Описание структуры и проектирование БТС.

Вопрос 1

1. Определение БТС

БТС – это объединенная в одну систему технические и биологические элементы, связанные между собой для выполнения целевой функции.

Преимущества БТС перед системами техническими и биологическимизаключаются в сочетании положительных качеств этих систем при взаимной компенсации их недостатков.

Важной задачей разработки БТС является проблема согласования биологических объектов с техническими компонентами — выбор алгоритмов управления техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем.

Проектирование БТС разбивается на следующие основные этапы:

Определение целевого назначения и класса проектируемой БТС.

На основе детального анализа возможной области применения определяется, к какому из четырех классов относится создаваемая БТС. На данном этапе формулируется цель разработки и целевая функция БТС.

Создание базы данных о свойствах БО.

База данных создается на основе справочных материалов и, при необходимости, исследований БО.

Ввиду сложности БО часто оказывается практически невозможным дать качественное и, тем более, количественное описание биологического объекта как целостной системы. Для определения состояния биологического объекта используется описание отдельных подсистем.

Например, при общем обследовании пациента врач назначает анализ крови. По результатам такого анализа делается заключение о состоянии всего организма. Специальные методы диагностики основаны на фундаментальной взаимосвязи свойств и функций отдельных органов, тканей, клеток организма с состоянием гомеостаза организма.

Анализ БО, выбор вектора состояния и метода количественного описания БО.

На данном этапе рассматриваются лишь те свойства биологического объекта, которые необходимо регистрировать, исходя из целевого назначения данного типа БТС.

Конструирование целевой функции.

Целевая функция определяет степень соответствия проектируемого медицинского изделия

Создание вербальной, физической и математической моделей БО.

6. Определение функции доза воздействия – эффект. Учет главного компонента биоадекватности БТС: минимальное вредное воздействие технического устройства на БО.

Регуляризация (проверка правильности) модели БТС.

Описание структуры и проектирование БТС.

2. Учет особенностей живых систем при проектировании БТС

Особенности:

1. Учет сложности организации и функционирования биол.системы.

2. При оценке состояния биологической системы используют 2 подхода:

а) физиологический подход – исследования проводятся непосредственно на организме.

б) аналитический– исследования проводятся с применением биопроб.

3. Затруднения при исследованиях внутренней среды организма без нарушения ее целостности.

4. Сложность взаимосвязей показателей жизнедеятельности организма с функциональными процессами.

5. Один и тот же физиологический процесс может отображаться во многих физических проявлениях.

6. Отсутствие универсального метода, который давал бы полное описание состояния системы, поэтому необходимо комплексное исследование.

7. Трудность учета одновременно всех факторов, воздействующих на организм, в т.ч. факторов посторонних.

8. Разнообразие медико-биологических показателей и физиологических процессов может вызвать различные погрешности.

9. Необходимость точного выполнения методических приемов при мед.биол. исследованиях.

10. Учет индивидуальных особенностей исследуемого биобъекта.

11. Подвижность объекта исследования.

12. Сложность технологических схем выполнения мед.-биол. экспериментов: подготовка.исс-ние.

13. Доступность для объекта (платная медицина).

3. Проблемы управления в БТС различных типов

Основной проблемойБТС-М терапевтического назначения данного типа является то, что точность лечебных воздействий значительно отстает от точности диагностики, не обеспечивая максимального эффекта и строгой индивидуализации терапии.

При решении многих технических проблемтребуется учет свойств и параметров живых систем, к которым они подключаются. БО в структуре БТС может занимать разное положение, и способы подключения технических средств к нему существенно зависят от роли и задач, решаемых этим объектом. Существуют общие принципы соединения живого с неживым - принципы, руководствуясь которыми следует подключать к биологическим объектам технические (искусственные) устройства.

