PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW

FIZJOLOGICZNYCH

Warszawa, 14 grudnia 2007

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

Symptomy

Choroby

Szum

Przetwarzanie

Informacji

Diagnoza

Wiedza

LekarskaDoświadczenie

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 yObiekt

Układ z pętlą sprzężenia zwrotnego

Regulator Obiekt

x y

y

x-y

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

Hormony

Narząd

Układ

Współczulny

Układ

Przywspółczulny

+ _

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 MPomiar Mmm stawu skokowego stawu skokowego

Schemat utrzymania równowagi

F

COM

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 równowagiUtrzymanie równowagi

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).

STANISTANIE przebiegi COP i COME 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.

STANSTANIEIE

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 minuta przerwy• Stanie 30 s na kdP oczy zamknięte• Stanie 30 s na kdL oczy zamknięte

Przebieg badania

Przykładowe wyniki

Badany Rok urodzenia

Masa ciał a [kg]

Wysokość ciała [cm]

KKD-O

[mm]

KKD-Z

[mm]

KDP-O

[mm]

KDL-O

[mm]

KDP-Z

[mm]

KDL-Z

[mm] KP 1982 61 177 211 263 1122 1160 2339 2371

WW 1983 73 183 231 332 1132 1120 2555 3086 PS 1957 76 180 171 171 974 982 4759 2273 PK 1976 77 177 208 309 807 1074 1591 2094 MR 1947 114 172 444 457 1470 1462 xxxx xxxx MU 1985 71 171 177 278 1121 859 3084 2138 EM 1953 69 167 283 423 1308 1328 2738 4661

Przykładowe wyniki

JK (ur.-1941, m-83, h-164)Były wyczynowy bokser, kolarz szosowy,

aktualnie uprawia windsurfing

Data badania KKD-O [mm]

KKD-Z [mm]

KDP-O [mm]

KDL-O [mm]

KDP-Z [mm]

KDL-Z [mm]

20.02.2006 317 510 1775 1980 3801 3970 23.02.2006 314 473 1559 1690 3581 3574 24.02.2006 381 608 1376 1561 3893 6643 28.02.2006 313 561 1500 1297 2972 3547 28.02.2006 308 436 1319 1058 3234 6037 06.02.2006 302 479 1887 4674 4846 xxxx 01.03.2006 320 543 1436 1211 2902 3292 01.03.2006 320 526 1403 1396 3499 4479

Średnia 322 517 1532 1858 3591 6713 SD 25 55 201 1174 622 6362