КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (Всякое)

27

Светлой памяти Владимира Ивановича Лощилова,

друга и учителя

Часть 1. Количественные методы описания биологических объектов

1. ВВЕДЕНИЕ

1. Техника для медицины.

Характерной чертой общественного развития является ускоренный рост индустрии техники для медицины (медтехники) и биотехнологий (биотехники).

В качестве одного из наиболее известных примеров медицинской техники можно привести рентгеновскую аппаратуру, широко используемую для диагностики – определения состояния внутренних органов и тканей (Рис. 1.1).

Рис.1.1.

В рентгеновском аппарате излучение (3) рентгеновской трубки (2) проходит через ткани тела человека (1) и в различной степени поглощается ими. В результате на экране (4) получают изображение – теневые проекции внутренних органов. Используя полученное таким образом изображение, можно судить о состоянии организма - ставить диагноз.

В приведённом примере пациент – биообъект, а рентгеновский аппарат – техническое устройство. Основными элементами этого устройства являются рентгеновская трубка, генерирующая рентгеновское излучение, блок питания, управляющие подсистемы, флуоресцентный экран.

Рентгеноскопия представляет собой неинвазивный (без вмешательства внутрь организма) метод технической диагностики состояния внутренних органов.

Примером современной медицинской техники для функциональной диагностики является реограф – прибор для оценки состояния системы кровообращения. Принцип действия реографа (Рис. 1.2) основан на зависимости электропроводности живой ткани от протекающих в ней физиологических процессов.

Рис. 1.2.

Изменения импеданса Z участка ткани между измерительными электродами, вызванные колебаниями кровенаполнения сосудов, преобразуются в изменения напряжения U на выходе схемы. Эти изменения затем усиливаются, детектируются и регистрируются в виде кривых – реограмм. На основе реограммы врач ставит диагноз – даёт оценку состояния кровообращения на исследуемом участке тела.

В данном примере медицинской техники – реографа биологическим объектом является исследуемый участок тела; электроды вместе с измерительными и регистрирующими подсистемами представляют собой техническое устройство.

Аэроионизатор – устройство для аэроионотерапии («люстра Чижевского») относится к классу физиотерапевтической аппаратуры. Это техническое устройство предназначено для обогащения воздуха от­рицательно заряженными супероксид-ион радикалами О₂^¯ (аэроионами) (Рис.1.3). Супероксид-ионы О₂^¯ , проникая через легкие в кровь, взаимодействуют с тканями. В результате в малых дозах аэроионы оказывают оздоровительное действие на организм человека. Кроме того, при взаимодействии аэроионов с воздухом происходит осаждение пыли, вредных аэрозольных частиц и уничтожение микроорганизмов.

Рис.1.3.

В аэроионотерапии в качестве технического устройства выступает люстра Чижевского с блоком питания и элементами управления. Биологическими объектами являются организм человека в целом, а также микроорганизмы в атмосфере и в лёгких.

Очень важно иметь в виду, что повышенные концентрации ионов О₂^¯ оказывают повреждающее действие на ткани. Здесь, как и в рентгеноскопии, также как и в общем случае использования медицинской техники, следует строго дозировать воздействие технического устройства на биологический объект (элемент принципа биоадекватности).

К аппаратуре для жизнеобеспечения при хирургических вмешательствах относятся специальные технические средства для искусственной вентиляции легких (ИВЛ). Аппараты ИВЛ необходимы для обеспечения серьезных хирургических операций.

ИВЛ представляет собой наиболее эффективный (а иногда единственный) метод лечения опасного для жизни полного или частичного нарушения дыхания, возникающего вследствие тяжелых инфекционных заболеваний, серьезной патологии нервной системы и органов дыхания, при травмах, ранениях и поражениях электрическим током.

Рис 1.4.

Физическую сущность реализации ИВЛ можно свести к необходимости ритмичного введения в легкие пациента определенного объема газа (Рис. 1.4.). Здесь биологическим объектом является система внешнего дыхания. Пневматические механизмы вместе с измерительными и регистрирующими подсистемами представляют собой техническое устройство.

Принудительное вдувание в легкие объема газа V_I создает там положительное давление Рл = V_I/Со (Cо – общая растяжимость легких и грудной клетки), необходимое для растяжения эластичных структур легких, и грудной клетки. При этом имеет место существенное различие биомеханики самостоятельной вентиляции и ИВЛ. Обратное соотношение внутрилегочного и внутригрудного давления может оказать неблагоприятное воздействие на сердце и малый круг кровообращения.

Способы введения газа в легкие классифицируют как внешние и внутренние.

В первом способе (рис. 1.5, верхний ряд), воздух поступает в легкие под действием разрежения, создаваемого в камере, где находится все тело пациента или некоторая часть его грудной клетки. В этом случае биомеханика вентиляции во многом аналогична самостоятельной вентиляции.

Во втором способе для реализации вдоха газовая смесь принудительно вдувается в легкие, и поэтому там время вдоха создается положительное давление.

К внешним способам относится устарелый прием качания тела пациента вокруг поперечной оси с частотой вентиляции.

Электростимуляция дыхательной мускулатуры, в первую очередь диафрагмы, по своей биомеханике тоже является вариантом внешнего способа ИВЛ.

Рис. 1.5.

