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

Symptomy

Choroby

Szum

Przetwarzani
e

Informacji

Diagnoz
a

Wiedza

Lekarska

Doświadczen
ie

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

y

Obiekt

Układ z pętlą sprzężenia

zwrotnego

Regulato
r

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

Hormon
y

Narzą
d

Układ

Współczuln
y

Układ

Przywspółczul
ny

+

_

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 M

Pomiar M

m

m

stawu skokowego

stawu skokowego

Schemat utrzymania

równowagi

F

COM

F

m

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

Utrzymanie 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).

STANI

STANI

E przebiegi COP i

E przebiegi COP i

COM

COM

Kuczyński M.(2003) – Model lepko-spreżysty w badaniach stabilności postawy
człowieka /The viscoelastic model of quiet standing/. Studia i monografie. AWF
Wrocław.

STAN

STAN

IE

IE

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

Przykładowe wyniki

JK (ur.-1941, m-83, h-164)

Były wyczynowy bokser, kolarz

szosowy, aktualnie uprawia

windsurfing