实验是生物学科的重要组成部分,其中涉及大量数学、物理、化学、计算机等相关学科的知识内容与应用.在生物学实验课教学中,注重跨学科知识的应用,对于学生逻辑思维和创新精神的培养、提升学习的主动性有着极大的帮助.

目的:研发一款"酸碱平衡紊乱分析软件"，用于快速判断酸碱平衡紊乱（酸碱失衡）的类型。方法:以Henderson-Hasselbalch方程式和代偿公式为基础建立数学模型，确定酸碱失衡分析的重要参数，制定分析流程。使用Visual Basic 2010.NET编程语言完成软件的编译，调试后生成安装程序包。用计算机检索PubMed、万方和中国知网数据库中从1980至2015年发表的酸碱失衡案例文献，详细记录每个案例提供的血气参数〔pH、动脉血二氧化碳分压（PaCO 2）、碳酸氢根（HCO 3-）和阴离子隙（AG）〕及酸碱失衡类型（文献结果）；使用软件对上述案例的酸碱失衡类型重新进行分析得出判断（软件分析结果），对两种判断结果进行Kappa一致性检验和McNemar配对 χ2检验。 结果:以"四参数-四步骤"程序化分析方法作为判断酸碱失衡类型的分析流程。其中，"四参数"指pH、PaCO 2、HCO 3-和AG。"四步骤"概述为：①根据pH初步判定血气的酸碱状态，结合HCO 3-、PaCO 2判断酸碱失衡的原发类型；②根据代偿情况判断是否存在双重混合型酸碱失衡（DABD）；③根据AG判断是否存在三重混合型酸碱失衡（TABD）；④使用ΔAG↑/ΔHCO 3-↓比值，判断AG增高型代谢性酸中毒（AG↑型代酸）是否同时伴有代谢性碱中毒（代碱）或AG正常型代酸。"酸碱平衡紊乱分析软件"具备界面简洁、操作方便、判断迅速、分析结果系统而全面的特点，可以判断除"AG正常型代酸合并代碱"以外的所有酸碱失衡类型。应用"酸碱平衡紊乱分析软件"对文献报道的112例酸碱失衡案例进行再次分析，软件分析结果与文献结果的一致率为87.50%，具有较好的一致性（Kappa检验： κ＝0.84， P<0.01；McNemar检验： χ2＝0.87， P＝0.65）。 结论:"酸碱平衡紊乱分析软件"可以作为判断酸碱失衡类型的重要工具，为临床医生提供诊断参考，具有很高的实用价值和应用前景。

目的:通过观察呼吸机吸气触发波形特点，找出触发点对应的回路压力与流量，结合呼吸机工作原理及呼吸力学定律，确定以肺泡内压等作为反映吸气触发努力程度的指标，建立与其相关的数学公式，分析其影响因素与逻辑关系。方法:将模拟肺分别连接到PB840型呼吸机和SV600型呼吸机的呼吸回路。呼吸机调整为流量触发模式，呼气末正压（PEEP）设为5 cmH 2O（1 cmH 2O≈0.098 kPa），分别在流量触发灵敏度（V Trig）为3 L/min、5 L/min时，分别以慢速、中速、快速3种触发力度手动牵拉模拟肺触发1次有效送气。调整呼吸机为压力触发模式，分别在压力触发灵敏度（P Trig）为2 cmH 2O、4 cmH 2O时重复上述过程。通过调节呼吸机显示屏内曲线的刻度，观察不同触发情况下触发点对应的回路压力与流量。以肺泡内压Pa作为研究对象，应用呼吸力学方法分析达到有效触发时刻（T T）所需要的Pa（即Pa -T），以及Pa在触发期间的压力变化幅度（ΔP）及时间跨度（ΔT）。 结果:① T T时刻压力与流量的对应关系：流量触发模式下，慢速、中速、快速触发时，吸入流量为V Trig，回路压力分别对应为PEEP、PEEP－P n、PEEP－P n'（P n、P n'为下降幅度，其中P n'>P n）；压力触发模式下，吸入流量为偏流（PB840型呼吸机为1 L/min，SV600型呼吸机可能为2 L/min），回路压力为PEEP－P Trig。② Pa -T的计算：流量触发模式下，慢速触发时Pa -T＝PEEP－V TrigR（R为气道阻力），中速触发时Pa -T＝PEEP－P n－V TrigR，快速触发时Pa -T＝PEEP－P n'－V TrigR；压力触发模式下，Pa -T＝PEEP－P Trig－1R。③ ΔP的计算：流量触发模式下，慢速触发时，如无内源性PEEP（PEEPi），则ΔP＝V TrigR；如有PEEPi，则ΔP＝PEEPi－PEEP+V TrigR。中速触发时，如无PEEPi，则ΔP＝P n+V TrigR；如有PEEPi，则ΔP＝PEEPi－PEEP+P n+V TrigR。快速触发时，如无PEEPi，则ΔP＝P n' +V TrigR；如有PEEPi，则ΔP＝PEEPi－PEEP+P n'+V TrigR。压力触发模式下，如无PEEPi，则ΔP＝P Trig+1R；如有PEEPi，则ΔP＝PEEPi－PEEP+P Trig+1R。④ Pa的压力时间变化率（F P）的计算：设F P＝ΔP/ΔT，在ΔP相同的情况下，ΔT越短，说明触发越快；同样，在ΔT相同的情况下，ΔP越大，意味着触发能力或触发努力程度越大，F P更能反映患者的触发能力或触发努力程度。 结论:以触发所需要的最低肺泡内压、肺泡内压的压力跨度及其压力时间变化率3个指标来反映患者的吸气努力程度，并建立数学公式，可直观呈现吸气触发相关因素间的逻辑关系，便于临床分析。

