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