PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESW FIZJOLOGICZNYCH Warszawa 10 grudnia

PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH Warszawa, 10 grudnia 2008

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 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 kd. P oczy otwarte • Stanie 30 s na kd. L oczy otwarte • 1 minuta przerwy • Stanie 30 s na kd. P oczy zamknięte • Stanie 30 s na kd. L oczy zamknięte

Przebieg badania

Przykładowe wyniki

Przykładowe wyniki JK (ur. -1941, m-83, h-164) Były wyczynowy bokser, kolarz szosowy, aktualnie uprawia windsurfing