有限元方法是利用数学近似对真实物理系统进行模拟的一种数值计算方法，因具有很强的适应性、计算精度及利用计算机进行大规模计算的能力，其适用范围已从传统的结构分析扩展到几乎所有的科学技术领域。人体消化系统可大致分为实质脏器（肝胆、胰腺）及空腔脏器（食管、胃、肠道），利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具，可以建立三维人体消化系统模型，并能够赋予其生物学特性对模型进行实验条件仿真，求解在复杂外力及边界条件作用下各种消化系统疾病的问题。本文对有限元方法在人体消化系统领域的应用特点进行综述，并指出未来的发展方向。

目的：:建立房水流动及虹膜变形的数学模型，定量分析因瞳孔阻滞造成前后房压差所引发的闭角型青光眼发病机制。方法：:数值模拟研究。研究正常虹膜形状（虹膜-晶状体间隙为30 μm）和瞳孔几乎后粘连（虹膜-晶状体间隙为5 μm、2 μm）下的房水流动及虹膜变形，利用计算流体动力学数值求解房水流动，并基于单向流固耦合技术进行虹膜在流场作用力下变形的有限元分析。结果：:30 μm的正常虹膜-晶状体间隙前后房的压力几乎相等；对于5 μm和2 μm的虹膜-晶状体间隙，后房比前房压力分别高31 Pa和815 Pa。利用乘幂函数对前后房压差与虹膜-晶状体间隙之间的关系进行拟合，发现当该间隙小于3 μm后，前后房压差将异速增加形成显著虹膜膨隆，导致虹膜表面与角膜接触，引发房角关闭。结论：:从生物力学的角度分析虹膜膨隆与房水流动的相互作用特征，能进一步定量揭示原发性闭角型青光眼瞳孔阻滞发病机制。

比例和率的含义多重而交叉，这模糊了其概念的准确性。本文围绕事件的发生和状态的存在及其测量过程，首先指出了二者的计数有统一的基础——状态，提出了“时点状态累积数”的概念。基于数学上“率”的一般含义，结合指标计算元素的单位，提出了“时点状态累积数的变化量”即通常认为的“（观察期）事件发生数”或“绝对率”，并建立了相对率和比例。比例有3种类型：时点（或率型）构成比例、时期发生比例及由前二者综合而成的时期构成比例。相对率和时期比例的区别在于观察期是否被视为一个观察单位并移位，与时点比例的来源人群均为观察期起点人群。由此本文建立人群分类资料基本指标——比、比例和率统一的识别路线。这些论述同样地适用于关闭队列、固定队列或动态人群。本文旨在明确指标的内涵及可行的认识路线，供人群研究工作者参考。

目的:探索一种编程数字化技术和数学几何原理相结合对豚鼠眼球形态学参数进行量化分析的方法。方法:选取22只3周龄清洁级雄性三色豚鼠，采用过量麻醉法处死并取出眼球，采用1 300万像素微距仪的高拍模式进行水平面及矢状面拍照，图片导入pycharm编程软件。应用Python 3.9预先编写好的分析程序，先通过刻度尺获取图片像素与实际距离的换算系数，再对角膜表面进行圆弧拟合及圆锥曲线拟合。圆弧拟合后的结果经换算后计算出豚鼠的角膜曲率半径；通过圆锥曲线通用方程拟合(Ax 2+Bxy+Cy 2+Dx+Ey+F＝0)，得出角膜表面的离心率e值；通过对全角膜及中央区3 mm的拟合，评估角膜的非球面性质。 结果:应用Python编程数字化方法可以完整清晰地展现豚鼠的角膜轮廓。横切面上，数字化拟合中央3 mm、数字化拟合全角膜以及曲率计测量全角膜曲率比较，差异无统计学意义( F＝1.693， P＝0.190)；矢状面上，3种方法测得的角膜曲率比较，差异有统计学意义( F＝3.500， P＝0.030)，其中曲率计测量全角膜的角膜曲率明显大于数字化拟合全角膜，差异有统计学意义( P<0.05)。横切面和矢状面上，3种方法测得的角膜曲率半径比较，差异均无统计学意义( F＝1.817， P＝0.170； F＝2.050， P＝0.133)。离心率测量结果显示，横切面和矢状面数字化拟合中央区3 mm处e值分别为0.55±0.15和0.53±0.17，分别低于数字化拟合全角膜e值的0.66±0.10和0.64±0.14，差异均有统计学意义( t＝－4.860、－5.210，均 P<0.01)。 结论:应用Python编程数字化方法测量豚鼠角膜曲率及离心率切实可行。

