ebook Biocybernetyka. Metodologiczne podstawy dla inżynierii biomedycznej Ryszard Tadeusiewicz

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2013

Interdyscyplinarny podręcznik dla studentów i wykładowców kierunku inżynieria medyczna, przedstawiający osiągnięcia i metodologię biocybernetyki - technologii w służbie nauk przyrodniczych i medycyny. Dzięki nowoczesnej technice biologia pozyskuje nowe narzędzia badawcze (np. mikroskop elektronowy lub tomograf) i terapeutyczne. Technika z kolei wykorzystuje rozwiązania podpatrzone w organizmach żywych do rozwiązywania zadań inżynierskich. Inżynieria medyczna to już codzienność, a lekarz, aby skutecznie wykonywać swoją pracę, potrzebuje zaplecza w postaci nowej generacji sprzętu oraz kadry specjalistów umiejących go zaprojektować, obsłużyć i serwisować. W podręczniku ujęto m.in. następujące zagadnienia: - modele cybernetyczne i ich zastosowania, - metody tworzenia modeli biocybernetycznych, - biocybernetyczne modele prostych systemów biologicznych, - modelowanie systemów dynamicznych, - modelowanie systemu nerwowego i narządów zmysłów. Ponadto czytelnik znajdzie w niej praktyczne wskazówki i odniesienia do programów symulacyjnych zanurzonych w środowisku MATLAB i pozwalających na empiryczną eksplorację przedstawionych modeli na własnym komputerze. Książka oparta jest na bogatym doświadczeniu naukowym i dydaktycznym autora. W obszarze mniej lub bardziej związanym z problematyką proponowanej książki autor opublikował łącznie ponad 50 książek i blisko 1000 publikacji naukowych. W związku z tym prace autora są szeroko znane i często wykorzystywane we wszystkich ośrodkach naukowych w Polsce.
Każdy, kto chce tę dziedzinę [inżynierię medyczną] poważnie studiować i przyczyniać się do jej przyszłych sukcesów - powinien poznać przynajmniej podstawy biocybernetyki. Temu celowi służy właśnie ta książka. (Ze
Wstępu autora)

Spis treści ebooka Biocybernetyka. Metodologiczne podstawy dla inżynierii biomedycznej

Wstęp 11

1. Modele formalne, ich znaczenie i zastosowanie 23

1.1. Pojęcie modelu formalnego i jego zasadnicze cechy 23
1.2. Korzystanie z modelu formalnego 28
1.3. Schematy blokowe jako wygodny sposób prezentacji modeli formalnych 35
1.4. Sposoby wykorzystania modeli w biologii, inżynierii biomedycznej i innych dziedzinach 48
1.5. Rola modelu biocybernetycznego w diagnostyce medycznej 50
1.6. Rola modelu biocybernetycznego w terapii 52
1.7. Rola modelu biocybernetycznego w kontroli procesu leczenia 55
1.8. Rola modelu biocybernetycznego w prognozowaniu skutków leczenia 56
1.9. Stosowanie modeli w nauce i sukcesy poznawcze odnoszone dzięki ich użyciu 57
1.10. Modele formalne w biologii 62

2. Metodyka tworzenia modeli biocybernetycznych 66

2.1. Różnorodność modeli biocybernetycznych i jednorodność metodyki ich tworzenia oraz wykorzystywania 66
2.2. Opis postępowania przy budowie modelu biocybernetycznego 69
2.2.1. Zbieranie danych 69
2.2.2. Formalizacja i wybór odpowiedniego kształtu modelu 72
2.2.3. Metody przeprowadzania identyfikacji modeli 75
2.2.4. Identyfikacja czynna 76
2.2.5. Identyfikacja bierna i problem linearyzacji 80
2.2.6. Programowanie modelu symulacyjnego 88
2.2.7. Eksperymenty symulacyjne 98
2.3. Ograniczenia modelowania 103

3. Przykłady najprostszych modeli systemów biocybernetycznych 108

3.1. Model kości 108
3.1.1. Opis obiektu, założenia upraszczające i model formalny 108
3.1.2. Badania modelu i wnioski wyciągane na jego podstawie 112
3.1.3. Symulacja komputerowa modelu 117
3.2. Modele mięśni 122
3.2.1. Opis obiektu, założenia upraszczające i model formalny 122
3.2.2. Badania modelu i wnioski wyciągane na jego podstawie 129
3.2.3. Symulacja komputerowa modelu 131
3.3. Uwagi końcowe 134

4. Metodyka tworzenia modeli złożonych systemów biocybernetycznych 135

4.1. Modele systemów dynamicznych 135
4.2. Model nieleczonego raka jako model dynamiczny typu 1 138
4.3. Przejście od modeli obiektów składowych do modelu złożonego systemu 142
4.4. Przykład modelu złożonego systemu dynamicznego 149
4.5. Modele dynamiczne typu 2 – leczenie raka 154

5. Obiekty biocybernetyczne ze sprzężeniem zwrotnym 159

5.1. Struktura i ogólne właściwości obiektów ze sprzężeniem zwrotnym 159
5.2. Dynamika procesów w systemie ze sprzężeniem zwrotnym oraz rozróżnienie systemów ze sprzężeniem dodatnim lub ujemnym 164
5.3. Typowe przebiegi sygnałów w systemach ze sprzężeniem zwrotnym 170
5.4. Problem stabilności w systemach ze sprzężeniem zwrotnym 175
5.5. Przykłady biocybernetycznych modeli systemów ze sprzężeniem zwrotnym 181
5.5.1. Model tarczycy 181
5.5.2. Model metabolizmu węglowodanów 182
5.5.3. Model formalny sprzężenia zwrotnego w układzie sterowania mięśni 195

6. Modele systemu nerwowego i narządów zmysłów 209

6.1. Szczególna potrzeba modelowania systemu nerwowego i narządów zmysłów 209
6.2. Inteligencja jako emergencja 213
6.3. Model pojedynczej komórki nerwowej 218
6.4. Model odruchu warunkowego 221
6.5. Model prostego narządu zmysłu 225

Bibliografia 232