Fyziologická regulace v patogenezi kardiovaskulárních chorob i obecně MUDr. Stanislav Matoušek

Regulovaná a neregulovaná veličina Neregulovaná veličina Spadlý most Zlomená noha Regulovaná veličina Zima v kavárně Vysoký krevní tlak

Co probereme? 1. Základní pojmy teorie regulace 2. Druhy zpětných vazeb v těle (pozitivní, negativní) 3. Vznik poruchy/nemoci v regulovaném systému 4. Historie regulovaných systémů a jejich popisu 5. Různé druhy regulátorů 6. Regulace srd. výdeje a krevního tlaku srdce cévy ledvinný regulátor

Základní pojmy

Regulace neboli (automatické) řízení Regulace je každý děj, který minimalizuje rozdíl mezi skutečnými hodnotami regulované veličiny a tzv. žádanou (referenční) hodnotou této veličiny, a to na základě měření zmíněného rozdílu. Zdeněk Wunsch, Základy lékařské kybernetiky (1977) Pokud dojde ke změně nějaké proměnné prostředí (např. teploty)....and soustava umí tuto změnu téměř vykompenzovat...pak je tato soustava označována jako regulovaná. – Principia cybernetica web

Regulační ventil topení Regulace v otevřené smyčce (open-loop) Zpětnovazebná regulace (feedback) Regulátor nevyužívá měření výstupu (teploty) systému při „výpočtu“ řídící akce, Výstupní veličina řízeného systému změřena a poslána zpět k využití při „výpočtu“ řídící akce,

Otevřená smyčka

Porucha na vstupu Porucha vý- stupní veličiny

Uzavřená smyčka

Porucha na vstupu Porucha vý- stupní veličiny

Efekt zpětné vazby Rozdíl proti požadované hodnotě je (5x) menší než bez zpětné vazby

Otevřená smyčka vs. zpětná vazba Systém řízený v otevřené smyčce: Zpětnovazebně (v uzavřené smyčce) řízený systém:

Zpětná vazba ve fyziologii

Systém RAAS

Obecná struktura řízeného systému

Řízení teploty regulátorem Těleso radiátoru Thermo- meter Ohřev místnosti Nastavení thermostatu vs aktuální teplota Teplota v pokoji Vnější teplota Nastavení teploty Měřená teplota Ventil horké vody otevřen /zavřen

Příklady v medicíně Řízení glykémie β buňky Insulin Normální glykémie GLUT 4 tkáně Glykémie vstup Glc do buněk

Druhy zpětných vazeb v těle (pozitivní, negativní)

Regulace v lidském těle V těle existují dva systémy přímo specializované na řízení a regulaci: –endokrinní systém –nervový systém Kromě těchto dvou systémů existuje v každé buňce a každé tkáni mnoho procesů regulovaných lokální zpětnou vazbou

Lokální zpětná vazba

Systémová zpětná vazba

Negativní zpětná vazba PTH Ca Udržuje hodnotu regulované veličiny blízko rovnováhy (požadované hodnoty).

Pozitivní zpětná vazba + + faktor XII faktor XII a KalikreinPrekalikrein ++ Málo častá – amplifikace malé počáteční „odchylky“; Nedrží hodnotu regulované veličiny blízko rovnováhy

Vznik poruchy/nemoci v regulovaném systému

Diabetes mellitus β buňky Insulin Normální glykémie GLUT 4 tkáně Glykémie vstup Glc do buněk + - Diabetes I. typu Diabetes II. typu

Onemocnění obecně 1.Přerušení zpětnovazeb ní smyčky 2.Příliš velká poruchová veličina 3.Slabý akční člen 4.Špatně nastavená hodnota regulátoru

Historie regulace a zpětnovazebního řízení

Historie v technických vědách Nádobka záchodu Starověké Řecko a Řím: Plovákem řízený vtočný ventil

Parní stroj Jamese Watta

James Watt – centrifugální regulátor (fly-ball governor 1788)

Stabilita systému

20. století Maxwellova kritéria stability Problém telefonování na dlouhé vzdálenosti (využití elektronických zesilovačů) Bellovy telefonické laboratoře: H. Nyquist (1932) zjištění stability systému s použitím tvz. Nyquistova kritéria

Současnost

Historie v medicíně a biologii Schopnost živých organismů udržovat životní pochody v rovnováze a čelit tak rušivým vlivům je natolik výraznou vlastností, že (byla zaznamenána) již ve starověku. Zdeněk Wunsch Základy lékařské kybernetiky Dalším významným momentem, který byl viděn jako zdroj nemocí, jsou vnitřní nerovnováhy organismu. Tato myšlenka, ve své podstatě zajisté správná, je pozoruhodným způsobem transkulturní. Stanislav Komárek Spasení těla

Starověké Řecko Empedoklés z Agrigentu ( BC)

Starý Řím Galén

Starověká Čína

Konec 18. století a 19. století Lavoisier: Nutnost dynamické rovnováhy při látkové výměně (kyslík, složky jídla, teplo) Fredericq (1885): Živá soustava je útvar se schopností odpovědět na poruchové vlivy kompenzační aktivitou, která neutralizuje nebo opraví vzniklou odchylku.

Homeostáza – Walter Cannon –vznikla z dřívější myšlenky Clauda Bernarda rovnováhy vnitřního prostředí –popularizace v jeho knize Moudrost těla (1932) –Čtyři základní rysy homeostázy: Konstantnost otevřeného systému, jakým je naše tělo, vyžaduje mechanismy které působí zachování této konstantnosti. Ustálené podmínky vyžadují, aby jakákoliv tendence ke změně byla automaticky konfrontována s faktory, které působí proti této změně. Př: Zvýšení krevního cukru zvyšuje žízeň. Vypitá voda krevní cukr naředí. Regulační systém těla se skládá z velkého množství spolupracujících mechanismů, které působí současně nebo po sobě. Př. Krevní cukr je regulován inzulinem, glukagonem a jinými faktory (žízeň). Homeostáza je výsledkem organizovaného automatického řízení (organized self-government).

