גרגרי זרימת אותות (SFGs) הפכו לכלים חיוניים בהנדסה ביו-רפואית, המציע שפה קומפקטית וויזואלית עבור מודל של שילוב מורכב של משתנים פיזיולוגיים.מתקנות פלט לב להגדלת הספייקציה עצבית, אלה גרפים מכוונים מאפשרים למהנדסים לפירוק התנהגות מערכת, לחזות תגובות להפרעות, והתערבות עיצוב עם דיוק גדול יותר.

מה הם אותות זרימה?

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בהקשר פיזיולוגי, צמתים עשויים לייצג כמויות כגון לחץ דם, קצב לב, משיכה חמצן, ריכוז גלוקוז או קצב ירי עצבי.עפיסות ללכוד את ההשפעה של משתנה אחד על השני - לדוגמה, כיצד עלייה בלחץ האמנות מעכבת זרימה אוהדת דרך משוב ברווקלטטור. כי SFGs משמר סיבתיות, הם מתאימים במיוחד עבור מערכות שבולאות, להאכיל, בקרה קדימה, וסיכמת אותות נפוצים של רגולציה פיזיולוגית.

מבחינה היסטורית, גרפים זרימת אות הוצגו על ידי סמואל ג'יי מייסון בשנות החמישים ככלי לניתוח מעגלים אלקטרוניים.התועלת שלהם הורחבה במהירות כדי לשלוט בתיאוריה, ולאחר מכן, במערכות ביולוגיות וביוטכנולוגיה.היום, SFGs הם מרכיב סטנדרטי של קורסי דינמיקת מערכת בתכניות לימודים להנדסה ביו-רפואית, לימד לעתים קרובות לצד דיאגרמות וייצוגי חלל.

יישומים בהנדסה ביו-רפואית

רוחב המערכות הביו-רפואיות שניתן לדגום SFG הוא עצום.כאן אנו מפרטים כמה תחומים מרכזיים שבהם הגרפים האלה הוכיחו חזקים במיוחד.

Cardiovascular Dynamics

מערכת הלב וכלי הדם היא יישום קלאסי. A טיפוסי SFG עבור הלולאה המפוזרים כולל צמתים ללחץ אוורור שמאל, לחץ אורטי, החזרה ארסית, קצב לב, נפח שבץ, והתנגדות היקפית כוללת.

  • מנגנון פרנק-סטארלינג: מילוי אוורור מוגבר מוביל לנפח שבץ מוגבר.
  • משוב ברורגפלקס: לחץ אמנותי גבוה גורם לירידה בקצב הלב והתנגדות היקפית באמצעות מערכת העצבים האוטונומית.
  • לחץ אווירי-אורני ⁇ s Drive Flow.

על ידי הקצאת רווחים (למשל, הרגישות של ברווקלטטור יורה שינויים בלחץ), הגרף הופך למודל כמותי המנבא כיצד המערכת מגיבה לאנתרופולוגיה, אינפוזיה לסמים, או פעילות גופנית. מהנדסים יכולים ליישם את הנוסחה של מייסון כדי להתאים את פונקציות ההעברה הכוללות, כגון הקשר בין קצב נוזל תוך ורידי ופלט לב.

לטיפול מתמטי מעמיק בדוגמת SFG לב וכלי דם, ראה את הטקסט הקלאסי (FLT:0 מערכות בקרה פיזיולוגיות על ידי מייקל KhooveFLT:1).

המונחים: mit

ב- Neurophysiology, גרף זרימת אותות מודל ההתפשטות של פוטנציאל פעולה באמצעות רשתות של נוירונים. Nodes מייצגים פוטנציאלים קרום או שיעורי ירי בנקודות שונות (soma, axon Hillock, synapse) ענפים משלבים רווחים סינפטיים (סיכסטורי או מעכב פוטנציאלים לאחר סינפטיים) ועיכובים זמן עקב התנהגות אקסקסוןאלית.

