CC BY
99
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2017 - V. 24, № 4 - P. 177-181
Раздел V
ДИСКУССИОННЫЙ РАЗДЕЛ. ПИСЬМА В РЕДАКЦИЮ. РЕЦЕНЗИИ
УДК: 615.47
БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С СУПЕРАДАПТИВНЫМИ
СВОЙСТВАМИ
Д.А. МАГОМЕДОВ
ФГБОУ ВО Дагестанский государственный технический университет, пр-т Шамиля 7D, Махачкала, 367D15, Россия, е-mail: [email protected]
Аннотация. В статье представлены результаты проведенных исследований по разработке метода и технических средств, позволяющих разрабатывать биотехнические системы медицинского назначения, наделенные суперадаптивными свойствами. Основой создания указанных систем послужила научно-обоснованная идея представления биотехнических систем как систем с переменными во времени параметрами. Представление биологического объекта как систем с переменными во времени параметрами приводит к идее разработки адаптивных биотехнических систем и таких методик их применения, принципиально имеющих возможность изменять во времени свои существенные параметры в зависимости от текущего состояния биологического объекта, т.е. они должны быть системами с переменными во времени параметрами. Параметрические системы хорошо известны в радиоэлектронной технике. К ним можно отнести параметрические усилители электрофизиологических сигналов, радиокапсулы, длительно необслуживаемые датчики температуры с параметрическим возбуждением чувствительного элемента; схемы автоматического регулирования коэффициента усиления; преобразователи и модуляторы и т.д.
Внедрение цепей с переменными параметрами в область медико-биологических исследований происходит по мере развития теории и практики этих цепей. Началом их практического использования явилось достаточно широкое применение параметрических усилителей в электрофизиологическом эксперименте для усиления и приема слабых биосигналов. Основными их преимуществами при этом являются низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием в них дробовых флук-туаций тока, и большое входное сопротивление. Для получения минимального уровня собственных шумов в параметрических усилителях используются параметрические реактивные элементы.
Указанное представление о системах с переменными во времени параметрами привело, в свою очередь, к идее разработки адаптивных биотехнических систем медицинского назначения, наделенных суперадаптивными свойствами. Проведен анализ структуры базовых параметрических элементов, их преимущества, недостатки, а также их отличие от традиционных элементов электрической цепи. При этом приведены преимущества и перспективы применения теории и практики параметрических систем для решения задач разработки и внедрения биотехнических систем медицинского назначения с суперадаптивными свойствами в медицинскую практику.
Ключевые слова: биотехническая система, системный подход, суперадаптивные свойства, объект, биообъект, системный подход, адаптация, схемы, параметрический элемент.
BIOTECHNICAL SYSTEMS OF MEDICAL PURPOSE WITH SUPERADAPTIVE PROPERTIES
D.A. MAGOMEDOV
FSBEI of HE "Dagestan State Technical University" 7D Shamil st., Makhachkala, 367D15, Russia,
E-mail: [email protected]
Abstract. The article presents the results of studies on the development of a method and technical means that allow developing medical use of biotechnical systems endowed with superadaptive properties. The basis for the creation of these systems was the scientifically grounded idea of biotechnical systems
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2017 - V. 24, № 4 - P. 177-181
representing as systems with time-variable parameters (STVP). The representation of a biological object as a WLSA leads to the idea of adaptive biotechnical systems developing and such techniques for their application, which in principle have the ability to vary in time their essential parameters depending on the current state of the biological object, i.e. they must be the systems with time-variable parameters. Parametric systems are well known in radio electronic engineering. They can include parametric amplifiers of electrophy-siological signals, radio cassettes, long-term maintenance-free temperature sensors with parametric excitation of the sensing element; automatic gain control schemes; converters and modulators, etc.
The introduction of chains with variable parameters into the field of biomedical research occurs with the development of the theory and practice of these chains. The beginning of their practical use was a fairly wide application of parametric amplifiers in an electrophysiological experiment for amplification and reception of weak biosignals. Their main advantages in this case are a low level of intrinsic noise, which is due to the absence of current shot fluctuations in them, and a large input resistance. To obtain a minimum level of intrinsic noise in parametric amplifiers are used parametric reactive elements.
This idea of systems with time-variable parameters led, in its turn, to the idea of adaptive medical BTSs developing, endowed with superadaptive properties. The analysis of the basic parametric elements structure , their advantages, disadvantages, as well as their difference from the traditional elements of the electric circuit is carried out. Besides, the advantages and prospects of the theory and practice of parametric systems applying for solving the problems of development and introduction of biotechnical medical systems with superadaptive properties into medical practice are presented.
