Классификация биотехнических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Классификация биотехнических систем

Наиболее удобным является функциональный принцип классификации. Он определяется назначением биотехнической системы. Данный способ классификации позволяет отразить существо и структуру научных и прикладных задач применительно к особенностям назначения и эксплуатации БТС конкретного типа.

Все биотехнические системы можно разделить на два типа в зависимости от того, каким компонентом представлен управляемый объект:

I. Инженерно-физиологические системы,

II. Эргатические системы

В данном случае под медицинскими системами понимают системы поддержания и замещения функций отдельных органов и систем.

В инженерно-физиологических биотехнических системах управляемым объектом является биологический компонент. В биотехнических системах эргатического типа управляемым звеном является технический компонент, и управляющее звено, как правило, включает в себя биологический объект. Таким образом, и в том, и в другом случае, не имеет никакого значения, чем представлено управляющее звено. В обоих типах систем управляющий объект может быть представлен не только биологическим или техническим компонентом, но также и совокупностью биологических и технических компонентов.

В биотехнических системах эргатического типа биологический объект, находящийся в составе управляющего звена, должен воспринимать информацию о ходе процессов в обслуживаемой системе, принимать адекватные решения и исполнять или давать команду на решение. В системах данного типа работает цепочка «эффектор-ЦНС-эффектор.

Другой тип взаимодействия биологических и технических элементов используется для коррекции функции живых систем. Коррекция функций организма может производится как на кибернетическом, так и на метаболическом уровне. Примером первого типа являются биоуправляемые протезы конечностей. При втором типе организм входит в состав БСТ своими физиологическими механизмами доставки и выведения веществ, а также биохимическими механизмами их переработки. Основную роль играют физиологические механизмы, так как именно они ответственны за обмен веществ с окружающей средой. Организм в данном случае играет роль управляемого объекта, обладающего своими механизмами управления (кардиостимулятор, ИВЛ по требованию). Качество комплекса определяется тем, насколько хорошо функционирует сам организм. Так, эффективность работы искусственного сердца зависит от того, хватает ли регуляторных возможностей организма, в которое оно встроено, для нормального существования организма. Качество протезов оценивается тем, насколько хорошо восстанавливается двигательная функция.

Инженерно-физиологические БТС можно условно разделить на

1. Медицинские БТС,

2. БТС целенаправленного управления состоянием целостного организма.

Кроме того, инженерно-физиологические БТС по роли технического компонента в процессе управления можно разделить на

1. Информационные

2. Советующие

3. Управляющий

4. Смешанные.

Медицинские БТС разделяют на

1. Диагностические

2. Терапевтические

3. БТС для замещения утраченных функций.

4. Системы массового профилактического осмотра.

2. Свойства БТС

Основным свойством биотехнической системы является ее суперадаптивность, обусловленная наличием двух контуров адаптации -внешнего и внутреннего. Внешний контур обеспечивает БТС возможность выполнять свою целевую функцию в условиях переменных воздействий внешних факторов (например, стохастических условий окружающей среды, изменения расположения взаимодействующих с системой динамических

объектов и т. п.), внутренний контур (или многие контуры) позволяет элементам БТС взаимно адаптироваться к изменению состояния друг друга, вызванного воздействием внешних и внутренних факторов. Таким образом, в БТС наличие биологических звеньев позволяет придать общим свойствам системы особую пластичность, улучшить адаптивные характеристики во внешнем контуре адаптации (особенно в системах типа «человек-машина-окружающая среда»). В то же время качество внутренней адаптации существенно зависит от возможности технических элементов системы следить за изменением состояния биологических ее звеньев и, обмениваясь информацией с биоэлементом, соответственно изменять свои характеристики. ти свойства БТС были заимствованы из бионических исследований живых организмов и воплотились в следующие основные принципы сопряжения технических и биологических элементов в единой функциональной системе.

Основные принципы сопряжения технических и биологических элементов в единой функциональной системе:

? принцип адекватности, требующий согласования основных конструктивных параметров и «управленческих характеристик» биологических и технических элементов БТС;

? принцип единства информационной среды, требующий согласования свойств информационных потоков, циркулирующих между техническими и биологическими элементами, как в афферентных, так и в эффекторных цепях БТС.

