МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Приборостроение,

метрология и сертификация»

Отчет по лабораторной работе №1

«Терапевтическая биотехническая система нормализации

нормализации состояния биологического объекта»

по дисциплине «Основы теории биотехнических систем»

Студент:

Группа: 31-ИД

Допущен к работе: ____________________

(подпись преподавателя)

Отметка о зачете: ____________________

(подпись преподавателя)

Орел, 2008

1 Цель работы

Ознакомление с биотехническими системами терапевтического типа, получение навыков коррекции оказываемого лазерного воздействия при проведении физиотерапевтических процедур и анализ влияния параметров настройки лазерного аппарата на дозу лазерного излучения, получаемую биообъектом.

2 Ответы на контрольные вопросы

1 Дайте определение биотехнической системы, изобразите ее структурную схему. Приведите примеры БТС различного типа.

Биотехническая система (БТС) – это особый класс больших сис­тем, представляющий собой совокупность биологических и техниче­ских элементов, связанных между собой в едином контуре управле­ния. БТС включает в себя биологические и технические подсистемы, которые объединены прямыми и обратными связями и общими алго­ритмами управления.

Структурная схема БТС представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема БТС

К биотехническим системам в одинаковой степени относятся сис­темы, в которых человек выполняет роль управляющего звена (систе­мы эргатического типа), и технические системы, управляющие орга­низмом человека (искусственное дыхание, кровообращение) и целыми популяциями живых организмов (биотехнические системы принуди­тельного управления поведением животных).

2 Укажите особенности биологической и технической подсистем.

Особенностями биологической подсистемы является то, что:

- она характеризуется структурной и функциональной сложно­стью;

- все параметры биологической подсистемы изменяются с раз­личными скоростями;

- важнейшим свойством этой подсистемы является гомеостаз, т.е. сохранение количественных показателей важнейших параметров вне зависимости от внешних воздействий в определенных пределах;

- в живом организме согласованно действуют подсистемы, реаги­рующие на различные возмущения – химические, энергетические, информационные, а реакция организма на каждый вид возмущений характеризуется различными постоянными времени, лежащими в диапазоне от сотых долей секунд до нескольких часов (суток, ме­сяцев).

Для технической подсистемы свойственны свои особенности:

- она может иметь различный уровень сложности, а устройства технической подсистемы могут вмешиваться в функционирование любого контура всей биотехнической системы;

- вмешательство может быть различным, что зависит от назначе­ния биотехнической системы. В большинстве случаев вмешательство носит характер информационного воздействия, т.е. техническая подсистема выдает сигналы, влияющие на изменение состояния цен­тральных и периферических нервных механизмов (психоэмоциональ­ное воздействие), кроме этого возможно вмешательство физической нагрузки, температурных, лазерных, радиобиологических и других воздействий. Причем временная константа этих воздействий на поря­док больше, чем у информационного воздействия. В лечебных био­технических системах возможно вмешательство на уровне обмена веществ. В этом случае внешним управляющим сигналом является вещество, время действия которого от нескольких минут до несколь­ких часов.

3 Укажите основные задачи синтеза биотехнических систем.

Выделяют три основные задачи синтеза БТС, который осуществляется на основе бионической методологии:

1) Выживаемость системы при изменении факторов внешней и внутренней среды и приспособление ее к изменению этих факторов. Таким образом, совокупность технических и биологических подсис­тем и связей между ними должна обеспечить реализацию целевой функции системы в нестационарной внешней среде, оказывающей дезорганизующее и разрушающее воздействие на систему.

2) Живая часть системы должна непрерывно получать информа­цию о состоянии внешней среды, характере поставленной перед БТС задачи и ее динамических изменениях, а также о состоянии сопря­женных с ней технических элементов системы. При этом форма пред­ставления информации должна быть удобной для восприятия, адекватной и достаточной для построения модели ситуации, в которой на­ходится вся подсистема, что позволит правильно и вовремя скоррек­тировать алгоритм или режим функционирования биологической подсистемы.

3) Адаптации технических элементов системы, их совокупности и режимов функционирования к изменению состояния сопряженной с ними биологической системы. Эта задача решается путем создания систем непрерывной (текущей) диагностики состояния живого орга­низма. При этом система текущей диагностики может быть либо са­мостоятельной, автономной, либо подсистемой контура диагностики и нормализации состояния.

4 Изобразите модель процесса исследования состояния биологического объекта и проанализируйте факторы, влияющие на него.

Для проведения исследований и диагностики в медицине приме­няются БТС медицинского назначения (БТС-М), общая структурная схема которых содержит каналы получения и преобразования инфор­мации о медленно и о быстро изменяющихся процессах (МИП и БИП). Схема исследовательской БТС-М изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Исследовательская БТС-М

Рассматриваемая БТС-М является медицинской измерительно-информационной и управляющей системой и предназначена для кон­троля за организмом и управления его состоянием.

