Transcript p-regulace_a_nemoci

Fyziologická regulace v
patogenezi kardiovaskulárních
chorob i obecně
MUDr. Stanislav Matoušek
Regulovaná a neregulovaná
veličina
Neregulovaná veličina
• Spadlý most
Regulovaná veličina
•
Zima v kavárně
• Zlomená noha
•
Vysoký krevní tlak
Co probereme?
•
•
•
•
•
•
1. Základní pojmy teorie regulace
2. Druhy zpětných vazeb v těle (pozitivní, negativní)
3. Vznik poruchy/nemoci v regulovaném systému
4. Historie regulovaných systémů a jejich popisu
5. Různé druhy regulátorů
6. Regulace srd. výdeje a krevního tlaku
• srdce
• cévy
• ledvinný regulátor
Základní pojmy
Regulace neboli (automatické)
řízení
• Regulace je každý děj, který minimalizuje
rozdíl mezi skutečnými hodnotami regulované
veličiny a tzv. žádanou (referenční) hodnotou
této veličiny, a to na základě měření zmíněného
rozdílu.
Zdeněk Wunsch, Základy lékařské kybernetiky (1977)
•
Pokud dojde ke změně nějaké proměnné prostředí (např. teploty)....and soustava
umí tuto změnu téměř vykompenzovat ...pak je tato soustava označována jako
regulovaná.
–
Principia cybernetica web
Regulační ventil topení
Regulace v
otevřené smyčce
(open-loop)
Regulátor nevyužívá
měření výstupu (teploty)
systému při „výpočtu“ řídící
akce,
Zpětnovazebná regulace
(feedback)
Výstupní veličina řízeného systému
změřena a poslána zpět k využití při
„výpočtu“ řídící akce,
Otevřená smyčka
Otevřená smyčka
Otevřená smyčka
Porucha výstupní veličiny
Porucha
na vstupu
Uzavřená smyčka
Uzavřená smyčka
Uzavřená smyčka
Porucha výstupní veličiny
Porucha
na vstupu
Efekt zpětné vazby
Rozdíl proti
požadované hodnotě
je (5x) menší než
bez zpětné vazby
Otevřená smyčka vs. zpětná vazba
Systém řízený v
otevřené smyčce:
Zpětnovazebně (v
uzavřené smyčce)
řízený systém:
Zpětná vazba ve fyziologii
Systém RAAS
Obecná struktura řízeného
systému
Řízení teploty regulátorem
Vnější
teplota
Nastavení
teploty
Nastavení
thermostatu
vs aktuální
teplota
Teplota
v pokoji
Ventil horké
vody
otevřen
/zavřen
Měřená
teplota
Těleso
radiátoru
Ohřev
místnosti
Thermometer
Příklady v medicíně
Řízení glykémie
Normální
glykémie
β buňky
Insulin
Glykémie
GLUT 4
tkáně
vstup
Glc do
buněk
β buňky
Druhy zpětných vazeb v těle
(pozitivní, negativní)
Regulace v lidském těle
• V těle existují dva systémy přímo
specializované na řízení a regulaci:
– endokrinní systém
– nervový systém
• Kromě těchto dvou systémů existuje v
každé buňce a každé tkáni mnoho
procesů regulovaných lokální zpětnou
vazbou
Lokální zpětná vazba
Systémová zpětná vazba
Negativní zpětná vazba
Udržuje hodnotu regulované
veličiny blízko rovnováhy
(požadované hodnoty).
Ca++
-
+
PTH
Pozitivní zpětná vazba
Málo častá – amplifikace malé
počáteční „odchylky“;
Nedrží hodnotu regulované veličiny
blízko rovnováhy
Kalikrein
Prekalikrein
+
+
+
faktor
XII
+
faktor
XII a
Vznik poruchy/nemoci v
regulovaném systému
Diabetes mellitus
Diabetes
II. typu
Normální
glykémie
β buňky
Insulin
-
Glykémie
GLUT 4
tkáně
vstup
Glc do
buněk
+
β buňky
Diabetes
I. typu
Onemocnění obecně
1. Přerušení
zpětnovazeb
ní smyčky
2. Příliš velká
poruchová
veličina
3. Slabý akční
člen
4. Špatně
nastavená
hodnota
regulátoru
Historie regulace a
zpětnovazebního řízení
Historie v technických vědách
• Starověké Řecko a
Řím: Plovákem řízený
vtočný ventil
• Nádobka záchodu
Parní stroj Jamese Watta
James Watt – centrifugální
regulátor (fly-ball governor 1788)
Stabilita systému
20. století
• Maxwellova kritéria
stability
• Problém telefonování na
dlouhé vzdálenosti
(využití elektronických
zesilovačů)
• Bellovy telefonické
laboratoře: H. Nyquist
(1932) zjištění stability
systému s použitím tvz.
