RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Małgorzata Kotulska, prof. PWr Katedra Inżynierii Biomedycznej Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska Wrocław 25 czerwca 2017 r. RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Tytuł rozprawy: Metoda interpretacji wybranych układów fizjologicznych w paradygmacie wieloagentowym w celu modelowania ich funkcjonowania i komunikacji Autor rozprawy: mgr inż. Sebastian Meszyński Promotor rozprawy: prof. dr hab. Oleksandr Sokolov Dziedzina: nauki fizyczne Charakterystyka rozprawy Recenzowana praca doktorska powstała na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika. Rozprawa została napisana w języku polskim, dołączono do niej krótkie streszczenie w języku angielskim. Praca liczy 137 stron i podzielona jest na 8 rozdziałów oraz spis literatury zawierający 123 pozycje. Ponadto, zawiera ona dwa krótkie streszczenia, w języku angielskim oraz polskim. Obiektem badań przedstawionej rozprawy doktorskiej było modelowanie układu regulacji insulina-glukoza, szczególnie w przypadku zaburzenia jego prawidłowego funkcjonowania spowodowanego cukrzycą. Autor przeanalizował dwa różne podejścia do modelowania tego typu metodę analityczną oraz wieloagentową. Następnie podjął próbę ich porównania oraz podania uogólnionego opisu metody wieloagentowej bazującej na przyjętym modelu analitycznym. Celem rozprawy było opracowanie założeń do metodyki modelowania układów fizjologicznych, która umożliwiałaby formułowanie modeli nie tylko bardziej zbliżonych do realnego funkcjonowania układu, ale także poprawiłaby zrozumiałość zastosowanego modelu. Konstrukcja modeli bardzo szczegółowych, których celem jest dokładne odzwierciedlenie wszystkich procesów fizjologicznych i złożonych współzależności pomiędzy elementami układu, prowadzi do bardzo rozbudowanych równań matematycznych, które znacznie trudniej interpretować i kontrolować ich poprawność w szczególnych 1

2 przypadkach. Ponadto ogólne modele analityczne nie zawsze wyodrębniają poszczególne składowe modelowanego układu, toteż ich aktualizacja uwzględniająca najnowsze wyniki szczegółowych badań jest dosyć trudna. Z kolei metody kompartmentowe zakładają pełną synchronizację czasową w funkcjonowaniu wszystkich składowych układu, a to nie zawsze dobrze oddaje rzeczywistość. Autor skupił się na podejściu wieloagentowym, próbując pokazać jego związek z bardziej tradycyjnym modelowaniem analitycznym, a równocześnie wykazać jego przewagę, szczególnie z uwagi na różne skale złożoności układów fizjologicznych. Tematyka rozprawy należy do istotnego kierunku badań z dziedziny biofizyki obliczeniowej. Badania z tego zakresu zmierzają do opracowania efektywnych algorytmów modelowania układów fizjologicznych, które nie tylko umożliwią skuteczne przewidywanie odpowiedzi układu na bodziec i efektów zmian w samym układzie, ale także interpretację modelu zrozumiałą z punktu widzenia medycyny i łatwość w rozbudowie lub dostrojeniu modelu. Jest to szczególnie istotne w modelowaniu tak złożonych układów jak organizm żywy, w których wiedza biologiczna zaimplementowana do modelu jest zawsze zredukowana. Dodatkową trudnością w analizie tego typu jest brak jednoznacznego wzorca dla obiektu biologicznego. Tezy rozprawy Teza rozprawy, podana na stronie 9, została sformułowana następująco: Stosując paradygmat wieloagentowy możliwe jest odwzorowanie układu regulacji insulina-glukoza na różnych skalach reprezentacji fizjologicznej. Autor rozwinął swoją tezę, definiując trzy cele poznawcze, które nazwał tezami pobocznymi. Stwierdził w nich, że system wieloagentowy pozwala zamodelować interakcje pomiędzy agentami w różnych warstwach, posiada własności emergentne, oraz można go opisać w sposób analityczny. Zawartość rozprawy Rozdział pierwszy rozprawy to wstęp do pracy. Autor przedstawił w nim motywację i cel pracy, rys historyczny rozwoju biofizycznych metod modelowania, sformułował główne tezy rozprawy, opisał metody badawcze, a na końcu streścił zawartość kolejnych rozdziałów. Rozdziały 2-5 pracy zawierają wstęp teoretyczny. W rozdziale drugim omówiony został rozwój metodyki modelowania biofizycznego, stosującego zarówno jednolite modele analityczne, jak i kompartmentowe. Rozdział 3 zawiera opisy budowy i funkcjonowania wybranych układów fizjologicznych, ze szczególnym uwzględnieniem układu homeostazy glikemii. Rozdział 4 przedstawia wybrane modele analityczne stosowane do modelowania homeostazy glikemii. 2