Вся медико-биологическая информация о МИП поступает в виде электрических сигналов от датчиков-преобразователей первичной информации (ДПИ МИП), которые усиливаются в блоке усиления (БУ). Информация преобразуется в цифровую форму в блоке преобра­зования (БП), обычно в двоично-десятичный код, для ввода в автома­тический анализатор состояний (ААС), а так же для регистрации в блоке регистрации (БР) и демонстрации на специальном табло или экране дисплея системы отображения информации (СОИ). БТС, в ко­торых осуществляется только параметрический контроль без комплексной обработки данных, не имеют блока автоматического анализа состояний.

Измерительные каналы БИП отличаются от каналов МИП нали­чием блоков сжатия информации (БСИ) и блоков выделения инфор­мативных признаков (БВИП). Эти блоки реализуются на микропро­цессорах с соответствующими жесткими программами.

Современные БТС-М позволяют проводить текущую диагностику состояния организма в реальном масштабе времени на основе ком­плексной обработки данных БИП и МИП в блоке ААС, представляю­щем собой либо микропроцессор, либо мини-ЭВМ. Данный тип имеет систему отображения информации СОИ, на которой, как правило, высвечивается в аналоговой форме сигнал о быстрых процессах (1), в цифровой и уровневой форме сигналы медленных процессов (3) и в виде условных обобщенных фигур – формализованные изображения состояний (2).

Врач В (исследователь), который также является элементом БТС-М, может через дисплей обратиться в блок долговременной (ДП) или оперативной памяти (ОП), где хранятся архивные или оперативно регистрируемые данные. Поступающая информация должна быть достаточно полной и позволять врачу создавать концептуальную мо­дель состояния пациента (П), на основании которой возможно приня­тие решения о методе лечения и выборе лечебных воздействий (ЛВ).

Это требование является решающим для построения математиче­ской модели пространства состояний и состава диагностических при­знаков, а также разработки алгоритмов обработки информации в бло­ках выделения информативных признаков (БВИП) и автоматического анализатора состояний (ААС).

5 Дайте определение терапевтических биотехнических систем (БТС-МТ), приведите примеры.

Управляющие БТС, восстанавливающие естественные функции органов и физиологических систем больного человека, под­держивающие их в пределах нормы, а также выполняющие роль за­мещения утраченных физиологических функций организма, называ­ются биотехническими медицинскими системами терапевтического назначения (БТС-МТ).

Эта группа систем предназначена для использования в медицинских целях:

- управление состоянием организма для его нормализации (методами дискретной или непрерывной коррекции);

- временная или длительная компенсация утраченных функций органов или физиологических систем живого организма;

- протезирование и коррекция функций сенсорных систем или двигательного аппарата;

- различные лечебные процедуры, связанные с применением приборов активного вмешательства, соединенных с живым организмом в единую биотехническую систему.

6 В чем заключается сущность теории динамического программирования? Приведите примеры ее применения к различным лечебным воздействиям.

При создании БТС индивидуализированной фармакотерапии используют теорию динамического программирования.

Суть этой теории заключается в том, что параметры объекта управления определяют не путем пассивного наблюдения, а методом активного вмешательства. Первое дозированное лечебное воздействие проводится стандартным препаратом (функциональная проба), а спус­тя определенное время от организма получают ответную информа­цию, которую автоматически сопоставляют с исходной. В зависимо­сти от «ответа» организма в него вводится соответствующая доза того же или другого препарата, и так далее до достижения положительного лечебного эффекта.

Таким образом, задача решается не сразу одним действием, а последовательно, на основе пошагового процесса лечения. Такая методика позволяет управлять состоянием организма даже при неполной информации. Однако применение ее осуществимо только в условиях замкнутости системы терапевтического процесса.

7 Объясните суть основной проблемы БТС-МТ. Почему точность лечебных воздействий отстает от точности диагностирования

Основной проблемой БТС-МТ является то, что точность лечебных воздействий значительно отстает от точности диагностики, не обеспечивая максимального эффекта и строгой индивидуализации терапии. Это связано с тем, что ответную информацию получают с некоторым запаздыванием, а точно предсказать реакцию биологической системы на лечебное воздействие либо весьма проблематично, либо просто невозможно.

8 Укажите способы построения БТС-МТ. Проанализируйте особенности их реализации.

Различают три способа построения терапевтических БТС:

1) системы, полный цикл работы которых протекает при отсутст­вии обратной связи с выхода на вход системы;

2) полуавтоматические БТС, в которых в течение полного цикла работы происходят паузы в процессе управления, во время которых человек-оператор (техник, лаборант, врач) корректирует действия те­рапевтической системы, выполняя функции цепи обратной связи;

3) автоматические БТС, полный цикл управления которыми про­исходит без участия человека-оператора, за счет реализации обратной связи с выхода на вход системы.

9 Изобразите основные структурные схемы БТС-МТ.

Структурные схемы БТС-М изображены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурные схемы БТС-М

Все БТС-МТ характеризуются наличием объекта управления ОУ и управляющего устройства-регулятора Р, присоединенного к нему. Регулятор управляется сигналами от предыдущего устройства естественной или искусственной природы (вход А), а ОУ сам воздействует на другой объект в этом же организме либо взаимодействует с внешними предметами или организмами (выход В). В первом случае система является закрытой, во втором – открытой. В структурных схемах используются как биологические регуляторы Р_ж, т.е. естественного происхождения (рисунок 3, а–в), так и регуляторы в виде технических устройств Р_т (рисунок 3, г–е).

