Лекция ВВ1 (Электронные лекции)

Лекция ВВ1

Введение.

§1. Биотехнические системы: структурная схема,

пассивное и активное управление.

Биотехническая система (БТС) представляет собой совокупность биологических и технических элементов, объединенных в единую функциональную систему целенаправленного поведения. БТС замкнуты в единый контур управления и основаны на принципах взаимодействия живой и неживой природы посредством информационного, энергетического обмена и обмена веществами [1].

Основное свойство БТС –суперадаптивность, обусловленная наличием двух контуров адаптации системы – внешнего и внутреннего. Внешний контур обеспечивает БТС возможность выполнять свою целевую функцию в условиях переменных воздействий внешних факторов, внутренний позволяет элементам БТС взаимно адаптироваться к изменению состояния друг друга, вызванного воздействием внешних и внутренних факторов [1, 2]. Под влиянием воздействий состояние системы в целом также может измениться. Совокупность процессов перехода из одного состояния в другое составляет сущность управления . Выполнение функций БТС связано с потоками вещества и энергии, а управление осуществляется за счёт потоков информации [3, 4].

Медицинская БТС (БТС-М) должна обязательно содержать систему мониторинга непрерывной (текущей) диагностики состояния живого организма. Различают 3 вида БТС-М: диагностическая, терапевтическая и хирургическая.

Связи (информационная, энергетическая, вещественная) по своей направленности в системе могут быть прямыми, обратными, нейтральными. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинации от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью функций элементов. Обратная связь в БТС-М используется в основном: а) для контроля за процессом воздействия; б) для управления процессом лечения. Наличие обратных связей характерно для адаптивных систем.

Биотехническая система медицинского назначения.

Вся медико-биологическая информация, поступающая от пациента, делится на медленно изменяющиеся процессы (МИП) и на быстро изменяющиеся процессы (БИП). МИП – процессы с <1 Гц (частота сердечных сокращений, частота дыхания, температура тела и т.д.), БИП – электрофизиологические процессы (электрокардиосигнал, электроэнцефалограмма и т.д.), _бип  0,11000 Гц. [1].

На рис.В1 приведена структурная схема измерительно-информационной БТС-М. На ней приняты следующие условные сокращения.

П – пациент;

ДПИ – датчик-преобразователь первичной информации;

БУ – блок усиления;

БП – блок преобразования электрического сигнала в цифровую форму;

ААС – автоматический анализатор состояний;

БР – блок регистрации;

Состояние пациента демонстрируется на экране дисплея системы отображения информации (СОН);

ВСИ – блок сжатия информации для БИП;

БВИП – блок выделения информативных признаков;

ДП и ОП – блок долговременной и оперативной памяти;

В – врач. Врач принимает решения о методе лечения и выборе лечебных средств (ЛС).

ЭМК - электромеханический контроллер или электронный преобразователь сигнала.

Мониторные системы (МС) БТС-М характеризуются двумя видами управления. Пассивное реализуется в МС с обратной связью, включающей действия врача. Система функционирует посредством выработки сигналов визуальной и (или) звуковой тревоги, которая включается как только в физиологическом сигнале отмечены какие-то существенные отклонения (в простейшем случае он вышел из заданного диапазона). Сигнал тревоги вырабатывается в БВИП и поступает в БР и СОИ и используется для управления. При этом врач старается вернуть физиологический параметр в его нормальный диапазон посредством лекарств, электрошока и других терапевтических мер. Иначе говоря, в БТС-М пассивного типа энергетическое воздействие является однонаправленным, условно от биологических объектов к техническим. Примером такой БТС может служить комплекс приборов для измерения электрокардиограммы (ЭКГ).

При активном управлении, т.е. в замкнутой информационно – измерительной и управляющей БТС-М, существует непосредственная обратная связь между БВИП и ЭМК физиологического выхода системы. При этом электронный преобразователь сигнала анализирует поступающую с БВИП информацию и корректирует параметры БТС. В вычислительных МС роль БВИП выполняет ЭВМ. В БТС-М активного типа осуществляется тот или иной тип воздействия на организм с лечебно – диагностическими целями.

