Transcript PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH Warszawa, 4 grudnia 2006

PODSTAWY CYBERNETYKI
REGULACJA PROCESÓW
FIZJOLOGICZNYCH
Warszawa, 4 grudnia 2006
Cybernetyka
• Cybernetyka (gr. kybernetikós – dobry do
sterowania, sztuka sterowania)
• 1. Nauka zajmująca się sterowaniem,
sterowniczymi układami w naturze i w
maszynach, ich porównaniem i powiązaniem,
współpracą z innymi dziedzinami, jak:
elektronika, informatyka, biologia; zajmuje się
także rozwojem układów samosterujących;
maszyny cybernetyczne to m.in. syntetyzatory
mowy czy translatory.
• Cybernetyka ekonomiczna – interdyscyplinarna
teoria opisująca sposoby sterowania systemami
ekonomicznymi.
Cybernetyka
• Cybernetyka rozpatruje zasady
działania układów
samosterujących, a nie
szczegóły.
• W medycynie cybernetyka
znalazła zastosowanie w
ustalaniu diagnozy lekarskiej.
Cybernetyka
• Terminologia cybernetyczna: układ
odosobniony, sprzężenie zwrotne z
otoczeniem. W sprzężeniu wyodrębnia się
wejścia, przez które układ odbiera bodźce
z otoczenia za pomocą receptorów, i
wyjścia, przez które układ wywiera wpływ
na otoczenie przez swoje reakcje za
pomocą efektorów.
Cybernetyka
• Obecne znaczenie nadał słowu „cybernetyka”
Norbert Wiener (1894-1964), amerykański
matematyk i fizyk, profesor Massachusetts Institute
of Technology: cybernetyka to nauka o sterowaniu i
przesyłaniu informacji w maszynach i żywych
organizmach.
• W cybernetyce poszukuje się analogii między
procesami w technice i biologii. Pozwala to wzorować
się na własnościach organizmów żywych w technice
(bionika) i lepiej poznać i opisać za pomocą
formalizmu matematycznego procesy zachodzące w
układach biologicznych (biocybernetyka) czy
społecznościach (cybernetyka społeczna).
Cybernetyka
• Każdy proces sterowania wymaga
przepływu informacji.
• Sygnał to proces fizyczny stanowiący
nośnik materialny wiadomości informacji.
Schemat przetwarzania
informacji w procesie diagnozy
Pacjent
Wiedza
Szum
Lekarska
Symptomy
Przetwarzanie
Choroby
Informacji
Diagnoza
Doświadczenie
Automatyka
• Cybernetyka ściśle związana jest z
automatyką – teorią automatycznej regulacji.
• Pierwszym przykładem układu automatycznej
regulacji był rożen napędzany turbiną.
poruszaną spalinami z paleniska. Prędkość
obrotowa rożna zależała od temperatury.
Twórcą urządzenia był Leonardo da Vinci.
Modelowanie
• Jedną z podstawowych metod badania
złożonych układów dynamicznych jest
metoda modelowania bazująca na
analogiach polegających na
podobieństwie równań opisujących różne
obiekty.
• Procesy zachodzące w organizmie
człowieka mają złożoną dynamikę i
częściej się zdarza, że parametry
fizjologiczne znajdują się w stanie
przejściowym, niż w stanie równowagi.
Organizm
• Organizm jest systemem o bardzo wielu wejściach
i wyjściach zaopatrzonym w niezwykle wydajne
regulatory pozwalające na zachowanie
homeostazy (zdolność organizmu ludzkiego lub
zwierzęcego do zachowania stanu równowagi
procesów życiowych przy zmieniających się
warunkach zewnętrznych).
• Modelowanie działania całego systemu wydaje się
dziś zadaniem przekraczającym nasze
możliwości.
Podstawowe pojęcia automatyki
• Sygnał – przebieg w czasie dowolnej
wielkości fizycznej.
• Element – układ w którym można wyróżnić
sygnał wejściowy i wyjściowy.
• Otwarty układ automatyki.
• Zamknięty układ automatyki – zaopatrzony
w pętlę sprzężenia zwrotnego.
Otwarty układ automatyki
x
Obiekt
y
Układ z pętlą sprzężenia zwrotnego
x
y
x-y
Regulator
y
Obiekt
Pętla sprzężenia zwrotnego
• Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego
powoduje zmniejszenie sygnału
wejściowego i pomaga w osiągnięciu
równowagi.
• Pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego
mogą być źródłem niestabilności układu
(giełda papierów wartościowych).
• Różnica między wartością zadaną a
rzeczywistą nazywana jest uchybem.
