键问题关键问题l逻辑的存在性和不确定性系数的度量；逻辑的存在性和不确定性系数的度量；l元素之间三值逻辑的存在性判定的计算方法及三值逻元素之间三值逻辑的存在性判定的计算方法及三值逻辑的分类；辑的分类；l复杂高阶逻辑网络的拓扑结构

19、、社区结构和统计学性复杂高阶逻辑网络的拓扑结构、社区结构和统计学性质；质；l确定元素之间逻辑关系的各种算法之间优劣性比较确定元素之间逻辑关系的各种算法之间优劣性比较（信息论的方法、概率统计方法、贝叶斯模型等等）。（信息论的方法、概率统计方法、贝叶斯模型等等）。l2拟采取的研究方法（或技术路线、实验方案）拟采取的研究方法（或技术路线、实验方案）及可行性分析及可行性分析l本文涉及到复杂网络、系统生物学、统计学等领本文涉及到复杂网络、系统生物学、统计学等领域，需要的大量文献工作和计算模拟，域，需要的大量文献工作和计算模拟，l因此，主要的方法是理论推导证明、数据收集整因此，主要的方法是理论推导证明、数

20、据收集整理、计算机计算模拟和文献查找索引。理、计算机计算模拟和文献查找索引。l理论推导与证明主要涉及三值逻辑的分类、复杂理论推导与证明主要涉及三值逻辑的分类、复杂逻辑网络的统计学性质。逻辑网络的统计学性质。l数据收集与整理：数据收集与整理：l 拟南芥的数据来自依立诺伊大学生物实验室、拟南芥的数据来自依立诺伊大学生物实验室、l 肿瘤数据来自网络公开数据。肿瘤数据来自网络公开数据。l计算机计算和模拟有两个方面：计算机计算和模拟有两个方面：l 一是指基因之间逻辑关系的不确定性系数一是指基因之间逻辑关系的不确定性系数U值的计值的计算；算；l 二是建立网络之后，用计算机模拟关键基因的调控二是建立网络之后

21、，用计算机模拟关键基因的调控作用和网络的动力学行为。作用和网络的动力学行为。l文献工作是为了检验所得结果是否可靠、是否具有生文献工作是为了检验所得结果是否可靠、是否具有生物学意义，物学意义，l主要指肿瘤方面，拟南芥方面可以咨询专家或进行生主要指肿瘤方面，拟南芥方面可以咨询专家或进行生物学实验。物学实验。l3本研究的特色与创新之处本研究的特色与创新之处l 三值逻辑的三值逻辑的U值算法及其推广值算法及其推广l复杂高阶逻辑网络的建立和调控复杂高阶逻辑网络的建立和调控l此外，复杂高阶逻辑网络的相关理论研究（拓扑结构、此外，复杂高阶逻辑网络的相关理论研究（拓扑结构、社区结构、统计量）也是一块新的领域。社区结构、统计量）也是一块新的领域。