Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Предметной (морфологической) анализ – выяснение числа и состава компонентов, связей между компонентами.

Функциональной анализ – выяснение внутреннего функционирования, т.е. взаимодействия компонентов системы, и внешнего функционирования – взаимодействия системы с внешней средой.

Эволюционный (генетической) анализ – выяснение происхождения данной системы, ее формирования, определение перспектив развития системы, прогнозирование ее поведения.

Системный анализ и синтез проводятся в несколько этапов:

постановка задачи системного анализа (определение объекта и предмета исследования, задание целей и критериев исследования);

структуризация системы на основании предметного, функционального и эволюционного анализа;

моделирование объекта.

Моделирование объекта – формальное описание тех его особенностей, которые существенны для целей исследования. Моделирование объекта лежит в основе синтеза (построения) системы из ее компонентов (подсистем).

1.3. Предмет, задачи и методы количественного описания БТС.

К биотехническим системам (БТС) относят особый класс сложных систем, состоящих из биологических и технических компонентов.

Компоненты-подсистемы БТС объединены и функционируют в едином комплексе управления (Рис.1.6). Базовыми подсистемами БТС являются биологический объект B и технический аппарат T.

Между технической подсистемой и биообъектом могут существовать следующие виды взаимодействий (связей): вещественные (потоки массы), энергетические (потоки энергии), информационные (потоки информации).

Рис.1.6.

Набор свойств биологического объекта представляет собой основу для выбора параметров технических подсистем и разработки БТС. Для целей разработки БТС необходима количественная оценка свойств биообъекта и параметров технических подсистем.

Предмет, задачи и методы теории БТС можно формулировать следующим образом: 1) с позиций системного подхода определить требования к характеристикам биомедицинской техники, 2) с учетом специфичности биологических объектов установить связь целевого назначения и технических характеристик БТС,

3) разработать методы количественного описания биологических объектов,

4) сформулировать задачи анализа и синтеза различных классов БТС.

Основными принципами количественного описания, анализа и синтеза БТС являются биоадекватность, целенаправленность, целостность.

Биоадекватность – соответствие уровня внешних энергетических, вещественных и информационных воздействий технического аппарата на биологический объект уровню взаимодействий между подсистемами этого объекта, которые характерны для состояния гомеостаза.

Г омеостазом называют динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды организма и его основных физиологических функций.

Гомеостаз обусловлен совокупностью сложных регуляторных взаимодействий на молекулярном, клеточном, органном и организменном уровнях .

Примером гомеостаза является терморегуляция организма при изменении температуры окружающей среды. Устойчивость физиологических функций человека зависит от сохранения температуры тела в узких границах нормы (36–37°С).

При низких температурах происходит сужение кровеносных капилляров и уменьшается кровоток в коже. Это приводит к уменьшению теплового потока с поверхности кожи. Если температура внешней среды возрастает, капилляры открываются и кожный кровоток возрастает. Это способствует потере тепла и сохранению нормальной температуры тела.

Целенаправленность – качественная (словесная, вербальная) и количественная (в виде целевой функции) формулировка главных целей, определяющих биомедицинское назначение БТС.

Например, цель рентгенодиагностики может быть определена следующим образом: достичь максимального разрешения рентгеновского изображения с минимальными вредными воздействиями на пациента. При этом должны быть выполнены требования техники безопасности и экономических ограничений (т.е. минимальной цены аппаратуры и наименьшей стоимости технического обслуживания).

Целостность (холизм) – единство взаимодействия и управления потоками вещества, энергии и информации между биологической и технической подсистемами.

Следует отметить, что современная тенденция разработки БТС состоит в явно выраженном усилении информационной составляющей взаимодействия с биообъектом по сравнению с вещественной и энергетической составляющими.

Как отмечено в многочисленных публикациях, исчерпывающее и строгое определение живой системы пока отсутствует, хотя попытки дать такое определение предпринимались неоднократно.

Несмотря на отсутствие определения, следует перечислить те фундаментальные свойства (особенности) живых систем, которые необходимо учитывать при разработке БТС.

Живые системы, образуя частичное подмножество на множестве реальных систем, обладают следующими свойствами:

• являются открытыми системами – используют входы (энергию, пищу), чтобы компенсировать собственные энергетические затраты и исправлять повреждения в своей организационной структуре;

• обладают уровнем сложности, превышающим некоторый минимум;

• в значительной степени состоят из протоплазмы, содержащей белки и другие специфические органические компоненты;

• содержат управляющую систему, которая контролирует и организует взаимодействие подсистем;

• содержат подсистемы, объединённые в целостную систему, для которой свойственны саморегуляция, развитие и самовоспроизведение;

• содержат генетический материал, состоящий из ДНК;

• могут существовать только в определенных условиях среды.

Если биологический объект, является управляемым звеном технической системы регулирования, построенной без учета специфичности, органически присущей живым системам, то перечисленные особенности биологического объекта как звена регулирования делают его не вполне приемлемым («неудобным») элементом цепи управления. Так, в приведенном выше примере аэроионотерапии (Рис.1.3) необходим постоянный контроль результата воздействия технического устройства на биообъект.

Как при разработке, так и при выборе оптимальных режимов работы БТС исключительно важная роль принадлежит моделированию биологических систем и происходящих в них процессов. Разработка моделей формирует основу для количественного описания БТС, являющегося непременным условием решения задач анализа и синтеза БТС.

1.4. Квазиразложимость объекта. Иерархия структур. Принцип энергетической дифференцировки.