Key words: biotechnical system, system approach, super adaptive properties object, biological object, a system approach, scheme adaptation, parametric element.
Со времён возникновения человеческой цивилизации люди осознали, что наивысшей ценностью на Земле является сама жизнь и здоровье человека. И в наши дни, как и во все времена, разработка совершённой для своего времени аппаратуры и систем медицинского назначения требует использования самых современных технических средств и методов, с одной стороны, и глубокого знания биологического объекта исследований, его строения и функционирования, с другой.
Наряду с указанными требованиями, разработчик, как известно, предварительно должен обладать глубокими знаниями и правильным пониманием явлений, происходящих при взаимодействии живого организма с техническими средствами в процессах диагностики и терапии. Приобретение указанных знаний требуют применения системного подхода [1]. В соответствии с системным подходом технические средства и биологические объекты, связанные в едином контуре управления для достижения поставленной цели, должны рассматриваться в рамках единой биотехнической системы [2].
Как известно, живой объект никак нельзя отнести к классу стационарных объектов. Взаимодействия живого организма с различными внешними факторами приводит к запуску в нём механизма адаптации, более того, глубокой перестройки (самоорганизации) био-
логических систем. Причём, такое взаимодействие биообъекта с внешней средой происходит постоянно и оно связано со множеством разнообразных факторов, зачастую, не всегда являющихся контролируемыми.
В ряде работ последних лет (см. например, [1-3], признание получила научно-обоснованная идея представления биосистемы в частности, организма как систему с переменными во времени параметрами (СПВП). Указанное представление биосистем привело к новому взгляду на разработку адаптивных биотехнических систем (БТС) медицинского назначения (БТС-МН) и технологий их применения [3].
Таким образом, подключение биологических систем как СПВП к техническим элементам в едином контуре управления формирует биотехническую систему нового типа, в которой существенные параметры технической части изменяются во времени по законам изменения параметров СПВП. Такое представление биосистем привело к новому взгляду на разработку адаптивных БТС-МН и соответствующих технологий их применения [3].
На основе выше изложенного можно констатировать тот факт, что подключение биологических систем, как СПВП, к техническим элементам превращает БТС в единую систему типа систем с переменными во времени параметрами, в которой её существенные технические параметры зависят от текущих парамет-
10иККЛЬ ОБ ОТШ МЕБТСЛЬ ТЕСЫК0ШЫЕ8 - 2017 - V. 24, № 4 - Р. 177-181
ров самых биологических звеньев, т.е. биотехническая система приобретает свойства суперадаптивных систем, т.е. систем с взаимной адаптацией биологического и технического элементов в едином контуре управления.
Отличительной чертой традиционных, известных в технике СПВП является наличие вспомогательного источника напряжения, управляющего изменением во времени параметров элементов активных сопротивлений, проводимостей, а также ёмкостей и индуктив-ностей по определённым заданным законам. На их основе предложены решения как чисто технических задач, так и задач, решаемых в биологии, медицине и экологии. Например, базовые параметрические элементы (резисторы, ёмкости, индуктивности) для измеритель -ных преобразователей, схем автоматического регулирования усиления, устройств автоматической калибровки, а также для преобразователей частоты, умножителей специальных генераторов и т.д. [3].
В то же время, в медико-биологических исследованиях специальных задач проектирования и реализации СПВП практически не становились, тогда как повсеместно для исследования электрической активности и пассивных электрических цепей применяется теория и практика линейных электрических цепей.
Системы с переменными во времени параметрами хорошо известны в технике. На основе параметрических элементов (ПЭ) предложены решения как чисто технических вопросов, так и задач медико-биологического назначения, например:
- базовые электрические ПЭ (резисторы, емкости, индуктивности) для измерительных преобразователей, схем автоматического регулирования усиления, устройств автоматической калибровки и др. [3,4];
- ПЭ для преобразователей частоты, умножителей, модуляторов, генераторов и других узлов, используемых в блоках обработки сигналов [4,5] и других устройствах.
Основные базовые ПЭ (сопротивление, емкость и индуктивность) обычно являются сложными схемотехническими устройствами, которые содержат две независимые части (рис. 1): управляемую часть (УЧ) (собственно сам параметрический элемент, изменяющий параметры под воздействием управляющих сигналов), и управляющую часть - формирователь управляющего сигнала (ФУС). Управляю-
щая часть формирует сигналы (в виде напряжения или тока) в соответствии с законом управления, учитывающим свойства входного сигнала.
