Федеральное Агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ГОУВПО «ВГТУ»)

Естественно-гуманитарный факультет

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

Отчёт по лабораторной работе №1

по дисциплине: «Теория биотехнических систем»

тема «Терапевтическая БТС нормализации состояния биообъекта»

Выполнила: студентка группы БМ-071 Коновалова Н.Ю.

Проверил: Коровин В.Н.

2011

Содержание

1 Цель работы 3

2 Ответы на контрольные вопросы 4

3 Построение блок-схемы 14

4 Изучение рынка 15

5 Построение структурной схемы 17

6 Выводы 19

7 Используемая литература 20

1 Цель работы

Ознакомление с биотехническими системами терапевтического типа, получение навыков коррекции оказываемого лазерного воздействия при проведении физиотерапевтических процедур и анализ влияния параметров настройки лазерного аппарата на дозу лазерного излучения, получаемую биообъектом.

2 Ответы на контрольные вопросы

1. Дайте определение биотехнической системы, изобразите ее структурную схему. Приведите примеры БТС различного типа.

Биотехнические системы (БТС) – сложные системы, включающие биологические и технические подсистемы, которые функционируют совместно для достижения общей цели.

Структурная схема БТС изображена на рис.1

Рисунок 1 – Структурная схема биотехнической системы

Различают БТС медицинского назначения (предназначенные для использования в медицинских целях), эргатического типа (БТС с человеком-оператором в качестве управляющего звена) и БТС целенаправленного управления поведением целостного организма.

2. Укажите особенности биологической и технической подсистем.

Особенности биологической подсистемы:

1. необычайная сложность;

2. изменчивость и индивидуальность параметров;

3. отсутствие однозначных связей;

4. неоднозначность реакции на одни и те же сигналы внешней среды;

5. влияние патологических явлений, возникающих в подсистемах низших уровней, на функционирование подсистем высших уровней;

6. качественная неоднородность (в одной системе одновременно работают разнородные подсистемы с различными управляющими сигналами: химическими, физическими, информационными).

Особенности технической подсистемы:

1. высокая скорость обработки информации;

2. большой объем обрабатываемой информации;

3. адаптация к изменению внешних воздействий и параметров биологической подсистемы.

3. Укажите основные задачи синтеза биотехнических систем.

а) обеспечение реализации целевой функции системы в нестационарной внешней среде;

б) предоставление информации, поступающей с биообъекта, в адекватной форме, удобной для восприятия и достаточной для построения концептуальной модели ситуации;

в) адаптация технических элементов системы к состоянию сопряженных с ними систем живого организма.

4. Изобразите модель процесса исследования состояния биологического объекта и проанализируйте факторы, влияющие на него.

Вся медико-биологическая информация, поступающая от пациента (или оператора), разделяется на медленно изменяющиеся процессы (МИП) и быстро изменяющиеся процессы (БИП).

При этом к медленно изменяющимся относятся процессы, частота изменения которых ниже 1 Гц, а мгновенные значения могут быть выражены цифрой, например частота сердечных сокращений, частота дыхания, температура тела и т. д. К быстро изменяющимся процессам относятся, главным образом, электрофизиологические процессы, характеризуемые изменением электрических потенциалов на поверхности кожи или на отдельных локальных участках организма под ее покровами, например электрокардиосигнал (ЭКС), электроэнцефалограмма (ЭЭГ), электромиограмма (ЭМГ) и т. д. К ним же относятся и другие характеристики физиологических функций организма, измеряемые с помощью специальных датчиков-преобразователей и характеризуемые кривой изменения процесса во времени, например плетизмограмма, кривая изменения объемной скорости кровотока, кривая пульсации артериального давления и т. д. Частотные спектры быстро изменяющихся процессов находятся в диапазоне от 0,1 до 1000 Гц. Для современных диагностических медицинских и исследовательских БТС характерна следующая структурная схема (рисунок 2). Вся медико- биологическая информация о медленно изменяющихся процессах в организме поступает в виде электрических сигналов от датчиков-преобразователей первичной информации (ДПИ МИП), которые усиливаются в блоке усиления (БУ) и преобразуются в цифровую форму в блоке преобразования (БП) обычно в двоично-десятичный код для ввода в автоматический анализатор состояний (ААС), а также для регистрации в блоке регистрации (БР) и демонстрации на специальном табло или экране дисплея системы отображения информации (СОИ).

Рисунок 2 – Структурная схема измерительно-информационной БТС-М

5. Дайте определение терапевтических биотехнических систем (БТС-МТ), приведите примеры.

Под терапевтическими биотехническими системами будем понимать управляющие БТС, восстанавливающие естественные функции органов и физиологических систем больного человека, поддерживающие их в пределах нормы, а также выполняющие роль замещения утраченных физиологических функций организма.