Одна из фундаментальных особенностей биологических объектов - иерархическая структура.

И ерархия - тип структурных отношений в сложных многоуровневых системах, характеризующийся упорядоченностью компонентов и связей от высших к низшим уровням.

Иерархия проявляется как расположение элементов целого в порядке от высшего к низшему. В качестве примера можно рассмотреть иерархию подсистем В и Т на схеме БТС (Рис.1.6).

Иерархия может быть положена в основу классификации систем.

Например, биообъектам свойственна следующая иерархия, понимаемая как упорядочивание подсистем в направлении от простого к сложному: молекулы (молекулярный уровень), клетки (надмолекулярный уровень), ткани, органы, организм, популяция, биоценоз, биосфера.

Необходимым условием выявления структуры («устройства») любой системы, в том числе биологического объекта, является стадия анализа - мысленного либо фактического разделения системы на элементы - подсистемы более низкого уровня. Анализ является непременным звеном всякого экспериментального и теоретического исследования. Один из самых простых и «непосредственных» способов разделения объекта на части состоит в энергетическом воздействии извне, приводящем к распаду системы на подсистемы (Рис.1.7).

Рис.1.7.

Примером изучения биообъекта и его подсистем посредством пространственного разделения на составляющие элементы является анатомия – хирургический анализ органов и тканей организма.

При внешнем воздействии с целью анализа энергия Е, затрачиваемая на разделение системы на части, должна превышать энергию связи подсистем E_in

(Рис.1.7). Объективным критерием деления системы на части является дифференцировка-выделение элементов системы по энергии связи.

Рис.1.8.

Прин­цип энергетической дифференцировки можно записать в виде:

Е_j+1<< Е_j,

где Е_j, Е_j+1 — прочность связи между элементами уровня j и между элементами более высокого уровня j+1 (Рис.1.8).

Для клеточной популяции порядок элементов с усложнением уровня (цифры - номера j уровней) можно представить в виде:

1 молекулы2, органеллы3, клетки4, популяция 5, экосистема

Каждый уровень j разбивается на подмножества элементов. Например, органеллы состоят из подмножеств различных молекул, клетки - из органелл, клеточные популяции – из клеток разных видов и т.д.

В теории БТС различают инвазивные и неинвазивные способы взаимодействия технических устройств и биологических объектов.

Методы определения состояния биообъекта с применением воздействий, в той или иной степени разрушающих, повреждающих биообъект и его подсистемы, называются инвазивными. Таким образом, инвазивные методы в той или иной мере связаны с расчленением, разрушением биообъектов. Наиболее известны различные биопробы, анализ крови, пункции костной ткани, биопсии.

Те способы исследования биообъекта, которые используют различие физических и химических свойств подсистем, не приводя при этом к разрушению целостной биосистемы, принято называть неинвазивными. Современная тенденция развития БТС состоит в совершенствовании неинвазивных методов. К числу таких методов относятся рассмотренные выше рентгеноскопия и реография.

1.5. Структура системы как набор отношений, заданных на множестве ее элементов.

Структура – строение и внутренняя форма организации объекта, выступающая как единство устойчивых взаимосвязей между его элементами. Одним из наиболее наглядных примеров является атомная структура кристаллов. Кристаллическая решетка определяется периодом элементарной ячейки и числом атомов в элементарной ячейке. Другим примером системы с заданной структурой может служить схема электротехнического устройства. Электрическая схема содержит набор элементов (резисторы, конденсаторы, индуктивности и т.д.), заданных своими параметрами (номиналами) и соединенных в определенной последовательности связями (проводниками). Наконец, примером структуры системы является блок-схема БТС.

Формально структура системы SS (system structure) описывается как пара <R, U >

SS = < R, U >

где R – множество связей, заданных на множестве (совокупности) U элементов.

Состояние системы в данный момент времени характеризуется структурой (взаимосвязями элементов и различными сочетаниями этих связей) и набором свойств элементов.

В частности, состояние системы может быть определено набором числовых характеристик, соответствующих параметрам элементов. Такое описание часто используется на практике, однако является исчерпывающим только при условии фиксированного сочетания связей элементов системы.

Например, состояние системы кровообращения в организме человека можно описать следующим набором числовых характеристик: частота сокращений сердца – 68 уд./мин, систолическое и диастолическое давление – 150 и 110 мм.рт.ст., минутный объём крови –7 л/мин.

Определение структуры системы в статике, без учета изменений во времени характеристик элементов и связей между ними, представляет собой первоначальный этап исследования биообъекта. Следующий этап - исследование процессов.

Процессом называется переход системы из одного состояния в другое.

Так, например, процесс роста популяции - это последовательный переход системы из состояния с одним значением численности особей популяции в состояние с другим значением численности.

1. 6. Взаимодополнительность методов описания биологических объектов.

В биологических объектах протекают многочисленные процессы, происходящие в разных подсистемах, на различных иерархических уровнях и подчиняющиеся своим специфическим законам. Знание закономерностей процессов в их количественной форме позволяет делать прогноз, т.е. по заданным в некоторый момент времени t₀ характеристикам биообъекта предсказывать состояния биообъекта в любой будущий момент времени t >t₀.

Таблица 1.1

Процессы в биосистемах и методы их описания (теории)

В Таблице 1.1 приведена классификация основных классов явлений в живых системах и теории, формализующие закономерности этих явлений.

Характеристики

Список файлов учебной работы