Modelowanie i symulacja

komputerowa systemów

biologicznych

Wykład nr 04 z kursu

Wykład nr 04 z kursu

Biocybernetyki

dla Inżynierii Biomedycznej

prowadzonego przez

Prof. Ryszarda Tadeusiewicza

Obecnie informatyka w ogóle,

a informatyka

medyczna

medyczna

w szczególności

często posługuje się

często posługuje się

techniką modelowania

i symulacji komputerowej

Metodyka

modelowania

systemów biomedycznych polega na

znajdowaniu dla nich opisów formalnych

w postaci matematycznych modeli.

symulacji

Technika

symulacji

systemów biomedycznych polega na

wykorzystaniu komputera do obliczania

wartości występujących w modelach

matematycznych oraz na wizualizacji

wyników w postaci dogodnej do analizy

Dla realizacji celu, jakim było komputerowe modelowanie różnych systemów

budowano kiedyś specjalne systemy obliczeniowe, tzw. maszyny analogowe

Maszyna analogowa:

a) programowanie za pomocą połączeń,
b) polska maszyna analogowa ELWAT

Obecnie do tych celów służą
specjalne programy (Matlab)

Inżynierowie posługują się często modelowaniem

różnych systemów – zwłaszcza na etapie ich

projektowania

Modele pozwalają wygodnie obserwować zjawiska

bardzo trudne do obserwacji w rzeczywistości

Modele obiektów typowo

wykorzystuje się w architekturze

Ma to oczywiście zastosowanie

także w inżynierii biomedycznej

Model pozwala na symulacje

sytuacji, które trudno by było

wywołać w rzeczywistości

Różnice w koncepcjach poznania naukowego

w medycynie na przestrzeni epok

Modele

Model jest zawsze obecny w procesie rozumowania medycznego,

chociaż nie zawsze jest jawnie przywoływany

Hierarchiczne modelowanie

procesu chorobowego

ś

c

i

m

o

d

e

lu

Model epiedmiologiczny

skala czasu

Model fizjologiczny

Model socjologiczny

Model molekularny

w

z

ro

s

t

n

ie

p

e

w

n

o

ś

c

Model psychologiczny

Model genetyczny

Model epiedmiologiczny

Model matematyczny jako narzędzie

tworzenia wiedzy medycznej

Bio-modelowanie

z punktu widzenia lekarzy ma zawężony zakres

Tworzenie modelu procesu chorobowego

Weryfikacja modelu procesu chorobowego

Etapy tworzenia modelu procesu chorobowego

Kolejność prac przy tworzeniu modelu

Zebranie wyników badań
i obserwacji klinicznych

systematyzacja

i analiza

formalizacja

Model matematyczny

W

zb

o

g

a

ce

n

ie

p

ra

kt

y

ki

i obserwacji klinicznych

Program

symulacyjny

Wyniki

symulacji

Badania symulacyjne

Wnioski z

symulacji

Weryfikacja laboratoryjna
i kliniczna

Modelowanie wiąże się zawsze

z szeregiem ograniczeń

Modelowana

rzeczywistość biomedyczna

Wybrany fragment tej

rzeczywistości będący modelowanym systemem

Aktualny stan wiedzy na temat modelowanego systemu

Aktualny stan wiedzy na temat modelowanego systemu

Model będący odwzorowaniem tej części wiedzy

którą można wyrazić za pomocą matematyki

i poddać symulacji za pomocą komputera

Rola modelowania w medycynie

Rola modelowania w technice:

naśladownictwo biologicznych

„patentów”

