Предмет, задачи и методы количественного описания биотехнических систем

Разработка методов количественного описания биообъектов — один из главных элементов проектирования биомедицинской техники.

В настоящей главе предмет, задачи и методы количественного описания БТС сформулированы следующим образом: с позиций системного подхода определяются требования к характеристикам проектируемой БТС; с учетом специфичности биообъекта устанавливается связь целевого назначения и технических характеристик БТС; разрабатываются методы количественного описания биообъекта; формулируется задача анализа и синтеза данного типа БТС.

Техника для медицины

Характерная черта технического развития общества — ускоренный рост индустрии техники для медицины (медицинской техники) и биотехнологий (биотехники).

В качестве одного из наиболее распространенных примеров медицинской техники можно привести рентгеновские аппараты, широко используемые для рентгеноскопии (рис. 1.1). Рентгеноскопия представляет собой неинвазивный (без вмешательства в организм) метод технической диагностики состояния внутренних органов.

Рис. 1.1. Схема флюорографической рентгеноскопии:

1 — человек (биообъект); 2 — рентгеновская трубка; 3 — блок питания; 4 — излучение; 5 — флуоресцентный экран Основные элементы рентгеновского аппарата — рентгеновская трубка 2, генерирующая излучение 4, блок питания 3, управляющие подсистемы и флуоресцентный экран 5. Принцип действия аппарата основан на прохождении через ткани тела человека 1 и поглощения ими излучения от рентгеновской трубки.

В результате на флуоресцентном экране получают изображение (теневые проекции внутренних органов), используя которое можно судить о состоянии организма, т. е. ставить диагноз.

В рассмотренном случае человек — это биообъект, а рентгеновский аппарат — техническое устройство.

Еще один пример современной медицинской техники для функциональной диагностики — реограф, служащий для оценки состояния системы кровообращения. Принцип действия реографа (рис. 1.2) основан на зависимости электрической проводимости живой ткани от протекающих в ней физиологических процессов.

Изменения импеданса Z участка ткани между измерительными электродами, вызванные колебаниями кровенаполнения сосудов, преобразуются в изменения напряжения U на выходе схемы. Затем эти изменения усиливаются, детектируются и регистрируются в виде кривых — реограмм, на основе анализа которых врач ставит диагноз — дает оценку состояния системы кровообращения на исследуемом участке тела.

При реографии биобъект — это исследуемый участок тела, а электроды вместе с измерительными и регистрирующими подсистемами представляют собой техническое устройство.

Рис. 1.2. Схема проведения реографии:

1 — верхние измерительные электроды; 2 — уровень мечевидного отростка; 3 — центр верхних измерительных электродов; 4 — нижние измерительные электроды; 5 — нижний токовый электрод; б-левая нижняя конечность; 7 — уровень фиксации измерительных электродов; 8 — верхний токовый электрод Устройство для аэроионотерапии — аэроионизатор (люстра Чижевского) — относится к классу физиотерапевтической аппаратуры и предназначено для обогащения воздуха отрицательно заряженными супероксидионами О2 (аэроионами) (рис. 1.3). Проникая через легкие в кровь, аэроионы взаимодействуют с тканями. Малые дозы аэроионов оказывают оздоровительное действие на организм человека. Кроме того, при взаимодействии аэроионов с воздухом происходит осаждение пыли, вредных аэрозольных частиц и уничтожение микроорганизмов.

Рис. 1.3. Принципиальная схема аэроионизатора и размещение пациентов во время сеансов аэроионотерапии:

1 — излучатель (люстра Чижевского); 2 — высоковольтный кабель; 3 — пульт управления; 4 — соединительный провод; 5 — преобразователь; б — пациент В аэроионотерапии техническим устройством является люстра Чижевского с блоком питания и элементами управления, биообъектами — организм человека в целом, а также микроорганизмы в атмосфере и в легких.

Следует иметь в виду, что повышенные концентрации аэроионов могут повредить ткани. В аэроионотерапии, рентгеноскопии, так же как и в общем случае использования медицинской техники, необходимо строго дозировать воздействие технического устройства на биообъект (принцип биоадекватности).

К аппаратуре для жизнеобеспечения при хирургических вмешательствах относятся специальные аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ). Искусственная вентиляция легких — наиболее эффективный (а иногда и единственный) метод лечения опасного для жизни полного или частичного нарушения дыхания, возникающего вследствие тяжелых инфекционных заболеваний, серьезной патологии нервной системы и органов дыхания, при травмах, ранениях и поражениях электрическим током.

С помощью аппарата ИВЛ в легкие пациента ритмично вводится определенный объем газа (рис. 1.4). В данном случае биообъектом является система внешнего дыхания, а пневматические механизмы вместе с измерительными и регистрирующими подсистемами представляют собой техническое устройство.

а — вдох; б — выдох; р_пп — давление плевры; р_л — давление в легких; V/ — скорость вдувания; v_E — скорость откачки; R,_r — сопротивление трахеи Рис. 1.4. Фазы ИВЛ:

Принудительное введение объема газа со скоростью v/ создает в легких положительное давление р_я = V//C₀ (С₀ — общая растяжимость легких и грудной клетки), необходимое для растяжения эластичных структур легких и грудной клетки. При этом имеет место существенное различие биомеханик самостоятельной вентиляции и ИВЛ. Обратное соотношение внутрилегочного и внутригрудного давления может неблагоприятно повлиять на сердце и малый круг кровообращения.

Способы ИВЛ классифицируют на внешние и внутренние. При внешнем способе (рис. 1.5, а-в) воздух поступает в легкие под действием разрежения, создаваемого в камере, в которой находится пациент или часть его грудной клетки. В этом случае биомеханика ИВЛ во многом аналогична биомеханике самостоятельной вентиляции. К внешним способам также относят метод качания тела пациента вокруг поперечной оси с частотой вентиляции (см. рис. 1.5, в). Электростимуляция дыхательной мускулатуры, и в первую очередь диафрагмы, по своей биомеханике тоже является вариантом внешнего способа ИВЛ (рис. 1.5, Э).

Рис. 1.5. Способы ИВЛ:

а — «железные легкие»; б — аппарат с кирасой; в — качающаяся кровать; - вдувание; д — электростимуляция; е — внешние колебания давления; ж — осцилляторная вентиляция При внутреннем способе для реализации вдоха газ принудительно вдувается в легкие, поэтому во время вдоха создается положительное давление. Биоадекватность внутренних способов ИВЛ привела к тому, что практически все имеющиеся на рынке апцараты реализуют именно эти способы. При этом неблагоприятное влияние на гемодинамику и некоторые другие показатели жизнедеятельности успешно нейтрализуется.

Перечисленные примеры иллюстрируют тот факт, что во всех образцах медицинской техники (технических систем) имеет место взаимодействие технического устройства с биообъектом: при поглощении рентгеновского излучения тканями организма (рентгеноскопия), взаимодействии отрицательно заряженных аэроионов с легкими (аэроионотерапия), взаимодействии нагнетаемого при ИВЛ воздуха с легкими.

Технической системой называют техническое устройство, состоящее из двух и более находящихся во взаимных связях и отношениях частей. Единый комплекс, в котором целенаправленно реализуются взаимодействия технического устройства с биообъектом, называют биотехнической системой.