לדוגמה, SFG פשוטה של מעגל מעכב הדדי (כמו אלה בשקע השדרה שליטה ספין-חוט שליטה locomotion) יכול לחשוף התנהגות ודור דפוס. גרפים מורכבים יותר מודל הכנופיות הבזאליות-thalamocortical לולאות מורכבות הפרעות תנועה כגון מחלת פרקינסון.

תקנות מערכת הנשימה

הנשימה כוללת יחסי תערובת מתוחכמת בין chemoreceptors מרכזיים, chemoreceptors היקפי, מכניקת ריאות, ותבניות תבניות מוחות. SFG של מערכת הנשימה עשוי לכלול nodes for arterial CO2 לחץ חלקי, pH, קצב האוורור אינטנסיבי, נפח tidal, ו chemoreceptor פלט.

בושם סוף סוף מחזירים את מכניזם

מערכות הורמונליות מתחדשות עם לולאות משוב, מה שהופך אותם מועמדים אידיאליים לניתוח SFG.חשבו את ציר hypothalamic-pituitary-thyroid: nodes מייצגים את ההורמון שלך-relating (TRH), הורמון בלוטת התריס-stimulating הורמון (TSH), ואת Thyroxine (T4) להראות את ההשפעה החיובית של TRH על שחרור ותגובה שלילית של גירוי של דלקת מפרקים או RED של כל אחד של תרופות photite CIRD.

כמו כן, גלוקוז-ינסולין רגולציה ניתן מודל, עם צמתים לגלוקוז בדם, סודיות אינסולין, glucagon, וייצור גלוקוז hepatic. SFG ניתוח מגלה את התנאים ליציבות ואת הופעתה של תנודות היפרגליקוליות בסוכרת.

יישומים נוספים

  • (FLT:0)Pharmacokinetics and Pharmacodynamics:FLT:1 SFGs מייצגים ספיגה לסמים, הפצה, חילוף החומרים וההתרגשות (ADME) כרשת של תאים עם סלקציה ורווחים מחייבים.
  • (FLT:0) ביומאומניקה: FLT:1 משותף torque, הפעלת שרירים, ו kinematics גפיים ניתן לקשר באמצעות SFGs כדי ללמוד שליטה התנועה ועיצוב האסתטיקה.
  • רשתות אות:0 (Cellular Signaling:FLT:1 Intracellways (למשל, MAPK /ERK) הם מערכות זרימת אות טזנות אותות מטבעם, ו- SFGs מופחתת לעזור לזהות צמתים קריטיים עבור מיקוד סמים.

היתרונות של שימוש ב-Esal Flow Graphs במודלים ביו-רפואיים

SFGs מציעים כמה יתרונות ברורים על פני גישות מודלים חלופיים, כגון משוואות שונות או פונקציות העברת ארגז שחור.

בהירות חזותית ושקיפות אינטואיטיבית

פורמט הגרף המכוון הופך את הכיוון של השפעה מפורשת.כאשר שיתוף פעולה עם רופאים או ביולוגים שאינם מכירים משוואות שונות, SFG מספק שפה חזותית נפוצה.זה הרבה יותר קל לדון "לחץ הדם משפיע על קצב הלב באמצעות ענף זה" מאשר לפצף ממטריקס ג'ייקובי.

מודולריות ומודלים היררכיים

מערכות פיזיולוגיות מורכבות יכולות להיות מופצות לתוך תת-מערכות, כל אחת מהן מיוצגת על ידי SFG משלהן , חתימות אלה ניתן לשלב לאחר מכן באמצעות כללים סטנדרטיים (סדרה, מקבילה, חיבורים משוב) לדוגמה, מודל לב וכלי דם ניתן לבנות ממודולים נפרדים ללב, vasculature, ובקרת עצבית, ולאחר מכן מקושרים בצומת משותף (למשל, לחץ מתודולוגי).