Samolot

Etricha Taube

wzorowany na

kształcie gołębia

Samolot Clementa Adera, wzorowany

na skrzydłach nietoperza

Zmiana stosunku człowieka do

Natury

Ogólna strategia badań

bionicznych

Wzorzec

znaleziony

w przyrodzie

Syntetyczny

model oparty

na wzorcu

w przyrodzie

Uproszczony

model

techniczny

w przyrodzie

w przyrodzie

techniczny

Poszukiwane

rozwiązanie

Wpływ wiedzy przyrodniczej

na twórczość inżynierską

Zasób

wiedzy

i umiejętności

technicznych

P

oszukiwanie

technicznych

Zasób

wiedzy

przyrodniczej

Nowe

rozwiązania

techniczne

P

oszukiwanie

nowych

niekonwencjonalnych

rozwiązań

Wykorzystanie badań

przyrodniczych w technice

Badania

przyrodnicze

Rozpoznanie

i opisanie

nowego zjawiska

w przyrodzie

Adaptacja

i analiza w celu

zastosowania

technicznego

Nowe rozwiązania

techniczne

Rola analogii w biocybernetyce

Proces

projektowania

Kolejne

zadanie

Określenie

uwarunkowań

rozwiązania

Poszukiwanie

rozwiązań

projektowe

Zasób

wiedzy

przyrodniczej

rozwiązań

o wysokim

stopniu analogii

Alternatywny

uproszczony model

rozwiązania

Współpraca techników i biologów

Określenie charakterystyki

i funkcji obiektu technicznego

Analiza biologiczna zbioru

organizmów

Synteza i budowa

modelu technicznego

Bioaerodynamika

Biohydrodynamika

Badania struktur,

budowy szkieletu

Biokinematyka

i dynamika poruszania się

organizmów lądowych

ROBOTY

I URZĄDZENIA MOBILNE

NOWE MATRIAŁY I

ELEMENTY KONSTRUKCJI

POJAZDY LATAJĄCE

CZYNNIE I BIERNIE

POJAZDY NAWODNE

I PODWODNE

B

I

O

N

I

Bioenergetyka

i powierzchni

zwierząt

Badanie struktur,

budowy

i powierzchni roślin

Biokomunikacja

ze środowiskiem

ELEMENTY KONSTRUKCJI

NOWE MATRIAŁY I

ELEMENTY KONSTRUKCJI

SYSTEMY STEROWANIA

SIECI NEURONOWE

NOWE ŹRÓDŁA

ENERGII I PALIWA

I

K
A

Gdy nie istniały jeszcze łatwo dostępne

i tanie komputery – ludzie i tak usiłowali

modelować systemy biologiczne,

budując w tym celu bardzo ciekawe

i skomplikowane systemy

i skomplikowane systemy

mechaniczno-elektroniczne.

Najbardziej efektownym ich przykładem

były „zwierzęta cybernetyczne”

Zwierzęta cybernetyczne

Rysunek żółwia Elsie Waltera Graya

z 1950 roku i przykład jego zachowania

Układ elektroniczny będący

„mózgiem” żółwia był bardzo prosty

Walter Gray przy pracy oraz jeden

z jego żółwi

Zachowanie żółwia było sterowane

głównie przez fototropizm, ponieważ

w oświetlonym „domku” żółwia był

zasilacz ładujący jego akumulatory

Widoki żółwia odnalezionego na

początku XXI wieku

Zachowania żółwi:

„Syty” żółw (akumulator naładowany)
penetruje otoczenie, omija przeszkody
(czujnik dotykowy) i dąży do światła
(fotokomórka), ale nie zbliża się do niego
nadmiernie (okrąża świecę jak ćma).

Drogę żółwia zaznacza lampka paląca się
na jego skorupie (fotografia długoczasowa
pokazuje ruch źródła światła jako smugę)

„Głodny” żółw (wyładowany

akumulator) dąży do kontaktu ze

ś

wiatłem, bo w oświetlonym domku ma

ładowarkę do akumulatora

Dwa żółwie (Elmer

i Elsie) widzą się

nawzajem (bo

mają lampki na

skorupach) więc

początkowo dążą

ku sobie i tańczą

ku sobie i tańczą

wokół siebie, ale

potem zgłodniałe

ś

cigają się

w poszukiwaniu

domku z ładowarką

Elsie

widzi swoje odbicie w lustrze i tańczy

sama, ale potem udaje się do domku

Ż

ółw

w rozterce:

musi

wybrać,

które źródło

ś

wiatła

będzie

adorować

Różne roboty

w kształcie

zwierząt były

bardzo popularne.

Ja sam w ramach

pracy magisterskiej

zbudowałem

elektronicznego psa!

Obecnie jednak do modelowania

pojedynczych komórek, narządów,

systemów oraz całych żywych

systemów oraz całych żywych

organizmów wykorzystuje się

głównie komputery

Modele komputerowe (i inne) systemów

biologicznych buduje się często także dla

potrzeb techniki.

Technika bardzo często rozwiązywała i rozwiązuje swoje problemy

posługując się naśladowaniem wzorów przyrodniczych!

Ten wątek twórczo rozwija

Biocybernetyka

Budowa modeli

systemów

bionicznych może

mieć też różne

zastosowania

przy tworzeniu

sztucznych

narządów.

Dobry model może

być prototypem

przyszłej protezy