Рис. 1. Структурная схема параметрического элемента
Такие ПЭ с заданными законами изменения параметров УЧ обычно разрабатываются отдельно в каждом конкретном случае, используя различные схемотехнические решения, современные электронные компоненты, программируемые элементы и т.д. Поэтому у разработчика не всегда имеются «под рукой» элементы, параметры которых можно было бы легко изменять по необходимому закону. Для получения требуемого закона изменения параметра ПЭ каждый раз приходится решать самостоятельную, иногда довольно сложную, задачу.
Кроме того, сигналы на выходе ФУС, которые управляют текущими параметрами УЧ, должны быть строго синхронизированы с входным сигналом, что также, в целом, является непростой технической задачей, так как существуют переходные процессы, которые уменьшают быстродействие параметрических элементов.
Преимущество систем с ПЭ, с точки зрения практической реализации, заключается в существенном уменьшении количества базовых элементов, входящих в него. Современный уровень развития электронной и микропроцессорной техники, а также технологий производства элементной базы делают целенаправленное применение систем с переменными во времени параметрами все более доступным.
В медико-биологических применениях задачи проектирования и реализации СПВП практически не ставились, хотя повсеместно при исследовании электрической активности и пассивных электрических свойств используется непосредственное подключение участков живой ткани к электрическим цепям. Так, в слу-
10иККЛЬ ОБ ОТШ МЕБТСЛЬ ТЕСЫК0ШЫЕ8 - 2017 - V. 24, № 4 - Р. 177-181
чае оценки электрических свойств, например, активно-емкостного импеданса при реографи-ческих исследованиях биообъект подключается к электрической цепи с помощью электродов [4]. Для регистрации же закономерностей изменения электрического состояния миокарда, электрической активности нервных клеток головного мозга, различных групп мышц и других также используются электроды съема. При изучении микроциркуляции крови в коже используют двухлучевые фотометрические преобразователи, в которых второй преобразователь контактирует с исследуемым участком кожи и управляет потоком второго измерительного преобразователя [7]. В физиотерапии энергия электромагнитного поля посредством электродов или излучателей подается на биообъект, управляя в реальном времени физиологическими процессами и обеспечивая, в конечном итоге, лечебный эффект при постоянном изменении свойств биообъекта.
В медико-биологических исследованиях носителями измерительной информации являются не только сигналы электрической активности биообъекта, но и изменяющиеся во времени сигналы самой разнообразной физической природы (температура, артериальное и венозное давления, частота дыхания, объемы органов, концентрации ионов, механические смещения и т.д.). Физический фактор лечебного воздействия при решении физиотерапевтических задач также далеко не всегда имеет электромагнитную природу.
В связи с вышеизложенным, возникает идея построения таких ПЭ, внутри которых уже содержатся элементы с переменными во времени параметрами, и эти изменения являются предметом измерений. Наиболее полно этим требованиям отвечают сами биосистемы (БС), например, клетка, участок биоткани, орган, функциональная система, и даже сам организм в целом. Объединение биосистемы с техническим средством, по сути, уже является системой с переменными во времени параметрами. Если параметры технических элементов, подключенных к БС, изменяются под воздействием протекающих в них физиологических процессов, то, фиксируя эти изменения, можно анализировать процессы в БС. Естественно, определять такие ПЭ следует как биопараметрические элементы (БПЭ).
В большинстве случаев показатели и процессы, описывающие жизнедеятельность орга-
низма, в медицинской практике предварительно (до получения результата измерений) преобразуются в электрические аналоги. Поэтому датчик соответствующего параметра БС или генератор излучения физического поля могут служить связующим эвеном БС с техническим элементом (ТЭ).
Структурная схема БПЭ, представленного на рис. 2, содержит:
Рис. 2. Структурная схема биопараметрического элемента
1. Биологическую компоненту - биосистему, закон изменения параметров которой является определяющим для биопараметрического элемента, и отражается в виде:
а) физических и физико-химических проявлений жизнедеятельности организма;
б) функционального состояния организма, т. е. его способности проявлять себя во внешней среде;
в) влияния воздействий внешней среды (ВнС), приводящих к адаптационным процессам в организме и т. д.
2. Технический элемент ТЭ, преобразующий текущие переменные параметры биообъекта и физиологические процессы организма в электрические аналоги, обеспечивающие решение требуемой медицинской задачи, например:
а) оценку переменных параметров БС с целью их измерения или регистрации;
б) управление параметрами искусственных (технических) воздействий на организм с целью коррекции его состояния.