Nyquistova kritéria
Současnost
Historie v medicíně a biologii
• Schopnost živých organismů udržovat životní pochody v
rovnováze a čelit tak rušivým vlivům je natolik výraznou
vlastností, že (byla zaznamenána) již ve starověku.
Zdeněk Wunsch
Základy lékařské kybernetiky
Dalším významným momentem, který byl viděn jako
zdroj nemocí, jsou vnitřní nerovnováhy organismu. Tato
myšlenka, ve své podstatě zajisté správná, je
pozoruhodným způsobem transkulturní.
Stanislav Komárek
Spasení těla
Starověké Řecko
• Empedoklés z Agrigentu
(504-443 BC)
Starý Řím
Galén
Starověká Čína
Konec 18. století a 19. století
Lavoisier: Nutnost
dynamické rovnováhy
při látkové výměně
(kyslík, složky jídla,
teplo)
Fredericq (1885): Živá soustava je útvar se schopností odpovědět
na poruchové vlivy kompenzační aktivitou, která neutralizuje nebo
opraví vzniklou odchylku.
Homeostáza – Walter Cannon
– vznikla z dřívější myšlenky Clauda Bernarda rovnováhy
vnitřního prostředí
– popularizace v jeho knize Moudrost těla (1932)
– Čtyři základní rysy homeostázy:
• Konstantnost otevřeného systému, jakým je naše tělo,
vyžaduje mechanismy které působí zachování této
konstantnosti.
• Ustálené podmínky vyžadují, aby jakákoliv tendence ke
změně byla automaticky konfrontována s faktory, které
působí proti této změně. Př: Zvýšení krevního cukru
zvyšuje žízeň. Vypitá voda krevní cukr naředí.
• Regulační systém těla se skládá z velkého množství
spolupracujících mechanismů, které působí současně nebo
po sobě. Př. Krevní cukr je regulován inzulinem, glukagonem
a jinými faktory (žízeň).
• Homeostáza je výsledkem organizovaného automatického
řízení (organized self-government).
Kybernetika – Norbert Wiener
• 1948 kniha
Kybernetika: Aneb
řízení a komunikace ve
zvířeti a ve stroji.
• Kniha formalizuje teorii
řízení zpětnou vazbou
a výrazně ovlivnila
mnohá odvětví vědy:
Teorii řízení,
informatiku, robotiku,
biologii a medicínu,
sociologii, ekonomii a
společenské vědy
Počátky matematické biologie –
Arthur Guyton a Thomas Coleman
Thomas Coleman a Laboratoř
biokybernetiky Ústavu patologické
fyziologie
Vsuvka
Připomenutí středoškolské
matematiky
Derivace
Důležité funkce
Integrál
Různé druhy regulátorů
Typy zpětnovazebných regulátorů
• Nejjednodušší regulátor se nazývá
proporcionální (P).
Vždy existuje rozdíl mezi žádanou a
skutečnou hodnotou výstupní veličiny.
Tento rozdíl je tím větší, čím větší je
velikost poruchové veličiny, a čím
menší je senzitivita zpětné vazby (tzv.
zesílení zpětnovazební smyčky)
S vysokou citlivostí (zesílením)
zpětné vazby se systém může
znestabilnit.
Integrální regulátor
Tento regulátor je schopen během doby snížit rozdíl mezi žádanou
(referenční) a skutečnou hodnotou regulované veličiny k nule.
Nemůže být moc rychlý, má pak tendenci systém znestabilnit
Derivační regulátor
• Nelze je použít samotný.
