Podobně jako se v očích laika matematika zabývá čísly či biologie živou přírodou, kybernetika se zabývá tím, jak věci řídit. Jeli jste ráno do práce metrem? Nový mobil? Bez kybernetiky byste neměli to ani ono. Kybernetika je poměrně mladá věda, která se zabývá řízením - tedy jak něco dostat ze stavu A do stavu B. Obecně. Umí popsat neskutečnou řadu dějů i interakcí a navrhnout a realizovat jejich řízení. Její pole působnosti je obrovské, ale původně nacházela největší uplatnění hlavně pro řízení strojů. My se ale společně podíváme, jak může pomáhat v medicíně.
Když někomu řeknu, že jsem studoval kybernetiku, většinou na mě kouká, jako kdybych právě spadl odněkud z Marsu (kolikrát mám pocit, že jeho pohled nenápadně pátravě zkoumá moji hlavu, jestli na ní nenalezne nějaká malá zelená tykadla). Když se mu pak snažím vysvětlit, že kybernetika je vlastně jen věda o řízení, často slyším reakci: “Aha, řízení - takže manažeři a tak, že?” Ne prosím, tak to není. Podobně v médiích často člověk slyší, že se stal nějaký kybernetický zločin. Hodně lidí tak má slovo “kybernetika” spojeno právě s tím, ale to je také hodně zavádějící. Mnoho laiků má též mylný názor typu: “Kybernetika - aha, tak to jsou roboti, že jo?” Bohužel je také zklamu. Rovnítko mezi to rozhodně nepatří.
Slovo kybernetika pochází z řeckého Kybernetés, což znamená kormidelník, protože kormidelník řídí (v jeho případě loď). Za praotce kybernetiky je považován Hérón Alexandrijský (1. století n. l.), který třeba vymyslel samočinné zavírání dveří chrámu. Za skutečného otce kybernetiky je ale považován až Norbert Wiener a jeho kniha z roku 1948 “Kybernetika aneb řízení a sdělování u organismů a strojů”.
Klíčovým pojmem kybernetiky je zpětná vazba (abstraktní pojem označující informaci o aktuálním dění), snímač (měřící nějakou fyzikální veličinu), akční člen (starající se o akce, třeba pohyb) a regulátor (mozek celé soustavy). Obrázek 1 znázorňuje princip zpětné vazby - všimněte si, že regulátor kombinuje informaci z čidel s naším cílem řízení a na základě toho pomocí akčního členu ovlivňuje řízený systém. Fyzické nástroje, které kybernetika využívá k řízení věcí, se souhrnně označují jako řídicí technika. S kybernetikou úzce souvisí i celá řada dalších oborů - počítače, sítě, technika, přenos informace, matematika, fyzika, elektrotechnika, ale třeba i již zmíněná robotika.
Pojďme si to ale ukázat raději na analogii s lidským tělem. Vezměme příklad, který zná asi každý z nás - sprchu. Když si chcete dát sprchu, aniž jste o tom možná dosud věděli,
aplikujete principy kybernetiky. Otočíte kohoutkem a pokožkou ruky (snímač) zjistíte, jaká je teplota vody. Když je moc nízká či vysoká, mozek (regulátor) pomocí informace o teplotě
vody (zpětná vazba) vyhodnotí, zda máte přidat teplou či studenou, tedy otočit rukou (akční člen) patřičným kohoutkem. U řízení strojů to chodí podobně. Jen místo mozku bývá třeba
počítač, ruku nahrazují motory a pokožku například teploměr či jiná čidla.
K čemu ale taková věda o řízení vlastně je? Přináší řadu věcí: ve stručnosti lepší využívání techniky kolem nás, pokrok, automatizaci a tím související větší pohodlí pro člověka. Využití řídicí techniky najdeme dnes prakticky všude - v dopravě se stará o to, abyste se vůbec hnuli z místa, našli svůj kufr na letišti, aby se nesrazily vlaky, lépe fungovala silniční doprava nebo třeba aby se lidé neudusili v tunelech zplodinami. V budovách se stará o to, aby lidem nebylo zima ani teplo, v energetice řídí výrobu a distribuci energie. Průmysl je kapitola sama o sobě - drtivá většiny výroby je dnes zcela závislá na řídicí technice. V oblasti chemie najdeme mnohé aplikace ve výrobě pohonných hmot, chemických látek či třeba čištění odpadních vod. I ve vojenství nebo kosmonautice nalezneme ohromnou spoustu aplikačních příkladů (jak navigovat raketu, aby sestřelila tu nepřátelskou, jak dostat družici na oběžnou dráhu apod.).
V medicíně řídicí technika pomáhá také - existují robotické nástroje, které ulehčují práci chirurgům. V Motolské nemocnici dokonce už řadu let automatizovaní roboti vozí ložní prádlo (celé jedno z podzemních pater, kam se normálně dostanete výtahem, je vyhrazeno právě pro ně - člověk si tam chvilku připadá jako někde v budoucnosti).
Na našem ústavu se zabýváme zejména využitím automatického zpracování medicínských obrazů (rentgeny, CT snímky), tedy aplikovanou informatikou, která ovšem s kybernetikou úzce souvisí. Skládáme třeba obrázky do 3D modelů, které mají lékařům sloužit pro lepší přípravu na operaci. Cílem je, aby si lékař před samotným zákrokem mohl problematickou část pacientova těla prohlédnout například ve virtuální realitě nebo si mohl ortoped vytisknout třeba model komplikovaně zlomené kosti na 3D tiskárně a získat tím názornější představu o následném zákroku.
Dalším z aplikačních případů využití kybernetiky v medicíně, kterému se u nás věnujeme, je třeba sledování poruch chůze u pacientů po specifické operaci mozku. K němu využíváme mobilní robotickou platformu, která jezdí před pacientem a kamerou zaznamenává jeho chůzi. Robot má tedy snímač (kameru), akční člen (pohon kol) a pomocí zpětné vazby (informace o vzdálenosti pacienta) regulátor (počítač, který si robot veze) nastavuje, zda má zrychlit či zpomalit tak, aby pacientovi neujížděl a mohla se tak dobře zaznamenat dynamika jeho chůze, která se následně vyhodnocuje.
Posledním příkladem, který zmíním, může být třeba sledování obličeje pacientů po jiném operačním zákroku, kdy kamera snímá a počítač vyhodnocuje během několika měsíců úspěšnost rehabilitace. V tomto případě je kamera snímačem a funkci regulátoru zastává lékař, který na základě měřených dat dostává objektivní zpětnou vazbu o tom, jak se rehabilitace daří a může díky tomu případně léčbu individuálně uzpůsobit.
Autor je doktorandem na Ústavu počítačové a řídicí techniky