Моделирование БТС. 
Биотехнические системы медицинского назначения

На всех этапах проектирования БТС необходимо применять методы моделирования (см. гл. 9). Разработку модели БТС обычно начинают с вербальной модели биообъекта, после чего создают физическую, а затем и математическую модели.

Регулярная (правильная) математическая модель позволяет исследовать такие свойства биообъекта, которые по тем или иным причинам недоступны для непосредственных эмпирических методов.

В любом случае необходима проверка правильности используемой модели. Такая проверка, в частности, подразумевает сопоставление экспериментальных клинических данных с результатами моделирования. Применяемая модель должна правильно отражать состояние биообъекта и сопряженных с ним технических устройств, при этом требуется решить обратную математическую задачу моделирования.

Один из первых шагов в проверке адекватности модели — использование стандартных математических методов обработки данных. При обработке экспериментальных данных следует учитывать их разброс (в современной формулировке — нечеткость), обусловленный свойствами самого биообъекта.

Многообразие процедур взаимодействия схемы биообъект В — техническое устройство Т и измерительных процедур, посредством которых получают объективную информацию о биообъекте, можно суммировать в схеме взаимодействия В — Т и преобразования вектора наблюдаемых свойств биообъекта (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Общая схема взаимодействия биообъект В — техническое устройство Т:

Z — зондирующее устройство; D — датчик-сенсор; Р — регистрирующий прибор-преобразователь; М — регистрирующее устройство (монитор); Ц/) — вектор наблюдаемых свойств биообъекта; x (t) — вектор выходного сигнала с датчика-сенсора;). (I) — вектор измеряемых свойств биообъекта Зондирующее устройство Z реализует входное воздействие на биообъект В. Отклик биообъекта на входное воздействие зондирующего устройства — вектор наблюдаемых свойств биообъекта;

Датчик-сенсор, отображаемый пространственным оператором D, осуществляет преобразование вектора наблюдаемых свойств биообъекта (t) в вектор сигнала х (1):

где Z>[A.(/)] ^_ оператор преобразования вектора наблюдаемых свойств биообъекта >,(/) в вектор выходного сигнала датчика x (t). Вектор выходного сигнала датчика.

отображающий значения наблюдаемых свойств, поступает на вход регистрирующего прибора-преобразователя (или алгоритмического блока) Р. Этот прибор осуществляет обратное преобразование вектора выходного сигнала датчика-сенсора в вектор измеряемых свойств биообъекта k'(t):

Далее вектор Х‘(1) с прибора-преобразователя поступает на регистрирующее устройство — монитор М Анализ основных процессов в диагностических БТС показывает, что в качестве входных переменных воздействия (компонент вектора Z (t)) на физиологические системы организма можно использовать управляющие воздействия. Они формируются техническими звеньями, реализующими целевую функцию БТС. Выходными переменными биологических звеньев являются диагностические показатели (вектор измеряемых свойств X'(t)), характеризующие состояние организма в норме и при патологии. Таким образом, функционирование БТС и системы сбора информации о биообъекте можно представить как композицию прямого и обратного преобразований сигналов.

Чтобы проиллюстрировать отдельные этапы проектирования БТС и схемы взаимодействия В — Т, рассмотрим физиотерапевтическую систему (ФТС) для проведения УВЧ-терапии электрическим полем частотой 27,12 МГц (рис. 11.4). Данная ФТС относится к подклассу БТС Г₂1, основанных на физических методах терапии.

Рис. 11.4. Физиотерапевтическая система для проведения УВЧ-терапии электрическим полем частотой 27,12 МГц.

По целевому назначению ФТС подразделяют на следующие подклассы 721*: эргатические, предназначенные для использования с человеком-оператором в качестве управляющего звена в полном объеме; направленного управления с частичным участием человека-оператора в качестве управляющего звена; с полным управлением.

Целевое назначение проектируемой ФТС с частичным участием человека-оператора состоит в проведении УВЧ-терапии различных частей тела пациента и одновременной дозиметрии поглощенной телом мощности.

В соответствии с целевым назначением проектируемой ФТС биообъекты — это различные части тела, например рука (см. рис. 11.4).

Согласно задаче дозиметрии, в качестве вектора состояния биообъекта берут двухкомпонентный вектор комплексного электрического сопротивления (импеданса) части тела, подвергаемой терапевтическому воздействию. Соответствующие экспериментальные данные (база данных) приведены ниже.

Часть тела Сопротивление Емкость R, кОм С, мкФ Рука (плечо)…

Нога (бедро)…

Торс (туловище в области желудка).

• 5…10 0,001…0,004
• 10. .25 0,008…0,01
• 50. .100 0,005…0,015

При этом вектор состояния биообъекта.

где А,](0 — активное сопротивление, X (t) = R; А,₂(/) — реактивное сопротивление, X₂(f) =½л/С; / - частота воздействующего электрического поля.

В вербальной модели каждая часть тела с позиции электромагнитного воздействия представляет собой совокупность тканей с различными электрическими свойствами. Сложная система тканей-проводников в физической модели отображается в виде RC- контура (рис. 11.5).

В математической модели импеданс части тела, подвергаемой терапевтическому воздействию,.

где R и ½л/С — активная и реактивная составляющие импеданса; / - частота (физиотерапевтическая) воздействующего электрического поля.

Рис. 11.5. Моделирование ФТС для проведения УВЧ-терапии электрическим полем частотой 27,12 МГц:

а — взаимодействие В-Т (конечность — УВЧ-поле); б — /?С-котур — физическая модель взаимодействия Данная формула, по существу, является математической моделью части тела для проектируемой ФТС.

После того как пройдены перечисленные выше этапы, переходят к решению инженерных проблем разработки БТС — к восьмому этапу: описание структуры и проектирование БТС. К числу таких инженерных проблем относятся:

• • анализ существующих технических средств решения задачи, технической базы данных и выбор прототипа;
• • анализ недостатков существующих технических решений и разработка путей их устранения;
• • создание блок-схемы БТС;
• • разработка узлов, блоков, схем процессов и их компоновка.

Для реализации системного подхода к проектированию ФТС необходимо выполнение двух основных принципов синтеза — биоадекватности и идентификации медико-биологической информации. Основные этапы системного подхода к проектированию ФТС:

• • диагностика состояния пациента в реальном масштабе времени;
• • управление временными и информационными параметрами лечебного воздействия;
• • коррекция временных и информационных параметров лечебного воздействия в реальном масштабе времени в зависимости от состояния пациента.

Принцип биоадекватности — лечение с использованием электрических полей частотой 27,12 МГц — позволяет достичь необходимой глубины проникновения электромагнитного воздействия для получения оптимального терапевтического эффекта и характера поглощения энергии электрического поля в тканях тела пациента.