Биоадекватность внутренних способов ИВЛ привела к тому, что практически все имеющиеся на рынке аппараты реализуют именно эти способы. При этом неблагоприятное влияние на гемодинамику и на некоторые другие показатели жизнедеятельности успешно нейтрализуются.

Техническое устройство, состоящее из двух и более взаимосвязанных частей. называют т ехнической системой

Перечисленные примеры иллюстрируют факт, что во всех образцах медтехники (технических систем) имеет место взаимодействие технического устройства с биологическим объектом: поглощение рентгеновского излучения в тканях организма (рентгеноскопия), взаимодействие от­рицательно заряженных аэроионов с лёгкими (в аппарате аэроионотерапии), взаимодействие нагнетаемого при ИВЛ воздуха с легкими.

Единый комплекс, в котором целенаправленно реализуются взаимодействия технического устройства с биологическим объектом, называют биотехнической системой (БТС).

1.2. Системный подход к описанию свойств объекта. Понятие системы.

Предмет, задачи, методы и цели учебного курса «Теоретические основы биотехнических систем» формулируются в терминах системного подхода.

Иногда термин «системный подход» используют как синоним понятия «системный анализ». Однако такая интерпретация сужает смысл системного подхода, который включает не только системный анализ, но также и системный синтез.

Системный подход определяется как метод научного познания и практической деятельности на основе рассмотрения объектов как систем.

Под объектом понимают любое явление природы, вещь. Субъектом называют человека, который изучает объект.

С истемой (греч. systema – целое, состоящее из частей, соединение) называют объект, состоящий из двух и более связанных между собой частей, образующих определенную целостность, единство, т.е. свойство, которого нет у каждой части в отдельности.

Формально система отображается парой S – множеством элементов (компонентов) E и множеством связей R между элементами:

S=<E, R>

В различных областях знаний накопился огромный фактический материал, но в разработке единой теории построения живого, деятельности человека имеются значительные трудности.

Выход из создававшегося положения может дать лишь системный подход – методология познания частей на основании целого. Эта методология позволяет объединить огромное количество фактов в единую систему знаний.

Наиболее характерной чертой системного подхода является то, что в исследованиях не должно быть аналитического изучения какого-либо объекта без точного определения места этого объекта как части в целом, компонента в системе.

Целое и части представляют единство противоположностей (принцип единства).

Подчиняясь целому, компоненты, каждый из которых выполняет свои специфические функции, обладают относительной самостоятельностью.

Относительная самостоятельность частей выражается в дифференциации, пространственно-временной локализации и специализации.

Роль компонентов в системе различна: одни являются стержнем системы, другие обслуживают их.

Методология системного подхода достаточно полно выражается следующими принципами.

Принцип физичности – в системе выполняются физические законы.

Принцип моделируемости – система может быть представлена конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань ее сущности.

Принцип относительности – одна и та же совокупность элементов может рассматриваться как самостоятельная система и как часть (подсистема) другой, большей, системы, в которую она входит. В свою очередь эта же совокупность элементов может рассматриваться как большая система по отношению к частям, входящим в нее.

Принято выделять материальные и абстрактные системы. Материальные системы разделяются на системы неорганической природы (физические, химические, технические и др.) и живые системы (клетки, микроорганизмы, органы и ткани организма, популяции, экосистемы, социальные сообщества).

Класс абстрактных систем включает понятия, гипотезы, теории, модели (формальные, математические), логические и лингвистические системы.

Модель – это материальный (искусственный или естественный) или идеальный (мысленный, абстрактный) или знаковый (семиотический) объект, отображающий ту или иную совокупность свойств объекта-оригинала в виде множества элементов и отношений между ними.

Модели предназначены для решения с их помощью научных и прикладных задач. Модели – это системы, неотличимые от исследуемого объекта в отношении свойств, которые считаются существенными в данном исследовании, и отличающиеся от объекта-оригинала по другим свойствам.

Особый класс абстрактных систем - математические модели - представляют собой приближённое описание явлений внешнего мира, выраженное с помощью математической символики. Математическое моделирование, использующее современные информационные технологии, представляет собой мощный и интенсивно развивающийся метод познания, прогнозирования и управления.

Примером модели биообъекта является формализованное описание элемента кровеносного сосуда как эластичного резервуара. Основными переменными и параметрами модели являются: количество и давление крови в данном элементе сосуда, скорости притока и оттока крови, объём и эластичность стенок кровеносного сосуда.

Другой пример – экотоксикологическая модель (рассмотрена подробнее в Разделе 4), описывающая влияние химических агентов на рост клеточных популяций. Эта модель относится к широкому классу моделей популяционной динамики, применяющихся в экологии и медицине.

Как отмечено выше, составной частью системного подхода является системный анализ.

Системный анализ - совокупность исследовательских средств, используемых для подготовки и принятия решений по сложным проблемам, например, при постановке медицинского диагноза или при разработке технического устройства.

Системный анализ – не самоцель, а процесс научного познания особенностей объекта с целью его совершенствования, который выполняется на этапе системного синтеза.

Системный анализ, опираясь на понятие «система», использует построение обобщённых формальных (математических) моделей, отображающих взаимосвязи реальной совокупности объектов, образующих систему.

Исследования при системном анализе проводят в трех направлениях: