Создание новой медицинской техники требует формирования физиологически обоснованных критериев построения аппаратуры, обеспечивающих ее эффективное функционирование. Определение требований к выбору параметров и характеристик аппаратуры связано с изучением процессов происходящих при взаимодействии технических средств и живого организма.

При разработке терапевтической аппаратуры основной интерес представляет исследование условий передачи воздействия, сформированного техническими средствами, к биологическим тканям, а также выбор формы, интенсивности, длительности и других параметров воздействия, согласованных с характеристиками физиологических систем организма.

Изучение данных вопросов требует совместного рассмотрения технических и биологических элементов в рамках единой биотехнической системы (БТС) целенаправленного действия. Целевая функция системы определяет общее построение БТС : выбор технических средств, формирующих лечебное воздействие и объекта приложения воздействия - физиологической системы организма.

Исследование БТС, с целью определения требований к построению аппаратуры и алгоритмов ее функционирования, производится методом поэтапного моделирования.

Первый этап исследования заключается в описании биологического звена БТС на основе изучения физиологических процессов организма в условиях его взаимодействия с техническими звеньями. На данном этапе определяется модель биологического звена БТС, связывающая входные и выходные переменные рассматриваемой физиологической системы.

На втором этапе исследований БТС производится управленческое и информационное согласование технических и биологических звеньев в рамках общей модели БТС. Для терапевтических БТС наиболее важным является оптимизация условий передачи воздействующего фактора в канале воздействия БТС, включающего выходные каскады аппаратуры, элементы передачи воздействия к биологическим тканям, воспринимающие элементы физиологической системы организма.

При анализе канала воздействия БТС используется принцип адекватности, согласно которому управляющее воздействие должно быть по своей физико-химической природе свойственно живому организму, а значения параметров воздействия должны находиться в диапазоне приемлемости для биологических тканей.

Анализ информационных процессов в БТС направлен на выполнение принципа единства информационной среды, в соответствии с которым определяются наиболее информативные по отношению к оцениваемому лечебному эффекту диагностические показатели. Итогом второго этапа исследования БТС является разработка требований к техническим средствам и программному обеспечению системы.

Третий этап исследования БТС включает разработку экспериментальных образцов аппаратуры и проведение апробации разработанных методов и средств. На этом этапе разрабатываются медико-технические требования к опытным образцам аппаратуры для серийного выпуска.

Моделирование БТС требует адекватного описания процессов функционирования физиологической системы, входящей в состав БТС в качестве биологического звена.

Рассмотрение основных процессов в терапевтических БТС показывает, что в качестве входные переменных физиологических систем организма можно представить управляющие воздействия, формируемые техническими звеньями, реализующими целевую функцию БТС. Выходными переменными биологических звеньев служат диагностические показатели, характеризующие состояние организма в норме и патологии. При установлении взаимосвязи переменных возникает задача идентификации физиологической системы т.е. создании модели биологического звена БТС, адекватной рассматриваемым процессам.

При построении биологических звеньев БТС, отличающихся сложностью и многосвязностью, необходимо выделить только те их особенности функционирования и структурного построения, которые необходимы для реализации конкретных задач управления состоянием организма, решаемых в БТС.

Моделирование биологических объектов осуществляется методами функциональной и структурной идентификации.

Функциональная идентификация позволяет определить поведение системы при наличии на ее входе стимулов. Для решения этой задачи необходимо наличие экспериментальных данных о поведении системы при различных входных воздействиях. Функциональная идентификация предусматривает определение передаточной функции системы, не давая информации относительно ее внутреннего строения.

Структурная идентификация дает возможность установления взаимодействия отдельных компонент системы в процессе формирования реакций. В этом случае полагается известной конфигурация системы или относительно ее делается предположение о классе функционального описания, а параметры связывающие систему считаются неизвестными. Задача идентификации сводится к поиску решений в пространстве искомых параметров системы.

С точки зрения исследования БТС наиболее полное решение задачи идентификации может быть осуществлено совмещением функциональной и структурной идентификации - путем установления количественных соотношений, определяющих взаимосвязь между наблюдаемыми на входе и выходе системы переменными и определения структуры модели, отвечающей физиологическим представлениям об ее организации.

Для функциональной идентификации биологических звеньев БТС т.е. нахождении ее передаточной функции достаточно определить ее переходную функцию g(t), представляющую реакцию системы на тест - стимул в виде единичного ступенчатого воздействия.

Тогда частотную характеристику системы можно определится как:

Используя один из методов определения передаточной функции, по выражению для частотной характеристики системы можно получить передаточную функцию в виде отношения многочленов

Идентификация биологических звеньев терапевтических БТС дает передаточные функции, приводящие к дифференциальным уравнениям высокого порядка. Чаще всего сложная динамика процессов, происходящих в физиологических системах, связана с одновременным функционированием некоторого числа биорегуляторов, обладающих различным быстродействием и степенями свободы. В таком случае, для моделирования целесообразно воспользоваться методом пространства состояний, позволяющим представить линейное дифференциальное уравнение высокого порядка, описывающее систему в соответствии с полученной путем функциональной идентификации передаточной функции, в виде системы уравнений первого порядка относительно некоторых вводимых переменных состояния.

Уравнение вход-выход-состояния задается в виде :

где Z - вектор состояния, Y - вектор выходных переменных, X- вектор входных воздействий, A, B, C, D - матрицы коэффициентов

Идентификация системы в пространстве состояний позволяет представить модель системы в функции определенных переменных состояния, имеющих, с одной стороны, формальное математическое выражение, а с другой, обладающих определенным биофизическим смыслом. Это связано с тем, что переменная состояния описывает процесс моделируемый дифференциальным уравнением первого порядка, отражающим, как известно, большинство закономерностей элементарных биологических процоссов.

Данный подход позволяет наиболее полно представить моделируемое звено БТС , а в ряде случаев описать механизмы лежащие в основе поведения системы.

Модель в пространстве состояния можно получить из выражения (3) методом разложения передаточной функции H(p) на элементарные дроби.

Если система имеет один вход и один выход и некратные корни знаменателя, то

Тогда, в терминах пространства состояний:

Переходя к оригиналам, имеем:

Схема моделирования соответствующая выражению (6) имеет вид параллельного соединения апериодических регуляторов переменных состояния, каждый из которых является звеном с отрицательной обратной связью.

Полученная схема моделирования наиболее интересна для описания биологических звеньев терапевтических БТС, в частности, БТС электронейростимуляции, где техническое звено образует внешний контур управления, включаемый параллельно моделируемым эндогенным регулятором физиологических систем организма. Данная модель позволяет исследовать динамику системы и на этой основе сформировать требования к параметрам воздействия при электронейростимуляции.
 
 

Список использованных источников.
 
 

1. Биотехнические системы: Теория и проектирование / Под. ред. В.М.Ахутина.- Л.: Изд-во ЛГУ, 1981.-220с.

2. Гродинз Ф. Теория регулирования и биологические системы.- М.: Мир, 1966.-255с.

3. Современные методы идентификации систем: Пер. с англ./ Под ред. П.Эйкхорфа.-М.: Мир, 1982.- 400с.

4. Мармарелис П., Мармарелис В. Анализ физиологических систем.-М.: Мир, 1981.- 480с.

5. Гроп Д. Методы идентификации систем.-М.: Мир, 1979.-302 с.

6. Деруссо П., Рой Р., Клоуз Ч. Пространство состояний в теории управления.-М.: Наука, 1970.- 620 с.

7.Лощилов В.И., Калакутский Л.И. Биотехнические системы электростимуляции.- М. МГТУ, 1991.-168с.