آشوب در معده و سیگنالهای معنی دار - وبلاگ ساعت زنانه

به گزارش وبلاگ ساعت زنانه، می توان گفت، حقیقتاً یکی از جالب ترین مصداق های رفتارهای آشوب گونه، حرکات لولهٔ گوارش و سیستم گوارشی است. قطعاً تصور رفتار پریودیک و امثال آن در خصوص چنین سیستمی بسیار دور از واقعیت خواهد بود. جالب این است، که نحوهٔ کلی حرکات لولهٔ گوارش به صورت emergent و تطبیق پذیر است. این جا است که ریاضیات دترمینیسم رنگ می بازد و صندلی

آشوب در معده و سیگنالهای معنی دار

نویسنده: یاسمن زندی مهران، دانشجوی کارشناسی ارشد

می توان گفت، حقیقتاً یکی از جالب ترین مصداق های رفتارهای آشوب گونه، حرکات لولهٔ گوارش و سیستم گوارشی است. قطعاً تصور رفتار پریودیک و امثال آن در خصوص چنین سیستمی بسیار دور از واقعیت خواهد بود. جالب این است، که نحوهٔ کلی حرکات لولهٔ گوارش به صورت emergent و تطبیق پذیر است. این جا است که ریاضیات دترمینیسم رنگ می بازد و صندلی و اهمیت evolutionary computation برای ما روشن می گردد. امروزه در بسکمک از مقالات و کتب به روز می توان نشانه هایی از توجه به این حقیقت را یافت. دانشمندان دریافته اند که پردازش و مدلسازی رفتارهای کیاتیک سیستم گوارشی تنها به وسیله این گونه ریاضیات قابل دست یابی است.

● علم آشوب در بحث Order and Chaos چگونه ما را در مطالعهٔ معده کمک می نماید؟

این که کیاس می تواند ما را در مشخص نوع سلامت یک دینامیک کمک کند، در بیولوژی معنای زیادی دارد. یک اندام سالم در طول زمان در یک بستر جذب دینامیک خود را طی می نماید و با وجود این که الگوهای خودسازمانده از خود بروز می دهد، ولی عدم قطعیت بر آن حاکم است و در شرایط مختلف در جاهای مختلف از بستر جذب خود حرکت می نماید. در حالی که این تغییرات برای حالت بیمار یا تصادفی است یا به سمت یک حالت کاملاً خاص حرکت می نماید و رفتار آن می تواند کاملاً قابل پیش بینی باشد. در چنین شرایطی قدرت پاسخ گویی بی معنا می گردد.

در معدهٔ سالم این رفتارهای خود سازمانده در طول زمان مشاهده می گردد، اگر چه ریتم های حرکات معده بسته به نوع غذا و شرایط فیزیکی و روانی متفاوت، تغییر می نماید، ولی دینامیک یک معدهٔ سالم، در بستر معینی حرکت می نماید.

● ساختارهای فراکتال در علم آشوب چگونه به منظور مطالعهٔ معده مورد استفاده قرار می گیرند؟

استفاده از ساختارهای فراکتال در مطالعهٔ معده، از بررسی ساختار فراکتال رگ ها و مویرگ ها و سیاهرگ ها تا مدلسازی عضلات معده و شکل معده و فعالیت آن می تواند کاربردی باشد. غذاهای متفاوت با ساختارهای متفاوت در زمان های متفاوت از شرایط روحی و جسمی وارد این محفظهٔ کوچک شده و در آن جا با هم مخلوط می شوند، اسید روی آن ریخته شده و با اسید معده مخلوط شده و به دلیل وجود همین حرکات معده به جلو رانده می شوند.

● اگر شکل معده و نحوهٔ حرکات آن به صورتی که وجود دارد نبود چه مشکلاتی پدید می آورد و این همان بحث رابطهٔ ساختار با رفتار است؟

مثلاً اگر معده حالت مایل نداشت، غذا سریع تر از معده خارج می شد و همین امر هضم و جذب غذا را با مشکل روبرو می ساخت.

وجود ساختارهای فراکتال گونه در رگ های پخش شده در سطح معده هم قابل مشاهده است.

