基于人体和小动物数据库的生理组M3L平台构建

摘要

生理组学采用组学的方法对生命体解剖结构与生理功能进行跨层次的定量模拟。生理组学研究平台建立解剖结构和生理功能数据库，设计构建跨层次建模描述语言，实现数字化生命体模型的协同开发和共享，提供面向疾病诊疗的重要组织器官生理仿真和模拟计算服务。人体和小动物任何部位的解剖结构都与其生理功能相适应。缺少多物种高精度完整解剖结构和生理功能数据库支持已成为局限生理组学构建完整跨层次模型的障碍；生理组学研究中已建立的标记语言无法针对海量解剖结构数据集及其衍生数据进行描述，结构信息无法真正与功能信息有机关联；生理组学研究平台的协同研究机制依靠国际权威期刊评价模型，具有滞后性并易引入表达错误，无法记录模型的发展过程。
　　 本文构建了中国生理组学研究平台（China Physiome Project），在人体和小动物结构与功能数据库的基础上，建立解剖结构与生理功能的相互关联以及数学模型与实验数据的相互关联，实现了人体与小动物多层次建模的协同研究。主要研究内容和研究结果如下：
　　 1) 构建解剖结构与生理功能数据库，以高精度数字化虚拟中国人和数字大鼠数据集为解剖结构数据来源，以文献挖掘等方法获得生理功能数据。二维断面标识数据库管理并存储海量断面成像数据和标识信息，三维解剖结构数据库采用虚拟现实建模语言描述了人体50个器官的结构信息，并实现了在线三维浏览和交互操作；生理功能数据库不仅包含了生理功能实体信息，还包含了各种功能之间的关联信息，为生理组学研究提供更完整的数据支持。
　　 2) 依据MeSH（MedicAlSubject Heading）定义平台数据层次，规范模型的命名和结构，在平台中形成完整的树形体系，整合多物种跨层次跨学科的解剖和生理模型；针对高精度解剖结构数据集的应用，设计跨层次建模标记语言（Multiscale Modeling Markup Language），定义专用的有效性验证文件，建立模型和数据的标准化描述，规范了模型层次、结构、数据、数学算法的表达，整合了可视化信息，并在层次型数据模型中引入了关系型数据模型，增加模型和数据描述的灵活性和通用性。模型和数据的统一规范避免了文献表达中的歧义和错误，提高了模型和数据的整合效率。
　　 3) 建立了基于Wiki思想的协同开发和共享机制，开放式编辑模式为模型和数据进行及时的纠错和更新，在有效的规范下，将形成“百科全书”式的模型定义；Wiki中的版本控制也将记录模型的发展过程，对比模型间的细微差别，记录模型和数据的专业评价，有效弥补权威期刊的缺陷。
　　 完整的多物种数据库支持和M3L标准化数据规范体现了平台的创新优势。平台将有效应用于航空航天、临床诊断、药物开发及医学教学等领域，降低医药支出，丰富了我国的医学信息数据库，辅助研究人员和医生开展更广泛的研究和实验。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪言

2 解剖结构与生理功能数据库

3 基于本体和标记语言的数据规范

4 基于 Wiki思想的协同开发和共享

5 中国生理组学研究平台系统结构与功能

6 总结

致 谢

参考文献

附录 1 攻读学位期间发表论文目录