Введение к работе
Актуальность работы. Задача синтеза новой биомедицинской техники должна опираться, с одной стороны, на возможности современной техники и технологии, а с другой - на достаточно полное, глубокое знание строения и функций биосистемы и правильное понимание явлений, происходящих при взаимодействии технических средств и живого организма. Изучение данного взаимодействия требует применения системного подхода, в соответствии с которым технические и биологические звенья, связанные для достижения поставленной цели, рассматриваются в рамках единой биотехнической системы - БТС (В.М. Ахутин, 1975).
Системный подход давно уже стал методологической основой создания новых высокоэффективных методов и аппаратного обеспечения, необходимых для решения задач в медицине, биологии и экологии. При этом учитываются особенности взаимодействия трех взаимосвязанных элементов: биологического объекта (БО), технических средств (ТС) и методического обеспечения (МО) (Е.П. Попечителев, 1993). Только одновременный анализ этих составляющих в их органическом сочетании позволяет рассчитывать на продвижение и новые идеи в этой области знаний и человеческой деятельности.
Тенденции развития БТС связаны с разработкой адаптивных систем, т.е. таких, которые способны изменять режим работы в зависимости от состояния включенного в их структуру биологического объекта. Эти тенденции должны учитываться и при синтезе БТС медицинского назначения (БТС-МН). Отличие БТС-МН от других типов БТС состоит в том, что в качестве биообъекта выступает организм человека, на который направлено воздействие технических средств, будь то диагностическая задача, связанная с оценкой состояния, или же корректирующее воздействие в ходе лечения. Поэтому особое значение приобретает изучение тех изменений в режимах использования ТС, которые связаны с изменением состояния организма. Так как состояние организма и эффект воздействия оцениваются по изменениям значений набора специально выбираемых параметров, то БТС должна оптимизировать свое взаимодействие с БО, реагируя на эти изменения.
Хорошо известно, что БО не является стационарным. Взаимодействие с внешними факторами запускает механизм адаптации и даже более глубокой перестройки (самоорганизации) биологических систем. Такое взаимодействие происходит постоянно, оно связано со многими, часто неконтролируемыми, факторами. Следовательно, сам биообъект должен быть отнесен к классу динамических систем с переменными во времени параметрами (СПВП), а для его описания необходима разработка таких его моделей, которые отражали бы временные вариации параметров и соответствовали принципам биологической оптимальности. Идея построения таких моделей (параметрических моделей) еще не получила должного развития. Известны рабо-
ты, где предложены лишь частные модели этого типа - модели нейрона, нейронной сети, участка живой ткани и др. (К.Н. Дудкин, 1988; В.И. Лощилов с соавт., 1991 и др.). В большинстве же работ этот подход только обсуждается.
Представление биологического объекта в виде СПВП приводит к идее разработки таких адаптивных БТС-МН и таких методик их применения, которые принципиально должны иметь возможность изменить во времени свои существенные параметры в зависимости от текущих параметров биологического объекта. Таким образом, они должны быть системами типа СПВП.
Системы с переменными во времени параметрами хорошо известны в технике. Они нашли применение и при разработке технических и методических средств для медико-биологических исследований. К ним можно отнести параметрические усилители электрофизиологических сигналов; радиокапсулы и длительно необслуживаемые датчики температуры с параметрическим возбуждением чувствительного элемента; схемы автоматического регулирования коэффициента усиления; схемы калибровки; преобразователи частоты и модуляторы для биотелеметрии и т.д. Однако расширение масштабов использования принципов синтеза СПВП (особенно в контексте организации методов исследований и таких ТС, которые подстраивались бы к изменениям параметров БО в реальном масштабе времени) связано с преодолением трудностей принципиального характера. Это, прежде всего, обусловлено отсутствием общих принципов построения и аппаратно-методического обеспечения исследований с позиций систем с переменными во времени параметрами.
