Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web


dokumentace:dlouhodobe_cile_laboratore

Dlouhodobé cíle laboratoře biokybernetiky

motto:

„Snili jsme po léta o instituci nezávislých učenců, kteří spolupracují nikoli jako podřízení nějakého velkého vedoucího, ale spojení touhou, ba duchovní potřebou, pochopit tuto oblast jako celek a dodávat si navzájem sílu, aby to pochopili.“

Norbert Wiener


Moderní doba přináší zásadní zlom v technologiích, které podstatnýcm způsobem zasahují (a v brzké budoucnosti ještě více zasáhnou) do všech oblastí života člověka. Svět se stává stále globálnější, původní soupeření o tuny produktů ve vyspělých ekonomikách přechází do souboje o dokonalejší a rychlejší informace a znalosti. Vytváří se nový tržní segment, kde se obchoduje s nehmotným produktem, myšlenkami, nápady a know-how. Roste úloha znalostí a dovedností člověka v celém ekonomickém procesu. Nositelem ekomomického rozvoje společnosti se postupně stává intelektuální a znalostní potenciál lidí.

Vytváření podmínek a uplatnění motivačních stimulů pro rozvoj člověka, kultivaci potenciálu jeho znalostí, dovedností a celkového rozvoje osobnosti je jedním z klíčových faktorů, který z dlouhodobého hlediska rozhodne o budoucím úspěchu či neúspěchu každé země.

Moderní společnost je spojena s novými, vyššími požadavky na vzdělávání, ale zároveň i s novými prostředky, které naopak vzdělávací systém může efektivně využívat: nové technologie nabízejí nové, efektivnější metody pro distanční vzdělávání, uplatnění multimedií, rozvoj simulátorů aj.

Úloha informačních technologií pro vzdělávání roste i vzhledem ke stále širší nutnosti celoživotního vzdělávání v dané profesi i stále častějším požadavkům na rekvalifikace.

Roste úloha univerzit jako vzdělávacích, výzkumných a inovačních center.

Dlouhodobým cílem je to, aby naše laboratoř v přispěla k modernizačnímu úsilí ve výuce i vývoji na naší fakultě a univerzitě.

Modelování fyziologických systémů

Uplatnění modelů ve výzkumu

Počítačové modelování biomedicínských systémů souvisí s výzkumnou problematikou matematicky formalizovaného popisu fyziologické reality - tj. s převedením popisu biologické reality a příslušné sítě vztahů z čistě slovní deskripce na formalizovaný popis v jazyce matematiky. Proces formalizace jednotlivých věd je spojen s vytvořením adekvátního formálního jazyka po sémantické i syntaktické stránce. Tento proces proběhl u fyzikálních věd v podstatě převzetím jazyka matematiky a vývojem obou věd (matematiky a fyziky) ve vzájemné vazbě již v 18. a v první polovině 19. století, u chemie formalizace začíná v devatenáctém a vrcholí v kolem poloviny dvacátého století. U biologických a lékařských věd je proces formalizace (z důvodů složitosti a komplexnosti biologických systémů) relativně opožděn a přichází až s kybernetikou a výpočetní technikou.

Ve fyziologii se s formalizovanými popisy setkáváme již od konce šedesátých let (od průkopnických prací Grodinse a spol., popisujících respiraci). Určitým klasickým mezníkem byl popis cirkulace Guytonem a spol. z roku 1972, který byl prvním rozsáhlejším modelem, snažícím se zachytit širší fyziologické souvislosti oběhového systému, dýchání a ledvin. Od konce sedmdesátých let se v odborné literatuře postupně objevují rozsáhlé simulační modely, snažící se integrativně zachytit spletité vztahy mezi regulací ledvin, dýchání, oběhu, iontového složení, acidobazické rovnováhy a dynamiky tělních tekutin pomocí soustav nelineárních diferenciálních rovnic, rozvíjí se i modelování interakcí struktur nervové tkáně. Bouřlivý rozvoj modelování biologických systémů však přichází zejména v posledních letech v souvislosti s novými možnostmi, který přináší technický pokrok v oblasti výpočetní techniky a Internetu. Stoupá počet prací využívajících počítačové modely pro vyhodnocování a interpretaci výsledků experimentálních dat zejména při studiu nervové tkáně, respirace, oběhu a ledvin. A tak jako teoretická fyzika se snaží interpretovat výsledky experimentálního výzkumu ve fyzikálních vědách, tak i nový fyziologický směr, nazývaný někdy „integrativní fyziologie“, se snaží o formalizovaný popis vzájemného propojení fyziologických regulací. Metodickým nástrojem jsou zde počítačové modely.