יישום קל של פורמולה של מייסון

(ה) , נוסחת ההטבות של מייסון מאפשרת חישוב ישיר של תפקוד ההעברה הכולל מכל צומת קלט ללא פתרון כלל מערכת משוואות.הנוסה היא FLT:0T = ( ⁇ FLT:1kFalph:203) ו-(Limalpht) ⁇ FLT 3k 3kFLT: 5kFLT:6)

ניתוח רגישות

מכיוון שענפים יש רווחים מפורשים, נגזרת של תפקוד ההעברה הכולל ביחס לרווח נתון נגזר בקלות.מידע הרגישות הזה חיוני לזיהוי אילו פרמטרים פיזיולוגיים משפיעים במידה רבה על פלט הרצוי – למשל, שיש לשנות את הרגישות הקולטן כדי להשיג את השינוי הגדול ביותר בלחץ הדם.

עקבו אחרי Experimental Data

ניתן להעריך את היתרונות של נתונים בזמן באמצעות טכניקות זיהוי מערכת.converse, מבנה הגרף עצמו יכול להיות מופרע מאמצעי קישוריות (למשל, גריינג'ר סיבתיות), מה שהופך את SFGs גשר בין מודלים מונעים על ידי נתונים ומכניסטיים.עבור הדרכת אותות על שילוב SFGs עם מודלים דינמיים אמפיריים, ראה LTF:0 זה PS זרם אחד על גבי 1 גרף 1Fir UnS לא זורם אותות 1Fir 1 גרפים על גבי 1 גרפים על גבי 1F לינאריים על גבי גרף 1

מודל מערכת פיזיולוגית: דוגמה מפורטת של Cardiovascular

כדי לחזק את המושגים האלה, בואו נלך דרך SFG פשוטה של הרגולציה לטווח הקצר של מערכת הלב וכלי הדם.

  • (ב) ויקרא י"א:2 ויקרא:2 ויקרא:2 ויקרא י"ד): "לחץ ארטרי" (מ"ג)
  • (ב) ,0) ,(ה) ,(ה) ,(L/min)
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [15] ויקרא י"ד): "הלב" (ב"ב)

הקצוות מייצגים יחסים פיזיולוגיים מבוססים:

  1. (ב) [ה]] [ה]][דרוש מקור]] [=]]]] [=]=[=]]]]]]]]] [=[ה]]]]]]]]]]]] [ה'[ה']'[ה']'[ה']'[ה'[ה']'[ה']'[ה']'[ה'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה'[ה']'[ה'[ב[[ה']']']']']']'[ה']']'[ה']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ב[[ה']'[ה']'[ב[ה']']'[ה']']'[ב[[ה']']'[ה'[
  2. (FLT:0)CO = HR × SVFLT:1 אם נפח שבץ (SV) הוא קבוע עבור פשטות, אז CO הוא פרופורציה ישירה HR.Get: SV0.
  3. (ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  4. (ב) ⁇ :0) ,5 ,5 ,5 ,5 ,5 ,5 , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ל-SFG יש שתי לולאות משוב: אחד באמצעות HR ואחד באמצעות TPR, שניהם שליליים.שימוש בנוסחה של מייסון, אנו יכולים למקם את רווח הסגור מהפרעה ב- TPR (למשל, בשל תרופה פולשנית) לשינוי וכתוצאה מכך הלחץ האמנותי.הניתוח מגלה כי הברורה מקטין את הרגישות של לחץ לשינויים בתוצאה של אותה גורם שווה לרווחה.

סוג זה של מודל הוא אישר במחקרים רבים.עבור דוגמה מודרנית באמצעות SFGs כדי לדמות את ההשפעה של סיבולת וחילוץ נוזלים, ראה FLT:0 זה נייר 2019 ב Medical & הנדסה ביולוגית & מחשוב 10.