Цель работы: Разработка принципов построения систем с переменными во времени параметрами и реализация аппаратно-методического обеспечения, основанного на рассмотрении биологического объекта, технических средств и методического обеспечения (включая средства и методы диагностики состояния и лечебных воздействий) в виде подсистем с переменными (изменяющимися) во времени параметрами, которые связаны в единую исследовательскую систему медико-биологического назначения.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Анализ проблем организации медико-биологических исследований и оценка возможности применения для решения этих проблем класса систем с переменными во времени параметрами.
-
Теоретические исследования свойств и характеристик систем с переменными во времени параметрами.
-
Разработка моделей биообъектов как систем с переменными во времени параметрами.
-
Разработка принципов и методик синтеза технических средств и методического обеспечения медико-биологических исследований на основе представлений о них, как о системах с переменными во времени параметрами.
-
Практическая реализация БТС медицинского назначения на принципах синтеза СПВП.
-
Экспериментальное исследование разработок и их внедрение.
Методы исследования. Результаты исследования базируются на системном анализе, теориях синтеза биотехнических систем и систем с переменными во времени параметрами, методах моделирования, теории линейных операторов, случайных процессов, потенциальной помехоустойчивости, оптимальных систем и корреляционной теории.
< Научная новизна. В диссертации получили развитие принципы построения систем с переменными во времени параметрами; на их основе предложено аппаратно-методическое обеспечение медико-биологических исследований, совокупность которых можно определить, как новое крупное достижение в развитии научного направления, связанного с разработкой адаптивных биотехнических систем медицинского назначения и имеющего важное народнохозяйственное и социальное значение. Результаты, подтверждающие научную новизну работы:
новый подход к анализу структуры медико-биологических исследований, основанный на том, что сам биологический объект, технические и методические средства обеспечения исследований, органически связанные между собой и влияющие друг на друга, представляются в виде подсистем с переменными во времени параметрами, которые включены в единую исследовательскую систему. Это позволяет учитывать законы изменения определяющих параметров биообъекта для регулирования параметров технических и методических средств и подстраивать ТС к параметрам БО в реальном масштабе времени;
принципы моделирования биологических объектов, основанные на их представлении в виде динамических систем с переменными во времени параметрами. Такое представление позволяет повысить уровень адекватности модели исследуемому биообъекту, что важно, в частности, для изучения динамики функционирования систем организма и управления ими;
методы анализа нестационарных физиологических процессов и систем, основанные на их представлении стационарными и нормальными в так называемой "приведенной" системе отсчетов времени и величин; это позволяет для их изучения применять хорошо разработанный аппарат случайных стационарных процессов;
принципы синтеза технических средств как систем-объектов с переменными во времени параметрами, создающих основу для построения диагностических и терапевтических приборов и аппаратов, обеспечивающих взаимное согласование биообъекта и технических средств в реальном масштабе времени;
принципы создания методического обеспечения медико-биологичес-
ких исследований как систем-процессов с переменными во времени параметрами, позволяющих осуществлять изменения параметров диагностических процедур и лечебных факторов с учётом текущего (изменяющегося во времени) состояния биообъекта.
На защиту выносится концепция рассмотрения биосистемы, а также технического и методического обеспечения, необходимых для ее исследования, как реализаций СПВП, для чего:
новые медицинские технологии, а также включаемые в них технические средства и методическое обеспечение целесообразно разрабатывать с учетом временных изменений определяющих параметров биообъекта, что обеспечит более гибкую подстройку ТС и МО к текущим значениям параметров БО в реальном масштабе времени.
при построении моделей биообъектов и протекающих в них физиологических процессов адекватным является их представление в виде систем с переменными во времени параметрами. Тогда для характеристики временных изменений состояния объекта можно воспользоваться результатами по исследованию этого класса систем.
- ТС и МО, используемые в медико-биологических исследованиях,
должны рассматриваться и проектироваться как СПВП. Это позволяет учи
тывать законы изменения определяющих параметров биосистем и оптималь
но подстраивать параметры используемых методов и технических средств
под текущее состояние биообъекта.