Aktivity v této oblasti se snaží koncentrovat i mezinárodní projekt PHYSIOME (http://nsr.bioeng.washington.edu/NSR/physiome), který je následníkem projektu „GENOME“ jehož úkolem bylo mapovat sekvenci nukleových kyselin lidského genomu. Cílem projektu PHYSIOME je integrovat biofyzikální, biochemické a fyziologické znalosti pomocí modelů fyziologických systémů.Evropská unie vytýčila v této oblasti cíl koordinovat úsilí evropských pracovišť v projektu Europhysiome.

Tvorba integrativního modelu lidského organismu

Integrativní modely lidské fyziologie propojují jednotlivé fyziologické subsystémy do jednoho celku. Jsou velmi rozsáhlé (obsahují tisíce proměnných) a  reprezentují formalizovaný popis vzájemného propojení fyziologických regulací. Tyto modely mohou sloužit pro vysvětlení kauzálních souvislostí patogeneze řady onemocnění, mohou se uplatnit ve vyhodnocování klinických testů i jako jádro sofistikovaných lékařských trenažérů. Díky rozvoji trhu lékařských trenažérů se tyto modely se stávají součástí chráněného firemního know-how a jejich struktura nebývá zveřejňována. Nicméně i ve světě existují open-source rozsáhlé modely integrovaných fyziologických systémů - nejrozsáhlejším z nich je model HumMod amerických autorů z Mississippi Medical Center, s nimiž již vice než šest les spolupracujeme. Model HumMod je velmi rozsáhlý, jeho zdrojový kód obsahuje stovky XML souborů. Rozvoji rozsáhlých modelů lidské fyziologie napomáhá i  nová generace (tzv. equation-based) simulačních prostředí, zejména jazyk Modelica. Našim příspěvkem v této oblasti je rozsáhlý modeli lidské fyziologie PHYSIOMODEL, který představuje reimplementaci a rozšíření modelu HumMod verze 1.6 v jazyku Modelika, a na rozdíl od XML reprezentace v původním modelu amerických autorů je model v jazyce Modelica mnohem přehlednější. Chtěli bychom okolo tohoto modelu vytvořit komunitu pro jeho další vývoj.

Vzhledem k rozsahu současných biomedicínských modelů pro jejich popis (a reprodukovatelnost) nestačí pouze klasické odborné časopisy. Proto vznikly speciální elektronické archivy spojené s příslušnými simulačními platformami, určené pro tvorbu a archivaci biomedicínských modelů. Domníváme se, že budoucnost i v této oblasti patří také akauzálnímu jazyku Modelica, pro níž existují jak komerční tak i volně stažitelné nekomerční vývojové nástroje. Věříme, že v budoucnu jazyk Modelica může být jedním z nástrojů pro vytváření databází fyziologických modelů. Chtěli bychom přispět k rozvoji databází fyziologických modelů v jazyce Modelica – struktura modelů v Modelice je (díky akauzálnímu principu a objektově orientované strukuře) mnohem blíže struktuře modelované reality, než modely napsané v dosud používaných jazycích v repozitářích modelů typu CellML a JSim. Krom toho, na rozdíl od nástrojů jazyka CellML a JSim se emusíme starat o vývoj jazyka a příslušných simulačních nástrojů – o to se postará tlak průmyslu, kde se Modelica stále šířeji uplatňuje.

Uplatnění modelů ve výuce

Rozvoj počítačů také přináší i nové možnosti uplatnění simulačních modelů ve výuce. Spojení multimediálního prostředí sloužícího jako grafické a zvukové uživatelské rozhraní se simulačními modely totiž umožňuje demonstrovat složité regulační procesy (a jejich poruchy) formou interaktivní simulační hry - výstupy těchto modelů jsou v multimediálním programu vizualizovány pomocí křivek v grafech nebo změnou obrazů, pohybem objektů apod. Jsou proto ideální kombinací zejména pro vysvětlování kauzálních zákonitostí a průběhu složitých procesů. Počítačové modely z oblasti medicíny a biologie proto nyní nacházejí přímé praktické uplatnění v sofistikovaných výukových programech a lékařských simulátorech, jejichž význam s rozšiřováním počítačů a Internetu dále poroste. Jedním z projektů naší laboratoře pro podporu výuky je rozvoj interaktivního webového Atlasu fyziologie a patofyziologie.

