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.
Technika symulacji
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
Model epiedmiologiczny
Model epiedmiologiczny
Model socjologiczny
Model psychologiczny
Model fizjologiczny
Model molekularny
Model genetyczny
skala czasu
ś
c
wzrost niepewno
ś
ci modelu
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
systematyzacja
formalizacja
i analiza
Zebranie wyników badań
Model matematyczny
i obserwacji klinicznych
i obserwacji klinicznych
Program
symulacyjny
Wnioski z Wyniki
symulacji symulacji
Badania symulacyjne
Weryfikacja laboratoryjna
i kliniczna
praktyki
Wzbogacenie
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
Syntetyczny
model oparty Uproszczony
Wzorzec
na wzorcu model
znaleziony
w przyrodzie techniczny
w przyrodzie techniczny
w przyrodzie
w przyrodzie
Poszukiwane
rozwiązanie
Wpływ wiedzy przyrodniczej
na twórczość inżynierską
Zasób
wiedzy
i umiejętności
technicznych
technicznych
Poszukiwanie
Poszukiwanie
nowych
Nowe
niekonwencjonalnych
rozwiązania
techniczne
Zasób
rozwiązań
wiedzy
przyrodniczej
Wykorzystanie badań
przyrodniczych w technice
Rozpoznanie
i opisanie
Badania
nowego zjawiska
przyrodnicze
w przyrodzie
Adaptacja
i analiza w celu Nowe rozwiązania
techniczne
zastosowania
technicznego
Rola analogii w biocybernetyce
Proces
Określenie
projektowania
uwarunkowań
Kolejne
rozwiązania
Poszukiwanie
zadanie
rozwiązań
rozwiązań
projektowe
o wysokim
stopniu analogii
Zasób
wiedzy
przyrodniczej
Alternatywny
uproszczony model
rozwiązania
Współpraca techników i biologów
Określenie charakterystyki
i funkcji obiektu technicznego
Analiza biologiczna zbioru
organizmów
Synteza i budowa
modelu technicznego
Biokinematyka
ROBOTY
i dynamika poruszania się
I URZ
DZENIA MOBILNE
organizmów lądowych
Biohydrodynamika
B
POJAZDY NAWODNE
I PODWODNE
I
Bioaerodynamika
POJAZDY LATAJ
CE
CZYNNIE I BIERNIE
O
N
Badania struktur,
NOWE MATRIAA
Y I
budowy szkieletu
ELEMENTY KONSTRUKCJI
ELEMENTY KONSTRUKCJI
I
I
i powierzchni
zwierząt
Badanie struktur,
NOWE MATRIAA
Y I
K
budowy
ELEMENTY KONSTRUKCJI
i powierzchni roślin
A
Biokomunikacja
SYSTEMY STEROWANIA
SIECI NEURONOWE
ze środowiskiem
NOWE y
RÓDA
A
Bioenergetyka
ENERGII I PALIWA
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).
 Głodny żółw (wyładowany
akumulator) dąży do kontaktu ze
Drogę żółwia zaznacza lampka paląca się
światłem, bo w oświetlonym domku ma
na jego skorupie (fotografia długoczasowa
ładowarkę do akumulatora
pokazuje ruch z
ródła światła jako smugę)
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
ścigają się
w poszukiwaniu
domku z ładowarką
Elsie widzi swoje odbicie w lustrze i tańczy
sama, ale potem udaje się do domku
Żółw
w rozterce:
musi
wybrać,
które z
ródło
światła
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