Kybernetika – Norbert Wiener 1948 kniha Kybernetika: Aneb řízení a komunikace ve zvířeti a ve stroji. Kniha formalizuje teorii řízení zpětnou vazbou a výrazně ovlivnila mnohá odvětví vědy: Teorii řízení, informatiku, robotiku, biologii a medicínu, sociologii, ekonomii a společenské vědy

Počátky matematické biologie – Arthur Guyton a Thomas Coleman

Thomas Coleman a Laboratoř biokybernetiky Ústavu patologické fyziologie

Vsuvka

Připomenutí středoškolské matematiky

Derivace

Důležité funkce

Integrál

Různé druhy regulátorů

Typy zpětnovazebných regulátorů Nejjednodušší regulátor se nazývá proporcionální (P). Vždy existuje rozdíl mezi žádanou a skutečnou hodnotou výstupní veličiny. Tento rozdíl je tím větší, čím větší je velikost poruchové veličiny, a čím menší je senzitivita zpětné vazby (tzv. zesílení zpětnovazební smyčky)

S vysokou citlivostí (zesílením) zpětné vazby se systém může znestabilnit.

Integrální regulátor Tento regulátor je schopen během doby snížit rozdíl mezi žádanou (referenční) a skutečnou hodnotou regulované veličiny k nule. Nemůže být moc rychlý, má pak tendenci systém znestabilnit

Derivační regulátor Nelze je použít samotný. Stabilizuje systém

PID regulátor Proporcionální- integrální-derivační

Regulace krevního tlaku

Krevní tlak a srdeční výdej závisí na: Vlastnostech srdce: Kontraktilita Frekvence Vlastnostech (průsvitu) cév Tonus arteriol ovlivňuje hlavně odpor (rezistenci) Tonus vén a artérií ovlivňuje přes poddajnost objem řečiště (při daném tlaku) Objemu cirkulující krve

Srdce Autonomním nervovým systémem Endokrinním systémem Lokálními tkáňovými faktory Vlastnosti srdce: Kontraktilita Frekvence

Cévy Tonus cév –poddajnost –odpor Autonomním nervovým systémem Endokrinním systémem Lokálními tkáňovými faktory

Objem cirkulující krve Je dán rozdílem mezi příjmem vody a solí a jejich výdejem Výdej řídí ledvinný regulátor Odpor ledvinných arteriol Rychlost filtrace a resorpce Renin-angiotensin aldosteronový systém

„Ledvinno-tekutinový“ mechanismus kontroly tlaku Ledviny vylučují více tekutin až do doby, kdy tlak se ustálí přesně na rovnovážné (referenční) hodnotě Jedná se o regulátor I (integrálního) typu. Všechny ostatní mechanismy regulující tlak (např. periferní odpor) jsou proporcionálního typu

„Ledvinno-tekutinový“ mechanismus kontroly tlaku

Zvýšený periferní odpor hypertenzi často provází, ale není její hlavní příčinou

Mechanismy účinku antihypertenzní léčby Diuretika Beta-blokátory ACE inhibitory Blokátory Ca++ kanálu

Co jsme probrali? 1. Základní pojmy teorie regulace 2. Druhy zpětných vazeb v těle (pozitivní, negativní) 3. Vznik poruchy/nemoci v regulovaném systému 4. Historie regulovaných systémů a jejich popisu 5. Různé druhy regulátorů 6. Regulace srd. výdeje a krevního tlaku srdce cévy ledvinný regulátor

Shrnutí Co to je regulace Zpětnovazební regulace (v uzavřené smyčce) Stejná struktura regulačního obvodu v technice a medicíně. Nemoci - často rozpojení regulačního obvodu - nebo příliš velký vychylující (poruchový) vliv Stabilní hodnota je při regulaci dosažena negativní zpětnou vazbou Historie teorie řízení a kybernetiky Základní typy regulátorů: PID regulátory Dlouhodobě ovlivňují krevní tlak pouze ledviny a příjem tělesných tekutin a solí (jediný integrální regulátor)

Cruise control - automatické řízení rychlosti auta

Regulace v otevřené smyčce (open-loop) vs. zpětnovazebná Pokud regulátor nevyužívá měření výstupu systému při „výpočtu“ řídící akce, pak je systém tzv. řízený v otevřené smyčce. Pokud je výstupní veličina řízeného systému změřena a poslána zpět k využití při „výpočtu“ řídící akce, pak je systém zpětnovazebně řízený. V angličtině „feedback controlled“

Matematické modely a formalizace Vše co dokážeme kvantifikovat slovy může být také vyjádřeno vzorcem (jazykem matematiky) Matematika nám dává velmi silné metody k dedukci správných závěrů z předpokládaných elementárnějších vztahů “Nekritický entusiasmus matematického formulování má často tendenci zakrývat klíčové obsahové nuance argumentace, která probíhá za fasádou algebraické symboliky a „jistoty““ Wassily Leontief nositel Nobelovy ceny za ekomomii

Vývoj v 19. století Matematická teorie regulace: J.C.Maxwell: On Governors/ O regulátorech (1868) definoval kritéria stability E.J.Routh A.M. Lyapunov dále rozpracovali kritéria stability

20. století Problém telefonování na dlouhé vzdálenosti (využití elektronických zesilovačů) Bellovy telefonické laboratoře: H. Nyquist (1932) zjištění stability systému s použitím tvz. Nyquistova kritéria (používá komplexní čísla)

Příklady v technice