Concetti di teoria dei sistemi spiegati in termini semplici per comprendere meglio come funzionano i simulatori
Semplici catene causali di eventi non sono sufficienti per cogliere fenomeni complessi come l’evoluzione del clima, la salute e le malattie del corpo umano o la diffusione di malattie infettive. La teoria dei sistemi offre un approccio alternativo per formulare e rispondere a domande su tali fenomeni. Lo scopo di questo breve articolo è introdurre i suoi concetti di base al pubblico di SIMZINE.
Un sistema è un insieme strutturato di parti interagenti. Una variabile indipendente è una quantità variabile nel tempo nell’ambiente del sistema che influenza il comportamento del sistema. Una variabile dipendente è una quantità di interesse nel sistema, variabile nel tempo, la cui influenza sull’ambiente dipende dalle variabili indipendenti. La quantità di liquido somministrata a un paziente è un esempio di variabile indipendente. La conseguente evoluzione della pressione sanguigna è un esempio di variabile dipendente. Utilizzando queste quantità possiamo porre domande di base sul comportamento del sistema e fornire spiegazioni o previsioni pertinenti.
Caratteristiche fondamentali correlate di molti sistemi sono la loro organizzazione gerarchica (si possono distinguere sistemi e sottosistemi) e la modularità (parti o sottosistemi possono essere uniti o sostituiti da parti equivalenti). La medicina occidentale considera il corpo umano in termini di sistemi di organi, organi, tessuti, cellule e molecole. Riparare o sostituire parti danneggiate o malfunzionanti è una pratica quotidiana per allungare l’aspettativa di vita. Molti sistemi includono meccanismi di controllo del feedback. Il feedback negativo ha un ruolo stabilizzante e aiuta a mantenere le variabili critiche in intervalli ristretti in condizioni ambientali mutevoli. Ad esempio, la diminuzione del contenuto di ossigeno nel sangue durante l’esercizio si tradurrà in un aumento della ventilazione, aumentando nuovamente i livelli di ossigeno. Il feedback positivo non è importante solo nella comunicazione e nell’istruzione, ma si verifica anche in natura. Ad esempio, durante il travaglio la testa del feto spinge sulla cervice, provocando il rilascio di ossitocina, che si traduce in contrazioni più profonde e più veloci, aumentando la pressione sulla cervice, fino al parto. L’ingegneria del controllo e la progettazione del sistema sono altre aree che si basano sulla teoria dei sistemi. La modellazione è il “ramo esecutivo” della teoria dei sistemi.
Un modello è una rappresentazione formale delle relazioni tra variabili di sistema di interesse. Lo sviluppo di un modello inizia formulando i requisiti sotto forma di una versione più esplicita di Figura 1, ad esempio per un modello del paziente in terapia intensiva.
Ulteriori requisiti del modello possono specificare quali meccanismi vi devono essere riflessi, quali meccanismi possono essere esclusi e qual è il miglior livello di rappresentazione. Ad esempio, il baroriflesso o la funzione renale dovrebbero essere rappresentati o no? Cellule e tessuti dovrebbero essere modellati o i modelli a livello di organo sono sufficientemente accurati? I modelli più complessi sono spesso più accurati, ma hanno più parametri (costanti nelle equazioni del modello che determinano le relazioni tra le variabili) che devono essere stimati e la loro implementazione software potrebbe essere eseguita troppo lentamente per l’applicazione prevista. Lo sviluppo del modello comporta quindi la formulazione di un modello concettuale. Esempi di modelli concettuali sono diagrammi a blocchi dettagliati di sottosistemi connessi o diagrammi di componenti. Progettare e costruire un modello fisico è un’opzione, ma più spesso deriviamo un modello matematico e lo implementiamo nel software, vedi inoltre van Meurs (2011). I modelli più semplici possono essere analizzati matematicamente, ma per i modelli complessi dei sistemi fisiologici usiamo spesso la simulazione.
Un simulatore è un dispositivo che assume l’aspetto e il comportamento di un sistema. Per i simulatori utilizzati nella ricerca, dove l’accento è posto sul comportamento del sistema, le variabili indipendenti possono essere impostate tramite tastiera e le variabili dipendenti possono essere tracciate. Per i simulatori di formazione medica, sono importanti sia il comportamento che l’aspetto del simulatore. Il comportamento del simulatore può essere controllato da un operatore o automaticamente da script o modelli di scenari, vedi anche van Meurs, et al. (1997). I copioni predefiniti si comportano in modo prevedibile, ma non ci si può aspettare che riflettano tutte le potenziali situazioni risultanti dalla manipolazione di molteplici interventi da parte del/i tirocinante/i. In un successivo articolo torneremo sulla progettazione di simulatori di addestramento per cure acute.
I sistemi abbondano nella sanità. La modellazione e la simulazione si applicano allo studio, alla formazione e alla progettazione di tutti questi sistemi. L’ambito della rivista accademica sottoposta a revisione paritaria, Advances in Simulation, include la ricerca empirica e concettuale sulla teoria dei sistemi e la modellazione e simulazione della fisiologia umana. I contributi su uno qualsiasi di questi argomenti sono i benvenuti.
Referenze
Van Meurs WL, Good ML, Lampotang S. Functional anatomy of full-scale patient simulators. J Clin Monit 1997 Sep;13(5):317-24.
Van Meurs W: Modeling and simulation in biomedical engineering: Application to cardiorespiratory physiology, New York, McGraw-Hill, 2011.
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