در حقیقت، یکی از پرکاربردترین مباحثی که در رشتهٔ مهندسی پزشکی مطرح است، بحث پردازش سیگنال های بیولوژیک است. بدون شک درک رفتار و دینامیک یک سیستم به وسیله مشاهدهٔ خروجی های آن به اسم اولین روش شناخت می تواند مد نظر قرار گیرد. این مسئلهٔ در مطالعهٔ سیستم های بیولوژیک بیشتر نمود می یابد. از آن جا که دستیابی به اندام ها (مثلاً به منظور مطالعهٔ رفتار و عملکرد مغز) به آسانی میسر نیست، بعضاً حتی اگر بتوان چنین شرایطی را ایجاد کرد، لزوماً به شناخت صحیحی دست نیافته ایم که این معلول قطع تعاملات در چنین شرایطی است.

در نظر گرفتن تعامل بین اجزای سیستم و کل نگری، درک ارتباط دینامیک سیستم و هندسهٔ حاکم بر آن (هندسه و دینامیک از یک مفهوم نشئت گرفته اند)، عدم قطعیت در مقدار گیری های سیستم به اسم خاصیت ذاتی، مفهوم صحیح اطلاعات در یک سیستم و اندازه آگاهی ما از این اطلاعات (شرایط ill-defined) به اسم اصولی که این علم به آن ها می انجامد، نگرش تازهی را در پیش روی ما قرار می دهند.

آن چه که آشوب در مطالعهٔ ریاضی دینامیک سیستم نشان می دهد بسیار شگفت انگیز است. در این علم می توان دینامیک سیستم را تنها از روی چند متغیر به دست آورد و می توان در معادله ای مثلاً با سه متغیر تنها با داشتن یک متغیر به کل دینامیک دست یافت!!! بدون شک تنها دلیل چنین ادعایی وجود تعاملات در سیستم است. متغیرها بر هم اثر دارند و این تاثیرات نه تنها به صورت دلیل و معلولی نیست، بلکه منشأ اطلاعاتی دارد.

در این علم، دینامیک واقعی حاکم بر سیستم آشوب گونه توصیف می گردد و تظاهرات تصادفی که در ثبت وجود دارد و بسکمک آن را نویز می دانند، در واقع پویایی سیستم است، که شکل تصادفی دارد ولی در دل آن نظمی متعالی به چشم می خورد.

حقیقت این است که اطلاعات ما از دینامیک سیستم به صورت ناقص است. آشوب نه تنها این مسئله را نقص در مطالعات می داند، بلکه آن را لازمهٔ دینامیک سیستم می شمارد! بدین ترتیب مباحثی چون Data Mining و Information Processing در علم نوین در حال توسعه روز افزون است.

واقعیت پدیده های بیولوژیک در فضایی از عدم قطعیت اتفاق می افتد. فضایی که پدیده رفتارهای پریودیک صرف از خود نشان نمی دهد و به منظور حفظ بقای ارگان، احتیاج به رفتارهای متنوع اما در رنج محدودی وجود دارد. رنجی که اگر چه تظاهرات تصادفی دارد اما در واقعیت، ارتباطی عمیق را معنا می دهد. در این رنج از فعالیت ارگان ها و اندام ها، حرکاتِ ریتمیک شکل، بروز و ظهور مشخصی ندارند بدین معنا که تپش قلب مطمئناً به صورت پریودیک نخواهد بود. در بررسی آشوب در معده هم شبیه به قلب رفتارهای ریتمیک داریم که آشوب گونه هستند و در ادامه این امر در شبیه سازی ها اثبات می گردد.

با در نظر گرفتن کلی سیستم معده و ثبت فعالیت الکتریکی ناشی از این فعالیت ها به منظور درک عملکرد، الگوی spatiotemporal کیاتیک قابل مشاهده است که ناشی از فعالیت های متفاوت معده (مخلوط سازی، حل کردن غذا در اسید معده، به جلو راندن و ...) است. این سیگنال در اصطلاح gastric myoelectrical activity (GMA) نامیده می گردد.

