Акулов, Федотов. Основы теории биотехнических систем

3

3.2.Биотехнические системы электростимуляции..................…. 155

3.3.Обобщенная модель биотехнической системы

4.4.Биотехнические системы клинического мониторинга…….. 237

4.5.Особенности регистрации биомедицинских сигналов…….. 245

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Во многих областях науки и техники возникают проблемы, решение которых требует комплексного исследования взаимодействия технических средств и живого организма. К подобного рода задачам можно отнести создание биотехнических технологий, включающих воздействие физических факторов на биологические объекты на уровне клетки, ткани, органа и организма в целом, ме- дико-технических технологий диагностики и лечения заболеваний, включая разработку образцов биомедицинской техники, повышение эффективности транспортных средств, систем управления сложными техническими объектами, где человек-оператор рассматривается в качестве управляющего звена системы в целом.

Изучение биотехнического взаимодействия и вопросов синтеза биотехнических систем возможно на основе единого описания поведения взаимосвязанных биологических и технических объектов с позиций системного анализа, теории сложных систем и прикладной биологии.

Вразвитии современной биомедицинской инженерии и бионики наблюдается тенденция перехода от изучения отдельных биологических систем к исследованию комплексных синергетических систем с целью выявления адекватных методов сопряжения биологических объектов с техническими устройствами в единые биотехнические системы, основной отличительной особенностью которых является их выраженная эмерджентность.

Несмотря на значительный прогресс в области развития биомедицинской инженерии и широкое использование биотехнических систем на практике в настоящее время существует потребность в систематизации и изложении с единых научных позиций основных методологических основ теории анализа и синтеза биотехнических систем.

Внастоящей монографии предпринята попытка систематизировать и обобщить накопленные научные результаты и достижения в области анализа и синтеза биотехнических систем, прежде всего, полученные выдающимися представителями отечественной

5

научной школы биомедицинской инженерии и бионики: Ахутиным В.М., Попечителевым Е.П., Немирко А.П., Кореневским Н.А., Калакутским Л.И. и многими другими.

В первой главе монографии приведены основные сведения о теории построения биотехнических систем. Приведена классификация биотехнических систем, рассмотрена обобщенная структурная схема биотехнических систем, проведен анализ особенностей синтеза эргатических и медицинских биотехнических систем. Содержатся практические примеры построения и анализа биотехнических систем, предложена методика оценки их эффективности.

Вторая глава посвящена вопросам структурной и функциональной идентификации биотехнических систем на основе анализа импульсных, переходных и передаточных функций систем. Приведены примеры построения математических моделей биологических звеньев биотехнических систем на основе применения метода пространства состояний. Рассмотрены вопросы математического моделирования биологических звеньев биотехнических систем, в том числе основные подходы к камерному моделированию биологических процессов.

Третья глава содержит описание особенностей синтеза и функционального назначения биотехнических систем терапевтического типа. Подробно рассмотрены биотехнические системы электронейростимуляции и электроанальгезии. Проведен анализ оптимального выбора технических параметров терапевтических систем электростимуляции. Разработана математическая модель возбуждения нервных структур в канале воздействия биотехнических систем электронейростимуляции.

Вопросы построения биотехнических систем диагностического типа изложены в четвертой главе монографии. Основное внимание было уделено структурному построению биотехнических систем клинического мониторинга. Рассмотрены вопросы использования логических систем разграничения состояния организма человека при проведении диагностических процедур. Приведены основные характеристики биомедицинских сигналов, при-

6

меняемых в современных системах диагностики состояния организма человека. Рассмотрены основные подходы к получению информации о состоянии живого организма с помощью регистрации и анализа биомедицинских сигналов.

Монография будет полезна широкому кругу читателей: специалистам, интересующимся вопросами построения биотехнических систем диагностического и терапевтического назначения, студентам и аспирантам, обучающимся по направлению биомедицинской инженерии, а также всем научно-техническим работникам, занимающимся исследованиями в области анализа сложных систем, прикладной биологии и математического моделирования бионических и живых систем.

В монографии используются оригинальные авторские материалы научного руководителя авторов, заслуженного работника высшей школы Российской Федерации, профессора, доктора технических наук Калакутского Льва Ивановича, чья безвременная кончина в 2012 году стала огромной и невосполнимой утратой для его учеников, коллектива работников Самарского государственного аэрокосмического университета и всего научного сообщества.

7

ГЛАВА 1. Биотехническая система как объект исследования

1.1. Основные определения

Понятие «системы» [гр. Systeme – целое] является общим из самых общих понятий, применяемых при описании взаимосвязанных объектов и явлений различной природы.

В самом общем случае под системой понимается множество закономерно связанных между собой элементов, представляющее собой определенное целостное образование и выполняющее заданную целевую функцию.

Биотехническая система (БТС) представляет собой выделенные в единую систему, биологические и технические элементы (звенья), связанные между собой для выполнения заданной целевой функции.

Целевую функцию можно рассматривать в качестве системообразующего фактора, выделяющего элементы в систему из всего многообразия рассматриваемых объектов и явлений, т.е. фактора производящего условное разграничение системы и среды.

Рисунок 1.1 – Разграничение системы и среды

Например, для реализации целевой функции, заключающейся в ранней диагностике заболеваний, образуется медицинская диагностическая БТС, объединяющая пациента, приборы измерения физиологических показателей организма и средства диагностики, в качестве которых могут быть рассмотрены как врач, так и технические средства.

8

Количественную меру взаимодействия системы и среды характеризуют атрибуты системы. В качестве внешних атрибутов системы могут рассматриваться входные воздействия, параметры среды, выходные реакции системы.

Система состоит из элементов (звеньев), под которыми понимаются некоторые функционально законченные единицы, характеризуемые рядом собственных атрибут, поддающихся измерению или оценке и характеризующих взаимодействие элементов системы. Система характеризуется структурой и поведением (функционированием).

Под структурой понимается инвариантная во времени фиксация связей между элементами системы, в которой проявляются соотношения между ее атрибутами. Под поведением понимается действие системы во времени, характеризуемое изменением во времени ее атрибут.

Системе присущи определенные характерные свойства, отличающие систему от простого набора соединенных между собой элементов.

Основной характеристикой системы является эмерджентность (англ. emergence – возникновение, появление нового), определяющая степень отличия свойств системы от свойств, входящих в нее элементов.

Система обладает свойствами не присущими отдельным элементам системы. При реализации целевой функции системы проявляются ее свойства эмерджентности, так как эта функция может быть реализована только на основе взаимосвязи входящих в нее элементов.

В качестве примера можно привести проявление эмерджентности медицинской диагностической БТС. Данная система может быть образована с целью раннего выявление заболеваний, ограничения распространения инфекций, сокращения расходов на лечение больных, и т.п. Системе, благодаря взаимосвязи элементов, присуще свойство диагностики заболевания и реализации целевой функции, что не свойственно отдельным элементам системы.

9