podstawy cybernetyki regulacja procesÓw fizjologicznych
DESCRIPTION
PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH. Warszawa, 14 grudnia 2007. Cybernetyka. Cybernetyka (gr. kybernetik ó s – dobry do sterowania, sztuka sterowania) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/1.jpg)
PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW
FIZJOLOGICZNYCH
Warszawa, 14 grudnia 2007
![Page 2: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/2.jpg)
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.
![Page 3: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/3.jpg)
Cybernetyka
• Cybernetyka rozpatruje zasady działania układów samosterujących, a nie szczegóły.
• W medycynie cybernetyka znalazła zastosowanie w ustalaniu diagnozy lekarskiej.
![Page 4: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/4.jpg)
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.
![Page 5: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/5.jpg)
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).
![Page 6: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/6.jpg)
Cybernetyka
• Każdy proces sterowania wymaga przepływu informacji.
• Sygnał to proces fizyczny stanowiący nośnik materialny wiadomości informacji.
![Page 7: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/7.jpg)
Schemat przetwarzania informacji w procesie diagnozy
Pacjent
Symptomy
Choroby
Szum
Przetwarzanie
Informacji
Diagnoza
Wiedza
LekarskaDoświadczenie
![Page 8: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/8.jpg)
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.
![Page 9: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/9.jpg)
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.
![Page 10: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/10.jpg)
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.
![Page 11: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/11.jpg)
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.
![Page 12: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/12.jpg)
Otwarty układ automatyki
x yObiekt
![Page 13: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/13.jpg)
Układ z pętlą sprzężenia zwrotnego
Regulator Obiekt
x y
y
x-y
![Page 14: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/14.jpg)
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.
![Page 15: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/15.jpg)
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).
![Page 16: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/16.jpg)
Regulator Watta
S
![Page 17: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/17.jpg)
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.
![Page 18: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/18.jpg)
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.
![Page 19: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/19.jpg)
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.
![Page 20: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/20.jpg)
Schemat regulacji antagonistycznej
Hormony
Narząd
Układ
Współczulny
Układ
Przywspółczulny
+ _
![Page 21: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/21.jpg)
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.
![Page 22: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/22.jpg)
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.
![Page 23: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/23.jpg)
Pomiar MPomiar Mmm stawu skokowego stawu skokowego
![Page 24: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/24.jpg)
Schemat utrzymania równowagi
F
COM
Fm
R
![Page 25: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/25.jpg)
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.
![Page 26: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/26.jpg)
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.
![Page 27: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/27.jpg)
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.
![Page 28: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/28.jpg)
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.
![Page 29: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/29.jpg)
Utrzymanie równowagiUtrzymanie równowagi
![Page 30: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/30.jpg)
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).
![Page 31: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/31.jpg)
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.
![Page 32: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/32.jpg)
STANSTANIEIE
Kuczyński M.(2003) – Model lepko-spreżysty w badaniach stabilności postawy człowieka /The viscoelastic model of quiet standing/. Studia i monografie. AWF Wrocław.
![Page 33: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/34.jpg)
Przebieg badania
![Page 35: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: PODSTAWY CYBERNETYKI REGULACJA PROCESÓW FIZJOLOGICZNYCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062518/568147ee550346895db52783/html5/thumbnails/36.jpg)
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