3 Rozdział 5 zawiera wstęp teoretyczny do modelowania wieloagentowego. Część badawcza rozprawy jest zawarta w rozdziałach 7 i 8. W rozdziale 7 autor przedstawia swoją koncepcję analitycznego opisu systemu wieloagentowego, który opisuje także analityczną postać przejścia pomiędzy klasycznym modelem biofizycznym i jego wieloagentowym odpowiednikiem. Autor prezentuje zarówno uogólniony opis macierzowy modelu wieloagentowego, zawierający analityczną postać interakcji pomiędzy poszczególnymi agentami, jak i praktyczną implementację swojego modelu na przykładzie zjawiska homeostazy glukozy. Implementacja modelu została przeprowadzona na 5 różnych przypadkach interakcji insulina-glukoza. Pracę zamyka rozdział 8, w który autor podsumowuje rozprawę i prezentuje wnioski. Ocena rozprawy Podjęcie przez doktoranta tematyki modelowania procesów fizjologicznych za pomocą systemów wieloagentowych było zasadne. Klasyczne modele biofizyczne skutecznie wyjaśniają podstawowe zjawiska zachodzące w określonym procesie fizjologicznym i zależności pomiędzy zmiennymi. Nie są jednak wystarczająco szczegółowe i niezawodne aby bezbłędnie wspomagać funkcjonowanie urządzeń technologicznych asystujących pacjentowi, na przykład przy pompie insulinowej. Wynika to z dużej złożoności procesów fizjologicznych. W dobie lawinowo rosnących danych z badań biomedycznych, można się pokusić o próbę bardzo szczegółowego opisu zjawisk. Niemniej jednak są do tego konieczne skuteczne algorytmy przeznaczone do danych typu big data, które umożliwią wydobycie z danych użytecznej informacji, oddzielenie jej od zjawisk nieistotnych, przy równoczesnym zachowaniu efektywności obliczeniowej modeli. Bardzo pożądane jest też utrzymanie przejrzystości interpretacyjnej modelu, co jest niezwykle trudne przy rozbudowanych modelach o dużej liczbie równań, które próbują uwzględnić wszystkie zjawiska i współzależności w opisywanym procesie. Doktorant zaproponował podejście wieloagentowe jako metodę rozwiązania problemu nieprzerwanego procesu rozbudowy szczegółowości modeli. Za cel postawił sobie utrzymanie związku pomiędzy modelem wieloagentowym a bazowym modelem biofizycznym oraz analityczną metodę opisu przejścia pomiędzy tymi dwoma podejściami. Jest to zgodne z oczekiwaniami wobec prac tego typu. Ideałem każdego procesu modelowania biofizycznego jest zrozumienie mechanizmu zjawiska nie wystarczy model generujący prawidłowe wyniki. Docenić należy rzetelne wprowadzenie czytelnika w tematykę zaburzeń cukrzycowych oraz modelowania biofizycznego, które autor przedstawił w rozdziałach teoretycznych rozprawy. Ta część jest zawiera wyczerpujące informacje i napisana jest ładnym 3