Uplatnění modelů v klinické praxi

Počítačové modely biomedicínských systémů nemají jen teoretický, ale i praktický význam. Lze je uplatnit při vytváření nových diagnostických a léčebných postupů a při konstrukci nových lékařských přístrojů.

Rozvoj e-Health

Informační technologie nabízejí stále efektivnější (ale i náklad-nější) diagnostické a léčebné postupy a svou náročností si vyžadují efektivnější alokaci finančních i lidských zdrojů a řešení problematiky jeho ufinancovatelnosti. Rozvoj informačních a telekomunikačních technologií na druhé straně nabízí možnost efektivnějšího řízení a fungování zdravotnictví jako celku.

Jedním z dlouhodobých cílů naší laboratoře je (podle našich možností i zájmu kompetentních orgánů) přispívat některými koncepčními návrhy i vybranými praktickými řešeními k rozvoji e-Health v ČR.

Vytvoření multidisciplinárního týmu

Navzdory tomu, že se využití počítačů ve výuce stalo tématem řady konferencí, odborných i popularizačních článků, přesto, že hardwarové možnosti i softwarové nástroje dnes již dospěly do úrovně umožňující vytvářet náročná interaktivní multimedia, k výraznému rozšíření multimediálních výukových programů ve výuce medicíny zatím nedošlo.

Příčin je několik. • Za prvé, ukazuje se, že tvorba výukových programů je podstatně náročnější na čas, lidské i materiální zdroje, než je obvykle plánováno • Za druhé – tvorba kvalitních medicínských výukových programů vyžaduje týmovou multidisciplinární spolupráci zkušených pedagogů, lékařů, matematiků, fyziků, programátorů i výtvarníků. • Konečně, pro kreativní propojení různých profesí, podílejících se na tvorbě výukové multimediální aplikace, musí být k dispozici vhodně zvolené vývojové nástroje (jejichž ovládnutí vyžaduje určité úsilí a čas). • Nároky stoupají, pokud na pozadí výukového programu má běžet simulační program, umožňující interaktivní simulační hry - ve vývojovém týmu pak musí být i odborníci, kteří jsou schopni navrhnout, formalizovat a odladit příslušné modely (lékaři, matematici, fyzici a informatici).

Obdobné bariéry jsou při uplatnění počítačů v lékařském výzkumu i ve zdravotnické praxi. Efektivní uplatnění nových informačních technologií v medicínských aplikacích vyžaduje multioborovou spolupráci. Ta ovšem předpokládá, že členové týmu mají určitý překryv znalostí, který umožňuje, aby se vzájemně domluvili.

Důležitým dlouhodobým cílem je vybudování multidisciplinárního týmu lékařů, matematiků, programátorů i výtvarníků, který je schopen tyto bariéry překonat.

Spolupráce uvnitř Univerzity Karlovy

Moderní univerzita by neměla být federací autonomních fakult. Proto multidisciplinární tým budujeme jako otevřený a budeme spolupracovat na konkrétních úkolech především s ostatními lékařskými fakultami UK a s Matematicko-fyzikální fakultou.

Strategická spolupráce s ČVUT

Naším strategickým partnerem je, vzhledem k zaměření naší práce, ČVUT. Členové naší laboratoře se účastní výuky na ČVUT a v naší laboratoří jsou realizovány i diplomové práce studentů ČVUT.

Spolupráce s výtvarnou školou Václava Hollara

Pro vytvoření profesionálního uživatelského rozhraní výukových programů potřebujeme výtvarníky, kteří ovládají interaktivní počítačovou grafiku. Takto vzdělaných výtvarníků je ovšem nedostatek. proto jsme v minulosti založili úzkou spolupráci s Výtvarnou školou Václava Hollara a společným úsilím jsme na výtvarné škole otevřeli nový obor vyšší odborné školy "interaktivní grafika", kde se také aktivně účastníme výuky (zejména v oboru „Ovládání interaktivity“). Zároveň jsme na smluvním základě v prostorách výtvarné školy zřídili Laboratoř interaktivní grafiky jako dislokované pracoviště naší laboratoře.

dokumentace/dlouhodobe_cile_laboratore.txt · Poslední úprava: 2017/03/09 17:07 autor: kofranek