Transmitancja
• Każda funkcja analityczna może zostać
poddana transformacji Laplace’a i
zamieniona w ten sposób na funkcję
zmiennej zespolonej: L[f(t)] = F(s).
• Transformacja ta jest odwracalna
L-1[F(s)] = f(t).
• W układach liniowych automatyki stosunek
transformaty sygnału wyjściowego do
wejściowego nazywany jest transmitancją:
G(s) = Y(s)/X(s).
Regulator Watta
S
Homeostaza
• Ujemne sprzężenie zwrotne jest podstawą działania układów
automatycznej regulacji.
• Jest to proces umożliwiający zachowanie stałości parametrów
wewnętrznych mimo zewnętrznych zakłóceń.
• Utrzymanie stałości środowiska wewnętrznego pomimo zmian
zachodzących w środowisku zewnętrznym nosi nazwę
homeostazy (Canon 1928).
• Zdolność do osiągnięcia homeostazy nazywana jest adaptacją.
Jest ona możliwa do osiągnięcia w organizmach żywych za
pomocą systemów układów regulacji.
• U człowieka występują zarówno proste jak i niezwykle
skomplikowane układy regulacji.
• Koncepcja homeostazy (Claude Barnard koniec XIX wieku)
dotyczy nie tylko całego organizmu lecz również pojedynczych
jego komórek.
• Regulacja na poziomie komórkowym odbywa się w bardzo
skomplikowanych sieciach sprzężeń zwrotnych. Schoenheim
dowiódł, że w żywym organizmie białka, lipidy i kwasy
nukleinowe są w stanie dynamicznej równowagi.
Układ autonomiczny
• Układ autonomiczny kontroluje automatycznie czynności
organizmu. Sprawuje nadzór nad większością
gruczołów, sercem oraz narządami kontrolowanymi
przez mięśnie gładkie jak na przykład oskrzela, tętnice,
żołądek, jelita.
• Wyróżnia się dwie części układu autonomicznego:
współczulną i przywspółczulną (sympatyczną i
parasympatyczną), których działanie jest przeciwstawne.
• Na przykład pobudzenie układu współczulnego
powoduje przyspieszenie akcji serca, a
przywspóczulnego zwolnienie.
• Głównym neuro-przekaźnikiem układu współczulnego
jest adrenalina, natomiast układ przywspółczulnydziała
przez substancję chemiczną zwaną acetylocholaminą.
Antagonistyczny Układ Sterowania
• Pętle hormonalne regulacji procesów w organizmie stanowią
elementy antagonistycznego systemu regulacji, którym
zarządza wegetatywny (autonomiczny) system nerwowy.
Stanowi on najtrudniejszy obiekt badań. Dzieli się na część
współczulną i przywspółczulną, których zadania w regulacji
działania narządów wewnętrznych są zawsze przeciwstawne i
wspomagane przez system hormonalny. Układ ten reguluje
procesy nie kontrolowane z poziomu świadomości, na
przykład temperaturę ciała, rozszerzanie i zwężanie źrenicy
pod wpływem bodźca świetlnego, ciśnienie krwi w naczyniach
krwionośnych i stężenie glukozy we krwi.
• Na przykład: gdy stężenie glukozy jest za małe układ
współczulny zwiększa stężenie glukagonu i zmniejsza
stężenie insuliny, gdy glukozy jest za dużo, wtedy układ
przywspółczulny zwiększa stężenie insuliny i zmniejsza
stężenie glukagonu.
Schemat regulacji antagonistycznej
Układ
Układ
Współczulny
Przywspółczulny
+
_
Narząd
Hormony
Fenomen !
• Z punktu widzenia biocybernetyki
ultrastabilny system regulacji ważnych
parametrów organizmu ludzkiego, jakim jest
układ wegetatywny, stanowi niedościgły wzór
tak zwanego przetwarzania rozproszonych
danych, przy czym stopień rozproszenia,
obejmujący cały organizm, budzi podziw
wśród twórców sztucznych systemów
informatycznych.
Siła i Koordynacja
• Współczesne postępowanie
rehabilitacyjne wymaga odpowiednich
metod oceny narządu ruchu. Działania
ruchowe człowieka można oceniać na
podstawie: badania potencjału siłowego i
zdolności koordynacyjnych.
Pomiar Mm stawu skokowego
Schemat utrzymania
równowagi
COM
F
Fm
R
Utrzymanie stojącej pozycji ciała
jest złożonym mechanizmem
biomechanicznym
• W zachowaniu równowagi bierze udział około
300 mięśni.