4 językiem. Jednak w opisie równań klasycznych modeli cukrzycy pojawiły się niedociągnięcia. Przedstawiając istniejące modele analityczne, autor nie zawsze podaje znaczenie użytych zmiennych. Szczegółowa lista równań ze zmiennymi wymagającymi objaśnienia podana jest w sekcji Uwagi redakcyjne niniejszej recenzji. Oryginalnym wynikiem naukowym rozprawy jest uogólniony macierzowy opis systemu wieloagentowego, w którym zawarta jest także analityczna postać przejścia pomiędzy klasycznym modelem biofizycznym i jego wieloagentowym odpowiednikiem, a także interakcje pomiędzy poszczególnymi agentami. Autor przedstawia też praktyczną implementację swojego modelu na przykładzie zjawiska homeostazy glukozy w 5 różnych przypadkach. Ta część pracy pokazuje zasadność postawionej w rozprawie tezy badawczej. Autor wykazuje, że system wieloagentowy można opisać w sposób analityczny, co ułatwi interpretację modeli i przewidywanie interakcji pomiędzy poszczególnymi agentami. Ponadto, za pomocą symulacji, ilustruje emergentne właściwości modelu wieloagentowego. Jako recenzent mam jednak zastrzeżenia do metodyki dowodzenia tezy rozprawy. Do jej udowodnienia autor wykorzystuje tylko jeden model analityczny: Solwijk-Hardy ego. Mimo swojej poprawności, nie jest to jedyny model analityczny homeostazy glukozy. Przy tym model ten nie prezentuje bardzo wysokiego stopnia złożoności i komplikacji, a to było jedną z przyczyn podjęcia tematu systemów wieloagentowych. Należałoby pokazać zachowanie kilku systemów agentowych opartych na różniących się modelach analitycznych, które reprezentują różne stopnie złożoności modelu analitycznego. Należało także pokazać wpływ asynchroniczności na wynik modelowania wieloagentowego i zbadać jak istotnie wyniki zależą od jej charakteru. Asynchroniczność jest główną cechą odróżniającą modelowanie wieloagentowe od kompartmentowego. Nie wiadomo czy w zastosowanym modelu analitycznym Solwijk-Hardy ego modelowanie wieloagentowe rzeczywiście wykazuje przewagę nad modelowaniem kompartmentowym i na ile asynchroniczność jest tu konieczna. Brakuje mi dyskusji warunków asynchroniczności, które powinny być zastosowane w modelowaniu homeostazy glukozy, po to żeby model lepiej odpowiadał rzeczywistemu układowi fizjologicznemu, a których uwzględnienie nie jest możliwe w modelach kompartmentowych. Autor powinien pokazać czy charakterystyki homeostazy uzyskane z modelu wieloagentowego rzeczywiście wykazują lepszą zgodność z opublikowanymi danymi klinicznymi niż prostsze modele kompartmentowe. 4

5 Szczegółowe uwagi redakcyjne: 1. Wprowadzenie modelu Solwijk-Hardy ego. Pierwsze odniesienie do tego modelu pojawia się na stronie 44, w postaci wyniku symulacji przeprowadzonych przez autora. Sam model i jego opis analityczny jest podany dopiero na str. 51 rozprawy. Takie rozdzielenie nie było dobrym wyborem, gdyż wyniki symulacji nie mogą być analizowane bez odniesienia się do konkretnej postaci modelu i omówienia jego założeń oraz mocnych i słabych stron. 2. Rysunki w rozprawie są na ogół zbyt małe i przez to użyty w nich tekst jest nieczytelny. Dyskusyjne jest też umieszczanie w pracy doktorskiej tak wielu rysunków skopiowanych bezpośrednio z innych źródeł, w tym z internetu. 3. Przedstawiając istniejące modele analityczne, autor nie zawsze podaje wyjaśnienie użytych zmiennych. W konsekwencji nie wyjaśnia jak zmienność wszystkich składowych równania odnosi się do konkretnych warunków badawczych. Dotyczy to następujących równań: a. R.9 str. 14 (k prim) b. R , str. 48 c. R. 108, str. 59 (zmienna P z gwiazdką) d. R , str.60 e. R. 114, str. 64 (zmienna R) f. R , str Przedstawiając istniejące modele analityczne, autor nie zawsze podaje wyjaśnienie użytych skrótów, np. FPGA na str W wielu wzorach przecinek pojawia się na początku linii wyjaśniającej opisującej równanie, zamiast po równaniu. 6. Cytowania do prac umieszczonych powinny odpowiadać ich kolejności w bibliografii (np. [110], [115] zamiast [115][110]). 7. W pracy pojawiają się błędy językowe, na przykład: a. logika Boolowska (powinna być użyta mała litera, str. 26) b. modele oparte o metody (zamiast na metodach, str. 25) c. między posiłkowych (powinno być pisane razem, str.42) d. żutuje (zamiast rzutuje, str. 127) e. użyto sformułowania tezą była uwaga (uwaga nie może być tezą, st. 127) f. zcharakteryzować (zamiast scharakteryzować, str. 127) 5

6 Podsumowanie Wymienione przez recenzenta błędy i niedopatrzenia nie wpływają na pozytywną ocenę przedstawionej rozprawy doktorskiej. Warto podkreślić, że dzięki przeprowadzonym badaniom wyłoniły się nowe problemy, wskazujące dalsze kierunki rozwoju tej tematyki. Autor rozprawy wykazał się wystarczającą wiedzą z dziedziny, niezbędną do uzyskania stopnia doktora. Zaprezentowane zostały wyniki samodzielnych badań naukowych, które zawierają elementy oryginalne. Autor przedstawił też adekwatny spis literatury przedmiotu. Biorąc pod uwagę omówione powyżej elementy oceny, stwierdzam że spełnia ona ustawowe wymagania określone w art. 13 ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki, i wnioskuję o dopuszczenie mgr inż. Sebastiana Meszyńskiego do kolejnych etapów przewodu doktorskiego oraz do publicznej obrony przedstawionej rozprawy. Małgorzata Kotulska 6