نرخ فعالیت معده به صورت کیاتیک است. این تغییرات در ورزش، فشارهای عصبی و روانی، و فعالیت های فیزیکی تنوع می یابد اگر چه الگوی کیاتیک خود را حفظ می نماید.

سیگنال هایی که در بررسی ها مورد استفاده قرار می گیرد از سگ و انسان ثبت شده است که کانال های ثبت شده است. الگوهای خودسازمانده قابل مشاهده هستند، اگر چه که این ریتم ها شکل کاملاً منظمی ندارند ولی این تغییرات ناشی از نویز نیست، بلکه دینامیک حاکم بر سیستم مسبب آن است که شبیه سازی ها هم موید آن است.

این سیگنال ها، دارای سه فاز فعالیت هستند. فاز اول که در آن انقباض عضلانی نداریم و spikeهای قابل مشاهده تعداد کمی هستند. فاز دوم که مرحلهٔ آغاز انقباض است و اسپایکهای بیشتری قابل مشاهده است. فاز سوم که انقباض کلی رخ می دهد و اسپایکهای زیادی قابل مشاهده است. مدت زمان ثبت از 30 دقیقه تا 120 دقیقه فرق دارد.

● الکتروفیزیولوژی و آشوب در معده:

▪ حقیقت و واقعیت نهفته در پشت این سیگنال ها چیست؟ پاسخ این سوال در فعالیت کیاتیک سلول های معده معنا می یابد! شکل 4 مدلی از سلول های معده را نشان می دهد که به وسیله هاجکین-هاکسلی ارائه شده و الگوهای جالبی را از خود بروز می دهد.

در فازهای مختلف از فعالیت معده این رفتارها بروز می یابند.

دو مشخصهٔ آشوب در آزمایشات بیولوژیک و پدیده های زنده قابل مشاهده و توصیف است. بسکمک از فعالیت های الکتریکی بیولوژیک چنین الگوهایی را از خود بروز می دهند.

1) Slow Oscillators Omnipresent

2) Intermittently superimposed with Spiky activity: Fast Oscillation Spikeها، دارای مولفه های فرکانسی بالاتری هستند که occurrence آن ها ناپیوسته و تصادفی است. بدین ترتیب Spikeها و رفتارهای اسیلاتوری آرام دارای تفاوت هایی در اربیت های پریودیک هستند به گونه ای که اربیت های پریودیک Spikeها ناپایدار است. این تغییر حالت دینامیک سیستم به دلیل وجود تعاملات بین سلول های معده است که درجات آزادی سیستم راتغییر داده و رفتاری بروز می دهد که در کل متفاوت از اثر تک تک اجزاست. رفتار کیاتیک کل در معده منجر به این همه تنوع در انجام فعالیت های گوارشی در این اندام کوچک اما موثر است.

بررسی بایفورکیشن نشان از تائید و تصدیق آن چیزی است که آن را تحت اسم تعامل می شناسیم. این جا است که مشخصهٔ مورفولوژیکال هم ما را در درک آن چه علم آشوب به ما می آموزد، کمک می نماید. این آشوب است که نشان می دهد نتیجهٔ فعالیت 100 ها میلیون سلول گوارشی در پیکره ای به نام معده، متفاوت از فعالیت تک تک آن ها است و تعامل درجهٔ آزادی سیستم را کاهش می دهد اما تا جایی که قابلیت تطبیق را از بین نرود.

به این ترتیب به منظور پردازش سیگنال ها در حوزهٔ آشوب (نگرش کل نگر) و ریاضیاتی کردن آن باید از ویژگی هایی که کلیات دینامیک سیستم توصیف می نمایند استفاده کرد. از جملهٔ ویژگی های کلی سیستم می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1)information and entropy

2) lyapunov exponent

3) correlation dimention

4) fractal dimention

که مورد 1 و 2 در ادامه به صورت خلاصه شرح داده می شوند.

