Моделирование биотехнических систем

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.