Синтез биотехнических систем самого различного назначения независимо от уровня сложности их структуры с целью соблюдения двух указанных принципов осуществляется на основе бионической методологии. Наиболее ярко она проявляется при синтезе БТС эргатического типа. В данном случае бионический подход характеризуется принятием в качестве функциональной модели БТС модели нервной системы высших позвоночных и прежде всего центральной нервной системы человека. Этот подход выражается в следующем: физиологический биотехнический биологический

? при построении структурно-функциональной схемы БТС используется принцип обработки основных потоков информации специализированными периферическими системами, которые минимизируют объем информации и перекодируют ее в форму, адекватную для восприятия головным мозгом оператора, т. е. осуществляют процедуру оптимальной фильтрации;

? периферические системы могут очувствляться, а информация может перераспределяться по различным сенсорным воспринимающим входам только по запросам из управляющего центра системы;

? основные элементы системы обмениваются информацией, что позволяет осуществлять процедуры внешней и внутренней адаптации;

? в основу адаптивных программ технических органов приятия, распределителей и преобразователей информации, названных нами логическими фильтрами-преобразователями - ЛФП закладываются результаты бионических исследований сенсорных систем организма человека с последующей формализацией их характеристик и построением соответствующих математических моделей;

? при синтезе эффекторных подсистем БТС реализуют результаты бионических исследований процессов деятельности человека как управляющего звена, получившие техническое воплощение в адаптивных органах управления;

? для установления связи между режимами функционирования воспринимающих систем и состоянием организма оператора, исследуются психофизиологические коррелянты, которые используются при выборе режимов ЛФП (например, при оптимизации частотно-временных параметров сигнала и определении оптимальных порогов чувствительности информационных каналов /68/);

? используется свойственный живым организмам принцип качественных оценок ситуации с последующим уточнением с помощью относительных измерений и сравнения с выбранным эталонным порогом;

? вводится специальный контур регенерации системы (контур нормализации состояния оператора), управляемый системой текущей диагностики состояний психофизиологических характеристик организма оператора .

Бионический подход позволяет также обеспечить такие важнейшие, общие для БТС всех типов свойства, как наличие внешней и внутренней адаптации.

Для синтеза БТМ используется метод поэтапного моделирования, предусматривающий поэтапный переход от смешанной биотехнической модели через накопление экспериментальных данных о биообъекте к математической модели БТС. Естественно, что в каждом

конкретном случае модель модифицируется, однако основные этапы синтеза БТС остаются общими для всех случаев.

3. Основные этапы синтеза БТС

Подготовительный этап (этап I). Разрабатывается структурно-функциональная схема БТС, конкретизируются ее целевая функция и возможные режимы работы. Определяется биологический объект и предварительный алгоритм его функционирования в БТС. На основании априорных данных создается модель БТС с математической моделью

биологического элемента (например, для человека-оператора - модель передаточной функции управляющего звена (щч-о), для аппарата искусственного кровообращения - модель транспортной функции кислорода и т. д.). При отсутствии априорных данных для приближенного математического описания функционирования биологического звена строится смешанная модель, на которой проводится бионическое исследование объекта с целью снятия соответствующих количественных характеристик.

Управленческое согласование характеристик элементов БТС (этап II).

Осуществляются итерационные процедуры согласования характеристик элементов БТС в едином контуре управления. При этом все технические элементы, как и воздействующие Факторы внешней среды достаточно корректно моделируются на ЭВМ, выходы модели сопрягаются с входами модели биологического звена. Проводится комплексное исследование функционирования БТС с целью оптимизации характеристик каждого из звеньев. В результате исследователь получает определенный набор характеристик-требований, которым должно отвечать биологическое звено для нормального функционирования БТС в заданном диапазоне режимов. При необходимости уточняются определяющие признаки и критерии функционального подобия для выбора экспериментальных животных при

проведении сложных экспериментов в экстремальных условиях. Практическое значение результатов этого этапа заключается в том, что можно, например, отобрать операторов для БТС эргатического типа по определенному множеству признаков или подобрать прямой биологический аналог человеческому организму при экспериментах с искусственным техническим сердцем, предназначенным для имплантации в грудную клетку человека.

Информационное согласование (этап III). Исследуются информационные процессы, обеспечивающие соблюдение принципов адекватности и идентификации информационной среды. Для эргатических систем этап сводится к исследованию возможностей минимизации входной осведомительной (афферентной) информации и к разработке методов ее преобразования и предъявления сенсорным органам оператора для построения концептуальной модели в мозге оператора, простой и в то же время достаточно полной для принятия правильного решения. На смешанной откорректированной модели в условиях управляемого эксперимента проводятся статистические испытания при строгом учете (измеренных количественно) факторов внешней среды и состояния технической части системы. Корректируются решающие правила, заложенные в виде программ в системы обработки информации о состоянии биологического объекта. Разрабатываются требования к специальным техническим устройствам, согласующим информационные и управленческие характеристики технической и биологической частей БТС, получившие наименование логических фильтров-преобразователей (ЛФП).

Заключительный этап (этап IV). Проводится исследование БТС в полунатурных (модельных) и натурных условиях. Идет обработка данных эксперимента и окончательная корректировка математической модели. Подготавливаются задания на инженерную разработку БТС.

Размещено на Allbest.ru