По мере развития автоматизированных систем управления (АСУ) в организации рабочего места (выбор формы управляющего пульта, расположение на нем средств отображения информации и органов управления, устранение отвлекающей информации)возникают новые проблемы, связанные с компьютеризацией и организацией программной поддержки различных элементов деятельности оператора. Переход кновым информационным технологиям во многих случаях переносит центр тяжести работы человека в система Человек-Машина от простых действий к реализации функций управления более широкого плана. Это относится, в частности, к проблеме автоматизации рабочего места врача, где характер работы специалиста с информационными массивами определяется не только аппаратными и программными возможностями ЭВМ, но и психологическими особенностями человека. Изучение проблем создания СЧМ с учетом анатомических, физиологических, интеллектуальных и социально-психологических качеств оператора или группы операторов, рассматриваемых в качестве элемента БТС технической ориентации, является задачей инженерной психологии (эргономики).

Животные в состоянии голода или сытости, усталости или бодрости требуют различных управляющих воздействий. Кроме того, желание животного перейти из одного состояния в другое часто используется для создания мотивационных стимулов, являющихся, в свою очередь, управляющими факторами в БТС-У.

4. Цели управления в биологических и БТ системах

Управление– это процесс, формирующий целенаправленное поведение системы в рамках имеющегося ресурса.

Иерархия целей в биологической системе:

Ω₁ – оптимальные условия функциональности;

Ω₂ – гомеостаз (способность системы обеспечивать стабильность структуры, элементного состава, качественного выполнения функций и поддержание параметров в заданных пределах вне зависимости от действия возмущающих факторов внешней среды, а также внутренних возмущающих факторов.Гомеостаз – механизм адаптации.);

Ω₃ – равенство притоков и оттоков.

Основная цель – самосохранение.

5. Активное и пассивное управление в биологических и БТС

Активное – требует метаболических затрат, поскольку управление осуществляется специальными механизмами, обособленными от элементов системы, которыми они управляют.

Пассивное (внутреннее) – за счет внутреннего строения системы. При отсутствии специальных метаболических затрат на управление.

В технических системах присутствует исключительно активное управление.

Пассивное управление поразумевает, что скорость обмена регулируется за счет переменных состояния системы.

6. БТС эргатического типа

УЗИ, МРТ, ЭКГ. БТС-Э – по сути системы человеко-машинная система, в которой биологическое звено человек– оператор управляет работой системы. БТС медицинского назначения – система, содержание различные инструментальные средства для реализации различных медико-биологических исследований. В свою очередь, биотехнические системы медицинского назначения подразделяются на диагностические БТС, предназначенные для осуществления диагностических исследований; терапевтические, предназначенные для формирования лечебного воздействия; реабилитационногоназначения – для реализации медицинской реабилитации, восстановления утраченных функций систем организма, мониторинговые системы – для длительного наблюдения за состоянием человека и предупреждения нежелательных нарушений в функциональной деятельности организма и т.д.

БТС-Э в подобных системах или в системах «человек-машина» (иногда, особенно в авиационной эргономике, в системах «человек-техника-среда») биологическое звено представлено человеком-оператором, выполняющим различные функции в замкнутом контуре управления технической системой. В БТС-Э особенно ярко проявляются принципы синтеза БТС; принцип адекватности и принцип идентификации информационной среды.

Поскольку свойства биологических элементов системы, как правило, не инвариантны к воздействию внешних и внутренних факторов, оптимальная БТС-Э должна обладать свойством двойной адаптации: на системном уровне интегральной адаптацией к изменению внешней среды и ситуаций (внешней адаптацией); и внутренней адаптацией на элементном и подсистемном уровнях, когда технические элементы системы или целые подсистемы изменяют свои характеристики (а иногда и структуру) в функции изменения состояния биологических элементов системы.

В процессе анализа и синтеза БТС-Э практически приходится иметь дело с моделированием на четырех уровнях разрешения:

− тканевом (в случае моделирования процессов метаболизма, при определении энергозатрат организма человека в процесс деятельности);

− органном (при бионических исследованиях органов восприятия для оптимального сопряжения их с техническими элементами информационных каналов);

− организменном (при исследовании поведения оператора процессе управления динамическими объектами);

− популяционном (при разработке методов управления популяциями живых организмов с целью организации их целенаправленного поведения).

7. Медицинские БТС

Делятся на:

1. Диагностического типа (рентгенографы, реокардиорграфы, томографы, УЗ-аппараты, электрокардиографы, электроэнцефалографы);