• Z punktu widzenia fizjologii postawa ciała
jest nawykiem ruchowym przesądzonym
genetycznie i utrwalonym systemem
określonych odruchów warunkowych.
• Sposób utrzymania równowagi może
świadczyć o zdolnościach koordynacyjnych
pacjenta.
Dynamika utrzymania
równowagi
Wzajemne oddziaływanie momentów sił
mięśniowych i grawitacyjnych powoduje, że
każdy segment ciała jest w ciągłym ruchu.
Zakres przemieszczeń wypadkowej siły
parcia działającej na stopy w kierunku
pionowym w normalnej, niezakłóconej
pozycji stojącej szacuje się na 20 mm w
kierunku przednio-tylnym i bocznym.
Częstotliwość zmian kierunku szacuje się
na 2 do 5 Hz, a nawet poniżej 1 Hz.
Koordynacja
• Sterowanie ruchami człowieka należy
analizować na gruncie neurofizjologii i
cybernetyki.
• Koordynacja – to w naukach o
wychowaniu fizycznym sterowanie.
Ocena koordynacji to ocena sterowania
układem ruchu człowieka.
• Propriocepcja to bardzo istotny element
(koordynacji) sterowania ruchami
człowieka.
Propriocepcja
• Propriocepcja – czucie głębokie czyli
czucie z receptorów aparatu ruchu
(z brzuśców mięśniowych, ścięgien,
więzadeł, torebek stawowych) oraz
błędnika.
• Czucie - odbieranie informacji (sygnałów)
z receptorów.
Utrzymanie równowagi
a
Stabilografia
• Badania polegające na rejestrowaniu wielkości
wychwiań oraz częstotliwości zmian położenia
wypadkowej pionowej siły reakcji podłoża
podczas stania nazywamy stabilografią.
• Inaczej mówiąc stabilografia to analiza
położenia wypadkowej sił nacisku stóp na
podłoże w czasie stania.
• Punkt przyłożenia wypadkowej sił nacisku stóp
na podłoże nazywany jest COP (center of
pressure).
STANIE przebiegi COP i COM
Kuczyński M.(2003) – Model lepko-spreżysty w badaniach stabilności postawy człowieka /The
viscoelastic model of quiet standing/. Studia i monografie. AWF Wrocław.
STANIE
Kuczyński M.(2003) – Model lepko-spreżysty w badaniach stabilności postawy człowieka /The
viscoelastic model of quiet standing/. Studia i monografie. AWF Wrocław.
Ocena propriocepcji
Protokół badania:
• Stanie 30 s na kkd oczy otwarte
• Stanie 30 s na kkd oczy zamknięte
• Stanie 30 s na kdP oczy otwarte
• Stanie 30 s na kdL oczy otwarte
• 1 minuty przerwy
• Stanie 30 s na kdP oczy zamknięte
• Stanie 30 s na kdL oczy zamknięte
Przebieg badania
Przykładowe wyniki
Rok Masa Wysokoś
urodzenia ciał a ć ciała
[kg] [cm]
KP
1982
61
177
WW
1983
73
183
PS
1957
76
180
PK
1976
77
177
MR
1947
114
172
MU
1985
71
171
EM
1953
69
167
Badany
KKDO
[mm]
211
231
171
208
444
177
283
KKDZ
[mm]
263
332
171
309
457
278
423
KDPO
[mm]
1122
1132
974
807
1470
1121
1308
KDLO
[mm]
1160
1120
982
1074
1462
859
1328
KDPZ
[mm]
2339
2555
4759
1591
xxxx
3084
2738
KDL
-Z
[mm]
2371
3086
2273
2094
xxxx
2138
4661
Przykładowe wyniki
JK (ur.-1941, m-83, h-164)
Były wyczynowy bokser, kolarz szosowy,
aktualnie uprawia windsurfing
Data badania
20.02.2006
23.02.2006
24.02.2006
28.02.2006
28.02.2006
06.02.2006
01.03.2006
01.03.2006
Średnia
SD
KKD-O
[mm]
317
314
381
313
308
302
320
320
322
25
KKD-Z
[mm]
510
473
608
561
436
479
543
526
517
55
KDP-O
[mm]
1775
1559
1376
1500
1319
1887
1436
1403
1532
201
KDL-O
[mm]
1980
1690
1561
1297
1058
4674
1211
1396
1858
1174
KDP-Z
[mm]
3801
3581
3893
2972
3234
4846
2902
3499
3591
622
KDL-Z
[mm]
3970
3574
6643
3547
6037
xxxx
3292
4479
6713
6362