Примерами систем, могут быть небиоуправляемый кардиостимулятор (автоколебательный режим) в условиях скорой помощи, дефибриллятор в несинхронизированном режиме или аппарат для ультразвуковой ингаляции легких; имплантированный или экстракорпоральный кардиостимулятор, переходящий из режима биологической синхронизации в автоколебательный режим, наконец, имплантированный кардиостимулятор, управляющий работой больного сердца и синхронизируемый сердцем же по цепи обратной связи или дефибриллятор в синхронизированном режиме; функциональный протез; система поддержания гомеостаза.

6. В чем заключается сущность теории динамического программирования? Приведите примеры ее применения к различным лечебным воздействиям.

Клиницист, руководя процессом лечения, назначает пациенту первое дозированное лечебное воздействие стандартным препаратом (функциональная проба). Спустя определенное время от организма (или конкретной физиологической системы) получают ответную информацию, которую автоматически сопоставляют с исходной. В зависимости от «ответа» организма в него вводится соответствующая доза того же (или другого) препарата, и так далее до достижения желаемого положительного лечебного эффекта. Таким образом, сложную задачу индивидуализированной фармакотерапии, которую пока еще нельзя решить сразу, одним действием, стремятся решить с помощью последовательности действий на основе многошагового процесса лечения. В последние годы таких попыток становится все больше и предварительные результаты весьма многообещающи. При подобной методике параметры объекта управления (живого организма) определяются не путем пассивного наблюдения, а методом активного вмешательства. Особенно важно то, что •он дает возможность управлять живым объектом даже при неполной информации (это положение в области индивидуализированной фармакотерапии вряд ли изменится в предвидимом будущем) не наугад, а автоматически приспосабливаясь к объекту (адаптивное управление). Таковы несомненные достоинства использования принципов теории динамического программирования в БТС.

Рассматривая проблему лечебного воздействия на больной орган(физиологическую систему организма), следует различать две группы явлений:

− непосредственное функционирование органов (работа сердца, легких, почек, конечностей);

− управление работой данных органов. Для автоматического управления этими процессами необходимы различные технические устройства.

В первом случае это будут протезы самих органов: искусственные сердце, легкие, почки, конечности, а во втором – протезы управления органами. Например, в первом случае может применяться протез самой: конечности, восполняющий утраченные функции организма, а во втором – кардиостимулятор, поддерживающий жизнедеятельность больного сердца.

7. Объясните суть основной проблемы БТС-МТ. Почему точность лечебных воздействий отстает от точности диагностирования

Следует отметить, что применение такой методики может быть осуществлено только в условиях замкнутости системы терапевтического процесса. В полностью автоматической БТС-МТ в идеальном случае присутствие врача было бы необходимо лишь на первой и последней стадиях лечения – при поступлении больного в клинику и при окончании цикла автоматической терапии. Однако в настоящее время и в ближайшем будущем вряд ли можно обойтись без врача на промежуточных стадиях лечения. Дело в том, что пока нельзя заранее составить строгую машинную программу лечения без участия клинициста, так как исходное понятие «соответствующая доза» часто понимается по-разному (а это также не учитывается a priori). Поэтому сейчас можно говорить о реальном создании полуавтоматических, автоматизированных БТС-МТ для индивидуализированной фармакотерапии.

8. Укажите способы построения БТС-МТ. Проанализируйте особенности их реализации.

Нужно различать три способа построения биотехнических систем терапевтического назначения.

1) Полный цикл работы БТС-МТ (или время проведения лечебной процедуры) протекает при полном отсутствии обратной связи с выхода на вход системы. Такой метод является простейшим из всех и используется в тех случаях, когда нецелесообразно или пока еще невозможно реализовать другие методы.

2) В течение отработки полного цикла происходят паузы в процессе управления патологическим процессом, во время которых человек-оператор (техник, лаборант, врач) корректирует действие технической системы, т. е. как бы выполняет функции цепи обратной связи. Такой метод можно назвать полуавтоматическим, а сами БТС-МТ – полуавтоматическими.

3) Полный цикл управления протекает без всякого участия человека-оператора, т. е. полностью автоматически. Такие БТС-МТ называют автоматическими. Автоматические БТС позволяют получить наилучший терапевтический эффект и наибольшую адекватность восстановления утраченных функций.

9. Изобразите основные структурные схемы БТС-МТ.

Рассмотрим основные структурные схемы БТС-МТ (рисунок 3).