גבולות ואתגרים

למרות החוזקות שלהם, גרפים זרימת האות אינם תרופת פלאמה.יש להודות במגבלות מספריות:

  • (FLT:0) הנחה חד משמעית: ניתוח SFG סטנדרטי של SFG מניח יחסים ליניאריים עם רווחים קבועים.תהליכים פיזיולוגיים רבים הם לא לינארי (למשל, עקומות מינון sigmoidal, תופעות הסף) בעוד הלינייקינג המקומי סביב נקודת הפעלה הוא לעתים קרובות מקובל, הוא נכשל עבור הפרעות גדולות או מערכות עם הרחבות חזקות.
  • (FLT:0) לדינמיקה של זמן מפורש: FLT:1 SFGs מייצגים יחסים אלגברהיים; הם אינם כוללים באופן טבעי עיכובים, אינטגרטורים, או אפקטים נגזרים.כדי ללכוד דינמיות טרנספורמטיביות, יש להגדיל את הגרף עם אלמנטים דינמיים (למשל, לה-דומיין פונקציות העברה עבור כל ענף), מה שממיר את ה-SFG לתוך תרשים זה הוא פשוט מעבר לגרפים טהורים.
  • (FLT:0 (Difficulty) עם פרמטרים מבוזרים:BuildFLT:1 למערכות פיזיולוגיות לעתים קרובות כרוכות ⁇ מרחביים (למשל, ריכוז לאורך נהרון). SFGs הם מודלים חד-פעמיים חד-פעמיים מטבעם באופן מוחלט.
  • (FLT:0)Parameter estimation:FreaLT:1 ; הקצאת ערכי רווח מדויקים דורש נתונים ניסיוניים שעשויים להיות קשים או פולשניים כדי להשיג. במקרים רבים, רווחים מכוונים כדי להתאים את הממוצעים באוכלוסייה או נגזר מן הספרות, הצגת אי הוודאות.S ניתוח רגישות מסייע עדיפות אשר מקבל מדידה מדויקת.

כיוונים עתידיים ואינטגרציה

התפקיד של גרפים זרימת אותות בהנדסה ביו-רפואית מתפתח לצד התקדמות חישובית.שני מגמות מבטיחות הן:

מודלים היברידיים עם Machine Learning

החוקרים משלבים SFGs עם רשתות עצביות כדי ליצור מודלים מכניים למחצה.הגרף מטיל מבנה סיבתי ידוע, בעוד רכיבים מונעים נתונים (למשל, פונקציות רווח לא לינארי) נלמדים ממאגרי נתונים גדולים. גישה זו משמרת הפרשיות תוך לכידת התנהגות מורכבת.לדוגמה, SFG של גלוקוז-אין יכול לשלב רשת עצבית ללא תופעות לוואי של אינסולין.

מעקב אחרי מטופלים בזמן אמת ובקרת סף-לופ

SFGs מוטבעת באלגוריתמים למכשירים לבישים ומותאמים ל- . גרף פשוט של מערכת הלב וכלי הדם או האוטונומית ניתן לפתור בזמן אמת כדי להעריך משתנים לא ממוזנים (למשל, פלט לב מקצב הלב ולחץ הדם) או כדי להתאים את הפרמטרים של pacing במחבתות מלאכותיות סגורות או ממריצים במוח עמוקים.

משאב מועיל עבור אלה המבקשים ליישם SFGs בשליטה בזמן אמת הוא המאמר (FLT:0Wikipedia מאמר על גרפים זרימת אותות גרף 1), הכולל את התיאוריה הבסיסית ודוגמאות.

מסקנה

גרגרי זרימת אותות מספקים מסגרת עוצמתית ואינטואיטיבית לדגום את הרשתות המורכבות של רגולציה פיזיולוגית.על ידי ייצוג משתנים כנקודות והשפעות סיבתיות כמו הקצוות מכוונים עם רווחים, SFGs מאפשר מהנדסים ביו-רפואיים לנתח יציבות, פונקציות העברה פיזיולוגיות, לכמת רגישות, והתערבות עיצוב עם בהירות ושקה.מדינמיקה לב וכלי דם לעיגולים עצביים וסילוקרין, היישומים הם גמישים יותר לשילוב דינמיים ופתרונות מתקדמים יותר לתרגול יעיל יותר.