人口老龄化增加了人类衰老研究及其临床应用的需求。传统上一般采用时序年龄(chronological age，CA)即日历年龄来描述人体的衰老情况，然而个体之间衰老过程和速度是不一致的，存在明显的生物衰老个体差异，因而CA不能真实地反应个体组织结构和生理功能的不同状况，存在不准确、错误判断等缺陷，无法准确地描述人体的衰老程度。近年来提出采用生物学年龄(biological age，BA)来更加综合准确地描述人体衰老情况，其通过数学算法结合多种生物标志物构建预测模型来实现量化生物衰老的目的，因其更加精准而得到越来越多的关注与研究。本文将对BA的意义、目前常用计算方法及在健康老龄化中的进展和前景进行综述。

目的:基于计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)方法，构建残余假腔风险预测模型，计算流体力学参数，评估Stanford A型主动脉夹层首次手术后的恢复效果，实现远期再干预的预警和转归预测。方法:纳入2015年1月1日至2021年5月30日在中国医学科学院阜外医院血管中心就诊的Stanford A型主动脉夹层患者，获取首次手术后早期复查CTA影像资料，利用计算流体力学原理进行降主动脉血管的流体力学参数计算，对比预后不同的两组间各参数的差异，探索假腔进展、再干预的危险因素。结果:共纳入24例患者，年龄(47.88±9.84)岁(30～64岁)，男21例(87.5%，21/24)。根据远期预后和有无接受远端血管干预，以降主动脉直径进行匹配，分为对照组和胸腹组，各12例。血流动力学分析显示，胸腹组假腔血流量显著增多，以湍流、涡流为主，降主动脉近段可见多个真假腔交通。胸腹组降主动脉真假腔压力平衡点距离左锁骨下动脉开口处更近[(22.00±3.91)cm对(36.00±1.77)cm， P<0.001]，且假腔压力大于真腔压力。 结论:计算流体力学方法可以基于CTA利用数学模型简化并可视化复杂的人体血流和术后结构，真假腔压力平衡点近移和假腔压力大是反映真假腔交通、假腔重塑差、面临二次手术干预的危险因素。

目的:对比分析超高剂量率(FLASH)和常规剂量率电子线照射在诱导DNA链断裂损伤中的作用，探讨FLASH效应是否与照射诱导的DNA链断裂损伤减少有关。方法:在生理氧含量(4%)和空气氧含量(21%)条件下，对置于超纯水的pBR322质粒DNA分别实施FLASH(125 Gy/s)和常规(0.05 Gy/s)照射。通过琼脂糖凝胶电泳实验检测开环带DNA和线性带DNA发生情况。进一步应用自由基清除剂Samwirin A(SW)清除电离辐射产生的自由基，分析清除自由基对开环带DNA和线性带DNA形成的影响。最后，量化质粒DNA损伤并采用数学模型计算FLASH照射后产生开环带DNA和线性带DNA的相对生物效应(RBE)。结果:生理氧含量下，FLASH和常规照射所诱导DNA链断裂损伤呈现出剂量依赖性。其中，超纯水中，FLASH照射诱导的线性带DNA生成率较常规照射显著降低( t＝5.28、5.79、7.01、7.66, P<0.05)。采用SW预处理后，FLASH和常规照射后质粒DNA链断裂损伤差异无统计学意义( P>0.05)。当氧含量为21%时，FLASH照射与常规照射导致DNA损伤效应无差别，且均较生理氧含量时明显增加。此外，FLASH照射每Gy诱导线性带DNA和开环带DNA的损伤速率分别为常规照射的(2.78±0.03)和(1.85±0.17)倍。 结论:FLASH照射较常规照射减轻正常组织放射损伤主要与电离辐射后自由基产生有关，FLASH效应受氧含量的影响。