呼吸系统复杂动力学及病态呼吸节律控制研究

Respiratory movement is a complex, dynamical and rhythmic activity. Abnormal or pathological respiratory rhythm in the respiratory system is an important health issue that attracted close attention. This project studies the dynamics of the nonlinear complex network in the respiratory system and the control strategies of the abnormal respiratory oscillations by means of the theories and methods of nonlinear dynamics, complex networks and control. Main contents include: (1) complex dynamic analysis for the hybrid pacemaker-network model of the respiratory system; (2) the influence of excitations, system parameters, delay and noise upon the rhythmic oscillations in the system; (3) improvement or proposal of dynamic models in the abnormal respiratory system and investigation of the relationthip of the mechanism of abnormal respiratory oscillations and pathological characteristics, based on the experimental data obtained in the laboratory; (4) the strategies of parametric or state control to eliminate abnomal oscillations. This project aims to extend the theories of nonlinear dynamics , complex network and control, and will provide an important understanding on the abnormal respiratory patterns and mechanism of nonlinear dynamics, as well as the theoretical foundation for making reasonable control strategies and therapy methods. It will further promote the application of nonlinear dynamics, complex network and control theories in the biomedical and medical engineering.

呼吸运动是一种错综复杂的且具有丰富的动力学行为的节律性活动。呼吸系统中的异常或病态呼吸节律一直是人们关注的影响人类健康的问题。本项目应用非线性动力学、复杂网络和控制论的理论和方法，研究呼吸系统作为非线性复杂网络的动力学问题和对病态节律的控制策略。主要包括：（1）对呼吸系统混杂起搏-网络模型的复杂动力学进行研究；（2）研究在内外激励、系统参数、时滞和随机因素对呼吸系统节律模式的影响；（3）结合实验数据改进或提出呼吸系统疾病模型，研究病态呼吸节律的产生机理和病理特征；（4）对呼吸系统模型施加参数控制和状态控制，探讨消除病态振荡的控制策略。本项目拓展非线性动力学、复杂网络与控制论的理论和方法的应用范围，深入理解呼吸系统节律模式和病理的动力学本质,为合理可行的控制和治疗方案提供理论基础，进一步促进非线性动力学、复杂网络和控制科学在生物医学工程中的应用。

呼吸运动是一种错综复杂的且具有丰富的动力学行为的节律性活动。呼吸系统中的异常或病态呼吸节律一直是人们关注的影响人类健康的问题。本项目应用非线性动力学、复杂网络和控制论的理论和方法，研究呼吸系统作为非线性复杂网络的动力学问题和对病态节律的控制策略。主要研究内容包括（1）对呼吸系统混杂起搏-网络模型的复杂动力学进行研究；（2）研究在内外激励、系统参数、时滞和随机因素对呼吸系统节律模式的影响；（3）结合实验数据改进或提出呼吸系统疾病模型，研究病态呼吸节律的产生机理和病理特征；（4） 对呼吸系统模型施加参数控制和状态控制，探讨消除病态振荡的控制策略。.在 4 年的项目研究中，项目组成员充分发挥在非线性动力系统理论应用和数值计算方面的优势，密切结合复杂网络系统的生理特性、生理功能和动力学特征，主要在以下几个方面取得了一些研究结果：主要利用高余维分岔等揭示了呼吸节律转迁及呼吸网络节律同步的动力学特征；慢变量的首次回归映射是神经系统中有效的降维方法之一，首次利用回归映射和快慢分析揭示了簇放电之间转迁的动力学机理；多时间尺度变化引发病态呼吸节律，应用改进的快慢动力学分析方法，揭示了病态复杂节律产生的动力学特征及理论机制；建立了建立包含磁通变量以及忆阻器调节的神经元模型，并揭示了通过对忆阻器参数的控制而达到控制神经元的放电模式，包括节律、振幅和频率。.本项目拓展非线性动力学、复杂网络与控制论的理论和方法的应用范围， 深刻地揭示了神经系统及其网络中呼吸节律产生的动力学机制，并设计控制策略对病态节律进行有益的控制。为合理可行的控制和治疗方案提供理论基础，进一步促进非线性动力学、复杂网络和控制科学在生物医学工程中的应用。