آنتروپی و اطلاعات به اسم ویژگی های کلی به حساب می آیند که می توانند سیستم را هویت یابی نمایند. در این جا مفهوم آنتروپی شانونی منتفی است و این ناشی از آن است که در سیستم آشوب گونه آنتروپی قبض و بسط می گردد، زیرا مفهوم اطلاعات هم معنای واقعی خود را دارد. در آنتروپی شانونی که برای سیستم های بسته در نظر گرفته می گردد، اطلاعات سیستم مصرف می گردد، بنابراین با کاهش اطلاعات آنتروپی افزایش می یابد؛ اما در آشوب، اطلاعات در سیستم برخی از مواقع نه تنها کم نمی گردد، بلکه افزایش هم می یابد. این افزایش اطلاعات ناشی از تزریق آن به سیستم نبوده بلکه جزء خواص ذاتی محسوب می گردد. به این ترتیب سیستم باز بوده و با محیط خود تعامل دارد و افزایش آنتروپی به معنای افزایش اطلاعات و درجهٔ آزادی است و متعاقباً تطبیق پذیری سیستم بیشتر خواهد شد که این به معنای افزایش پاسخ گویی سیستم به شرایط تازه و غیرقابل پیش بینی است.

بدین ترتیب معنای احتمالات هم معنای تازهی می یابد. در معنای شانونی بیت های اطلاعاتی دارای مفهوم اطلاعات از نوع شانس بوده و عدم قطعیت در مشاهدات ناشی از اثر محیط روی پارامترهای سیستم است؛ احتمال در این نگرش از نتیجهٔ چندین آزمایش در شرایط استاندارد (بسته فرض کردن سیستم) به دست می آید که این گونهٔ بدست آوردن احتمال با نگرشی غیرواقعی است. در حالی که عدم قطعیت در سیستم کیاتیک از نوع عدم قطعیت هایزنبرگی است یعنی اگر چه تغییر پارامتر داریم ولی این تغییرات در کل فضای اطلاعاتی نیست و در یک کلاستر است. در آشوب عدم قطعیت ناشی از ذات سیستم بوده و ناشی از تعاملات و دلیل و معلول های دورانی است.

بنابراین آن چه که آشوب به ما نشان می دهد همان ریاضیات مرتبط با کل نگری است که به وسیلهٔ آن می توان دینامیک واقعی سیستم را شناخت و در جهت حل مسایل به خصوص در حوزهٔ مهندسی پزشکی گام های موثرتر و صحیح تری برداشت.

این مفاهیم در ادامه به وسیله شبیه سازی مورد استفاده و تحلیل قرار گرفته است.

● بازسازی بستر جذب عجیب:

به منظور بررسی سیگنال در فضای حقیقی باید رفتار آن در فضای نسبیت بررسی گردد. رابطهٔ بازگشتی اول و دوم اشاره به همین مفهوم دارد. در این نگرش فضای نسبیت فضای لازم برای درک دینامیک سیستم است. روابط بازگشتی و iterative به صورت دلیل و معلولی نبوده و نتیجهٔ تعاملات ذاتی است. از آن جایی که این روابط از دینامیک سیستم ناشی می شوند، مطالعهٔ آن ها باید مورد بررسی قرار گیرد.

منابع:

１- مجموعه مباحث درس آشوب در مهندسی پزشکی، دکتر سید محمد رضا هاشمی گلپایگانی، 1385 [2]Chaotic Behavior of Gastric Migrating Myoelectrical Complex Zhishun S. Wang*, Senior Member, IEEE, Zhenya He, Fellow, IEEE, and Jiande D. Z. Chen, Senior Member, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 51, NO. 8, AUGUST 2004 [3] Z. S. Wang, M. Abo, and J. Chen, ًRhythm and chaos in the stomach,ً in In: Nonlinear Biomedical Signal Processing, M. Akay, Ed. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2001, vol. II, Dynamic Analysis and Modeling, pp. 319-338. [4] L. Glass and M. C. Mackey, From Clocks to Chaos: The Rhythms of Life. Princeton, NJ: Princeton Univ. Press, 1988. [5] S. K. Sarna and M. F. Otterson, ًMyoelectric and contractile activities,ً in Atlas of Gastrointestinal Motility in Health and Disease, M.M. Schuster, Ed. Baltimore, MD: Williams & Wilkins, 1993

منبع:مجله مهندسی پزشکی و تجهیزات آزمایشگاهی

ارسال به وسیله کاربر محترم:mohammad-43

منبع: راسخون