Все БТС-МТ характеризуются наличием объекта управления (ОУ) и управляющего устройства – регулятора (Р), присоединенного к нему. Между этими частями существует прямая связь и постоянно и непостоянно функционирует обратная связь (ОС). Замкнутый контур регулирования с контролем исполнения, осуществляемым по каналу обратной связи – характерная особенность наиболее совершенных БТС-МТ. Регулятор (Р), в свою очередь, как правило, управляется сигналами от предыдущего устройства естественной (биологической) или искусственной (технической) природы. Эта часть является входом (А) БТС-МТ. Объект управления сам воздействует на другой объект в этом же организме либо взаимодействует с внешними предметами или организмами. Эта часть является выходом (В) БТС-МТ. В первом случае систему можно назвать закрытой, а во втором – открытой.

Наличие обратной связи позволяет системе активно и оперативно перестраиваться на нужный режим терапевтического воздействия, позволяет координировать движения объекта управления – исполнительного устройства.

Рисунок 3 – Структурные схемы БТС-МТ

В структурных схемах на рисунке 29, а–в общим является то, что биологический регулятор (естественного происхождения) РЖ управляет техническим объектом (ОУ). По схеме а работает система управления без биологической обратной связи (ОС) (разомкнутая система), например функциональный протез; схема б соответствует БТС-МТ в полуавтоматическом режиме, т. е. с непостоянным действием обратной связи, например система поддержания гомеостаза с участием врача, корректирующего работу такой БТС-МТ; схема в соответствует БТС-МТ в автоматическом режиме, т. е. с постоянно действующей обратной связью, например система поддержания гомеостаза или функциональный протез (в первом случае исполнительное устройство может быть в виде автоматического шприца для инъекций лекарственного препарата, во втором – протез конечности).

В схемах г – е общим является то, что живой объект (ОУ) управляется регулятором в виде технического устройства РТ. Различия их аналогичны различиям схемам а – в. Примерами систем, работающих по схеме г могут быть небиоуправляемый кардиостимулятор (автоколебательный режим) в условиях скорой помощи, дефибриллятор в несинхронизированном режиме или аппарат для ультразвуковой ингаляции легких; по схеме д – имплантированный или экстракорпоральный кардиостимулятор, переходящий из режима биологической синхронизации в автоколебательный режим, наконец, по схеме е –имплантированный кардиостимулятор, управляющий работой больного сердца и синхронизируемый сердцем же по цепи обратной связи или дефибриллятор в синхронизированном режиме.

10. Запишите зависимости, по которым находится падающая и поглощенная внутренними тканями доза лазерного излучения. В чем причина отличия этих параметров друг от друга?

Определяется падающая доза лазерного излучения D_пад из следующего выражения:

где Р_пад – падающая средняя мощность лазерного излучения, задаваемая при

воздействии; S – площадь облучаемого участка биоткани; t – экспозиция (время

воздействия).

Рассчитывается поглощенная внутренними тканями доза при лазерной терапии внутренних органов следующим образом:

ρ(λ) - коэффициент отражения кожного покрова;

ξ - коэффициент теплового поглощения эпидермиса.

где R – радиус светового пятна; Р_пад – падающая средняя мощность лазерного излучения, задаваемая при воздействии; Θ - температура локального нагрева эпидермиса; Р_отр – отраженная средняя мощность, определяемая из выражения:

Причиной различия этих параметров является то, что при расчёте поглощенной внутренними тканями дозы при лазерной терапии внутренних органов учитывается коэффициент отражения кожного покрова, а также коэффициент теплового поглощения эпидермиса.

11. Запишите зависимости, характеризующие воздействие лазерного излучения (плотность потока полезной мощности, плотность потока энергии, доза).

, мВт/см2 (или мкВт/см2),

P_имп - мощность импульсного излучения, Вт.

Е - облученность или плотность потока мощности (ППМ), Вт/см². Облученность - это отношение мощности излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению излучения, освещаемую лучом.

где: Р_имп - импульсная мощность лазерного излучения, Вт;

Тау - длительность импульса, сек;

f- частота повторения импульсов, Гц;

S- площадь облучения, см²

Энергетическая экспозиция

, Дж/см²

где: t - длительность процедуры на данной частоте, сек.

Доза Q - полная энергия за сеанс, Дж (равна произведению средней мощности на длительность сеанса

, Дж.

12. Сформулируйте закон Арндта-Шульца и приведите его графическое изображение.

Он гласит, что в биологических системах слабые стимулы дают сильные реакции, средние - умеренные реакции, умеренно сильные слегка тормозят систему, а очень сильные полностью блокируют ее. На приведенном рисунке дано графическое изображение закона Арндта-Шульца в представлении доктора Т. Охширо (рис. 4).

Рисунок 4 – Графическое изображение закона Арндта-Шульца