Практическая ценность. Практическую ценность работы составляют:
модели биологических объектов в виде систем с переменными во времени параметрами; эти модели отражают динамику происходящих в биообъекте процессов путем изменений определяющих параметров СПВП;
принципы построения ТС медико-биологических исследований как систем с переменными во времени параметрами, в соответствии с которыми обеспечивается согласование параметров ТС и БО в реальном масштабе времени;
метод представления нестационарных физиологических процессов в виде стационарных в приведенной системе отсчётов, облегчающее задачу их исследования, а также способ перехода к ортогональному базису сложно модулированных функций, позволяющему минимизировать информационное описание сигналов;
образцы новой медицинской техники, которые показали практическую эффективность при:
а) обезболивании с помощью чрескожной электростимуляции;
б) лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата (артрозы, пе
реломы, спондилёз, дегенеративно-дистрофические заболевания);
в) лечении хронических заболеваний органов дыхания путём адекват-
ной вибрации бронхов и выведения мокроты;
г) регистрации изменений импеданса живой ткани при изменении кро
венаполнения сосудов;
д) съеме, усилении, оптимальной обработке биологических сигналов на
фоне различных помех.
Реализация результатов связана с разработкой и внедрением при непосредственном участии автора образцов новой биомедицинской техники. Они внедрены в нескольких организациях.
А. В Институте нетрадиционной медицины (ИНМ) "Гиппократ" при Дагестанской медицинской академии внедрены:
многофункциональное параметрическое устройство для регистрации биопотенциалов;
прибор для измерения активной мощности, рассеиваемой в биологически активной точке (БАТ);
аппарат для лечения бегущим импульсным магнитным полем;
В Дагестанском республиканском центре травматологии и ортопедии внедрены:
аппарат для электромагнитной стимуляции кровоснабжения конечности;
аппарат чрезкожной электронейростимуляции.
В Дагестанской центральной клинической больнице внедрен аппарат для вибрации бронхотрахеального дерева.
Государственное научно-производственное предприятие "Аура-Алиф", (г. Махачкала) приняло к производству параметрические системы для оптимальной обработки сигналов вызванных потенциалов мозга, апекскардио-граммы, биотелеметрического сигнала колоколообразной формы на фоне различных помех.
Результаты работы также внедрены в учебный процесс ДГТУ по дисциплинам "Разработка и проектирование диагностической и терапевтической техники" и "Методы и средства обработки биологических сигналов", включенным в план подготовки специалистов медико-технического профиля.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных симпозиумах: "Проблемы рационального природопользования и обеспечения экологической и экономической безопасности прикаспийского региона" "Каспий-Балтика-95" (С.-Петербург, 1995); «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 2000); международных НТК: по медицинскому приборостроению "Биомедприбор -96" (Москва, 1996); "Конверсия. Приборостроение. Рынок" (Владимир, Суздаль, 1997); второй международной конференции "Электромагнитные поля и здоровье человека", 1999; международном семинаре "Инновация в здравоохранении" (Санкт-Петербург, 1997); на всероссийских и республиканских НТК: "Системный
анализ и принятие решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и радиоэлектроники" (Махачкала, 1991); "Информационно-управляющие системы и специализированные вычислительные устройства для обработки и передачи данных" (Махачкала, 1996); "Состояние и перспективы развития медицинского приборостроения" (Махачкала, 1996); "Медицинские информационные системы - МИС-98" (Таганрог, 1998); на республиканских НТК: "Радиотехника народному хозяйству" (Махачкала, 1983); "Автоматизация производства и использование средств вычислительной техники в народном хозяйстве" (Махачкала, 1985); "Научно-технический прогресс и ЭВМ" (Махачкала, 1987).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 59 опубликованных научных работах, из них 2 монографии, 2 учебных пособия, 31 научных статей, 3 авторских свидетельства на изобретение, 21 тезисы докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников, включающего 251 наименование. Основная часть работы изложена на 267 страницах машинописного текста. Работа содержит 82 рисунка и 10 таблиц. Приложение включает акты внедрения работы.