10 Запишите зависимости, характеризующие воздействие лазерного излучения.

Плотность потока полезной мощности (ППМ) Р на определенной глубине проникновения лазерного излучения находится по формуле (1), зависит от расстояния, пройденного излучением от излучателя до поверхности биоткани и от глубины расположения этого слоя биоткани:

(1)

где Р – облученность или плотность потока мощности (ППМ), Вт/см²;

P_имп – паспортная мощность импульсного лазерного ИК-излучателя, Вт;

– длительность одного импульса (паспортные данные), с;

f – частота импульсов, Гц;

– площадь облучения (при контактной методике равна пло­щади выходного отверстия излучателя).

Величина Р определяет воздействие за одну секунду, а воздействие – это отношение мощности излучения к площади поверхности, освещаемой лучом и перпендикулярной к направлению излучения.

Наиболее часто применяется другой параметр, который называют плотностью потока энергии (ППЭ), Дж/см² или энергетической экс­позицией Е определяется формулой (2). Энергетическая экспозиция равна произведению облученности на длитель­ность сеанса терапии:

E = P · t, (2)

где t – время отпускаемой процедуры на данной частоте, с.

Значения Р и Е прямо пропорциональны частоте повторения им­пульсов f, устанавливаемой на аппарате.

Еще одним параметром, часто применяемым в лазерной терапии, является доза Q, Дж. Доза Q – это полная энергия лазерного излуче­ния, полученная за сеанс и равная произведению средней мощности на длительность сеанса. Доза выражается формулой (3):

. (3)

11 Сформулируйте закон Арндта–Шульца и приведите его графическое изображение.

Для биофизической оценки реакций, происходящих в биоткани и во всем организме в целом, а также для качественной оценки влияния силы стимулирования (дозировки) лазерного излучения на вид биоэффектов используестся закон Арндта–Шульца.

Он гласит, что в биологических системах слабые стимулы дают сильные реакции, средние – умеренные реакции, умеренно сильные слегка тормозят систему, а очень сильные полностью блокируют ее. На графическом изображении закона Арндта–Шульца ус­ловно представлено состояние малого объема клеток биоткани (1), части органа или целого органа (2) и всего организма в целом (3).

Рисунок 4 – Схематическая интерпретация закона Арндта – Шульца,

взаимодействие лазерного луча и биоткани

Со­стояние, отмечающееся при воздействии на биообъекты лазерного излучения, проходит, несколько последовательных стадий. Слева идет зона нечувствительности (уровни излучения много меньше уровня внешнего фона), когда ни субъективными, ни объективными метода­ми не удается уловить первичную реакцию биообъекта.

В дальнейшем при увеличении дозы (Q) отмечается повышение температуры тканей, что до уровня в 40°С рассматривается как зона биостимуляции. Если допустить нагрев ткани более 40°С, начинается денатурация белка и изменение липидов, которые на первых порах могут быть обратимыми и играть положительную роль в развитии ко­нечных адаптационных процессов. При температуре свыше 55°С на­блюдается необратимая дегенерация, а свыше 63°С – коагуляция белка.

Технические характеристики оборудования и приборов, используемых в работе

Технические характеристики используемого в работе аппарата «УЛАН-БЛ-20»С приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Технические характеристики аппарата «УЛАН-БЛ-20»С

Наименование параметра	Единица измере­ния	1 диапазон 2 диапазон	Примеча­ние
1	2	3	4
Длина волны лазерного излучения при Т = 25±5°С	мкм	0,89 ± 0,02
Режим излучения		импульс­ный
Угол расхождения лазерного излучения по уровню 0,5: - в плоскости, параллельной p-n переходу; - в плоскости, перпендикулярной p-n переходу	град град	от 15 до 20 от 25 до 30
Режим работы аппарата Напряжение питания - переменным током - частотой	В Гц	220 ±10% 50+1,0
Время готовности к работе, не более	с	5
Габаритные размеры блока управления и контроля	мм	220x210x85
Масса, не более	кг	4
Временные интервалы установки таймера (диапазон отклонения ± 10%)	мин	от 1 до 99
Продолжение таблицы 1
1	2	3	4
Условия эксплуатации: - диапазон рабочих температур - относительная влажность (при плюс 25° С), не более	°C %	от плюс 10 до плюс 35 80
Длительность импульса лазерного излучения по уровню 0,5 (диапазон отклонения ± 20%)	нс	1 диапазон 120	2 диапазон 120
Частота повторения импульсов (диапазон отклонения от минус 25 до плюс 5%)	Гц	1 диапазон 2; 4; 80; 150; 300; 600; 1500; 3000	2 диапазон 8000; 12000; 18000; 21000; 24000; 26000; 28000; 30000
Потребляемая мощность при работе с двумя блоками излучения	ВА	10
Средняя мощность лазерного излучения	мВт	Определяется встроенным измерителем
По электробезопасности аппарат выполнен по ГОСТ Р 50267.0-92: - 1 класс защиты - тип		1 В