БТС может включать источник поля (источник ультразвука, лазер, источник электромагнитного поля, рентгеновский источник) для воздействия на биообъект.

Обязательно рассмотрение реакции биообъекта на внешнее воздействующее поле, т.е. взаимодействие следует рассматривать в рамках биотехнической системы. Если существенно как воздействие на биообъект, так и обратное воздействие биообъекта на поле, то имеем БТС активного типа (рис.В2), в отличие от одностороннего случая, когда БТС именуется пассивной.

Рис. В2.

Схема БТС активного типа с различными типами воздействия на биообъект. Здесь биосенсоры (биодатчики) регистрируют тот или иной эффект взаимодействия объекта с веществом и преобразуют в электрический сигнал. Обозначения: Р – давление, Т – температура, э/м – электромагнитное поле.

Параметры воздействующих физических полей для диагностики и терапии не должны превышать радиуса адаптации биообъекта, т.е. той величины, в пределах которой система способна самостоятельно вернуться в исходное состояние. Если параметры воздействующих полей превышают радиус адаптации, то возможны необратимые процессы или переход биообъектов в патологическое состояние. Иначе, можно ставить вопрос о пороговом значении воздействия. Соответственно изучение поведения БТС может проводиться в подпороговом режиме (в рамках адаптации), надпороговом (с акцентом на производимые изменения) и в пограничном (процессы вблизи точки бифуркации). Если же параметры биообъекта превышают адаптацию технических элементов, то БТС не способна правильно сориентироваться и выработать тактику поведения. Такое случается, например, при терапевтическом или хирургическом воздействии. Таким образом, должен выполняться принцип идентификации, который требует единства информационных и управляющих сигналов, с помощью которых производится вещественный, энергетический или информационный метаболизм внутри БТС [1, 3, 4].

Обобщенная количественная мера энергетического воздействия на биообъект обычно именуется дозой. Такое определение дозы, учитывающее в принципе любые воздействия, нуждается в конкретизации для того, чтобы его можно было рассматривать как рабочее для определенного вида взаимодействий. Распределение накопленной в объеме биообъекта энергии далеко не всегда поддается доверительной оценке. Рассматривая биообъект как черный ящик, на который осуществляется внешнее воздействие, необходимо выделить отклик биообъекта на это воздействие. Если нет возможности отследить и количественно охарактеризовать отклик, то нет возможности и предсказать результаты взаимодействия. Но понятие отклика требует специального определения, учитывая сложность объекта воздействия и постоянно имея в виду системный характер взаимодействия. Будем понимать под откликом совокупность всех результатов, которые можно в той или иной степени связать с данным воздействием. Количественной мерой отклика является совокупность соотносимых параметров [], поддающихся измерению доступными средствами. Измеряя эти соотносимые параметры, можно предсказывать биологический эффект, даже не зная параметров самого биообъекта.

Тем самым основную задачу дозиметрии можно сформулировать следующим образом: построение функциональной зависимости между совокупностью параметров воздействия и соотносимыми параметрами отклика и использование этой функциональной зависимости для управления самим воздействием.

Заметим, что вторая часть поставленной задачи может быть решена только при уже известной функциональной зависимости между параметрами воздействия и соотносимыми параметрами отклика (обычно эта зависимость в литературе именуется «доза-эффект» []. Правильный прогноз отклика может быть сделан только в том случае, когда построение функции воздействие-отклик (ФВО) проведено корректно. В конкретных задачах, где результаты воздействия выражаются большим и априори неизвестным количеством параметров, построение ФВО включает в себя всю совокупность эвристических элементов как исследовательского, так и метрологического характера.

Основной целью данного курса является изучение влияние физических полей, используемых в БТС, на биообъект.