Из структурной схемы БПЭ следует, что в отличие от традиционных параметрических элементов, БПЭ принципиально не требуют построения специального формирователя, управляющего параметрами ТЭ сигнала и, как
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2017 - V. 24, № 4 - P. 177-181
правило, его синхронизации с входным сигналом. Однако есть требования к техническим элементам - они должны изменять свои характеристики под воздействием БС, являющей нагрузкой ТЭ. Например, существование БС во внешней среде проявляется в реакциях на внешние воздействия, приводящие к колебаниям характеристических параметров организма. Эти колебания влияют на технические элементы, параметры которых могут использоваться либо для регистрации изменяющихся параметров, либо для управления параметрами воздействия от технических устройств.
Выводы. Проведенные в работе представления показывают, что применение теории и практики параметрических систем к исследо-
Литература
1. Попечителев Е.П. Системный анализ медико-биологических исследований. Саратов: Научная книга, 2009. 368 с.
2. Падерно П.И., Попечителев Е.П. Надежность и эргономика биотехнических систем. СПб.: ООО «Техномедиа» / Элмор, 2007. 264 с.
3. Магомедов Д.А. Аппаратно-методическое обеспечение медико-биологических исследований на основе систем с переменными параметрами. Махачкала: РИО ДГТУ, 2004. 300 с.
4. Магомедов Д.А., Ахлаков М.К., Попечителев Е.П., Алиев Э.А. Системы с переменными во времени параметрами в медико-биологических и экологических исследованиях (монография). СПб: Изд-во Политехника, 2011. 281 с.
5. Гаджиев М.И. Основы параметрической фильтрации и режекции. Махачкала: Учеб. Пособие.: РИО ДГУ, 1988. 80 с.
6. Попечителев Е.П. Задачи поэтапного моделирования при синтезе биотехнических систем // Известия СПбГЭТУ. 2008. Вып. 4. С. 67-73.
7. Попечителев Е.П. Метод редукции в задачах метрологического анализа алгоритмов обработки фотометрической информации // Вестник Метрологической Академии. 2000. Вып. 5. С. 6-17.
ваниям систем медико-биологического назначений имеют свои преимущества и перспективы, основными из которых являются:
1. Здесь нет необходимости синтеза параметрических элементов с заданными законами изменения параметров, так как они уже присутствуют в виде самых БС;
2.Нет необходимости подбирать законы изменения во времени управляющих сигналов, так как они задаются поведением самой БС;
Упрощается задача синхронизации сигналов, управляющих текущими параметрами БПЭ, с изменениями параметров БС, так как здесь обеспечивается автоматический учет изменений свойств последнего в синхронных изменениях параметров БПЭ.
References
Popechitelev EP. Sistemnyy analiz mediko-biologicheskikh issledovaniy [System analysis of biomedical research]. Saratov: Nauchnaya kniga; 2009. Russain.
Paderno PI, Popechitelev EP. Nadezhnost' i ergonomika biotekhnicheskikh sistem [Reliability and ergonomics of biotechnical systems]. SPb.: OOO «Tekh-nomedia» / Elmor; 2007. Russian. Magomedov DA. Apparatno-metodicheskoe obespe-chenie mediko-biologicheskikh issledovaniy na os-nove sistem s peremennymi parametrami. [Hardware-methodical support of biomedical research based on systems with variable parameters]. Makhachkala: RIO DGTU; 2004. Russian.
Magomedov DA, Akhlakov MK, Popechitelev EP, Aliev EA. Sistemy s peremennymi vo vremeni para-metrami v mediko-biologicheskikh i ekologicheskikh issledovaniyakh (monografiya) [Systems with timevariable parameters in biomedical and environmental studies (monograph]. SPb: Izd-vo Politekhnika; 2011. Russian.
Gadzhiev MI. Osnovy parametricheskoy fil'tratsii i rezhektsii [Fundamentals of parametric filtering and rejection]. Makhachkala: Ucheb. Posobie.: RIO DGU; 1988. Russian.
Popechitelev EP. Zadachi poetapnogo modelirovaniya pri sinteze biotekhnicheskikh sistem [The tasks of stage-by-stage modeling in the synthesis of biotechnical systems]. Izvestiya SPbGETU. 2008;4:67-73. Russian.
Popechitelev EP. Metod reduktsii v zadachakh metro-logicheskogo analiza algoritmov obrabotki fotometri-cheskoy informatsii [The method of reduction in problems of metrological analysis of algorithms for processing photometric information]. Vestnik Metro-logicheskoy Akademii. 2000;5:6-17. Russian.