• Stabilizuje systém
PID regulátor
Proporcionálníintegrální-derivační
Regulace krevního tlaku
Krevní tlak a srdeční výdej
závisí na:
• Vlastnostech srdce:
• Kontraktilita
• Frekvence
• Vlastnostech (průsvitu) cév
• Tonus arteriol ovlivňuje hlavně odpor
(rezistenci)
• Tonus vén a artérií ovlivňuje přes poddajnost
objem řečiště (při daném tlaku)
• Objemu cirkulující krve
Srdce
• Autonomním
nervovým systémem
• Endokrinním
systémem
• Lokálními tkáňovými
faktory
Vlastnosti srdce:
Kontraktilita
Frekvence
Cévy
• Autonomním
nervovým systémem
• Endokrinním
systémem
• Lokálními tkáňovými
faktory
• Tonus cév
– poddajnost
– odpor
Objem cirkulující krve
• Je dán rozdílem mezi
příjmem vody a solí a
jejich výdejem
• Výdej řídí ledvinný
regulátor
• Odpor ledvinných
arteriol
• Rychlost filtrace a
resorpce
• Renin-angiotensin
aldosteronový
systém
„Ledvinno-tekutinový“
mechanismus kontroly tlaku
Ledviny vylučují více tekutin až do
doby, kdy tlak se ustálí přesně na
rovnovážné (referenční) hodnotě
Jedná se o regulátor I
(integrálního) typu.
Všechny ostatní mechanismy
regulující tlak (např. periferní
odpor) jsou proporcionálního
typu
„Ledvinno-tekutinový“
mechanismus kontroly tlaku
Zvýšený
periferní
odpor
hypertenzi
často
provází, ale
není její
hlavní
příčinou
Mechanismy účinku
antihypertenzní léčby
•
•
•
•
Diuretika
Beta-blokátory
ACE inhibitory
Blokátory Ca++ kanálu
Co jsme probrali?
•
•
•
•
•
•
1. Základní pojmy teorie regulace
2. Druhy zpětných vazeb v těle (pozitivní, negativní)
3. Vznik poruchy/nemoci v regulovaném systému
4. Historie regulovaných systémů a jejich popisu
5. Různé druhy regulátorů
6. Regulace srd. výdeje a krevního tlaku
• srdce
• cévy
• ledvinný regulátor
Shrnutí
•
•
•
•
Co to je regulace
Zpětnovazební regulace (v uzavřené smyčce)
Stejná struktura regulačního obvodu v technice a medicíně.
Nemoci
- často rozpojení regulačního obvodu
- nebo příliš velký vychylující (poruchový) vliv
• Stabilní hodnota je při regulaci dosažena negativní zpětnou
vazbou
• Historie teorie řízení a kybernetiky
• Základní typy regulátorů: PID regulátory
• Dlouhodobě ovlivňují krevní tlak pouze ledviny a příjem tělesných
tekutin a solí (jediný integrální regulátor)
Cruise control - automatické řízení
rychlosti auta
Regulace v otevřené smyčce
(open-loop) vs. zpětnovazebná
• Pokud regulátor
nevyužívá měření
výstupu systému při
„výpočtu“ řídící akce,
pak je systém tzv.
řízený v otevřené
smyčce.
• Pokud je výstupní
veličina řízeného
systému změřena a
poslána zpět k
využití při „výpočtu“
řídící akce, pak je
systém
zpětnovazebně
řízený. V angličtině
„feedback controlled“
Matematické modely a formalizace
• Vše co dokážeme kvantifikovat slovy může být
také vyjádřeno vzorcem (jazykem matematiky)
• Matematika nám dává velmi silné metody k
dedukci správných závěrů z
předpokládaných elementárnějších vztahů
• “Nekritický entusiasmus matematického
formulování má často tendenci zakrývat klíčové
obsahové nuance argumentace, která probíhá
za fasádou algebraické symboliky a „jistoty““
Wassily
Leontief
nositel Nobelovy ceny za
ekomomii
Vývoj v 19. století
Matematická teorie
regulace:
• J.C.Maxwell:
On Governors/ O
regulátorech (1868)
definoval kritéria stability
E.J.Routh
A.M. Lyapunov
dále rozpracovali kritéria
stability
20. století
• Problém telefonování na
dlouhé vzdálenosti
(využití elektronických
zesilovačů)
• Bellovy telefonické
laboratoře: H. Nyquist
(1932) zjištění stability
systému s použitím tvz.
Nyquistova kritéria
(používá komplexní
čísla)
Příklady v technice