В О П Р О СЫК ЭКЗАМЕНУ
По курсу «ТЕОРИЯ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ»
Системный подход к изучению объектов живой и неживой природы.
Необычная сложность живых организмов, состоящих из взаимосвязанных физиологических систем и несовершенство методов исследований и математического аппарата, не позволяющих адекватно описать эту совокупность, обусловливают необходимость использования для характеристики биологических объектов более общих методологических подходов. В качестве одного из них может быть использован системный подход. В этом случае на первое место ставится не анализ составных частей объекта, а характеристика его как единого целого, раскрытие механизмов и связей, обеспечивающих целостность объекта. При разработке биотехнических систем биологический объект рассматривается как один из составных элементов системы большое значение приобретает системный синтез – это синтез систем с позиций системного подхода, позволяющий на основании исходных данных, знаний элементной базы предложить обобщенную модель системы, отвечающую поставленным задачам с максимально возможной степенью соответствия при вводимых органичениях на выбор характеристик ее компонентов.
2. Классификация биотехнических систем.-
Способы описания систем.
-Функциональное описание системы, которое связывает внешние воздействия на систему с ее реакцией, ответом, поведением Но может задаваться некоторым оператором в алгебраической, логической, дифференциальной, интегрально-дифференциальной форме, входящим в скалярное, или матричное уравнение.
-Морфологическое описание – это выделение основных элементов, связей, определение типа структур.
-Информационное описание – позволяет судить об уровне ее организации, предсказать в вероятностном смысле реакцию систему на то или иное воздействие. Сюда входит также характеристика информационных потоков циркулирующих в системе и данные об алгоритмах взаимодействия систем.
-Генетико-прогностическое описание позволяет проследить путь развития системы в историческом аспекте, отражает главные этапы ее развития, позволяет оценить перспективы ее дальнейшего существования. При исследовании сложных систем только прослеживание эволюционного пути позволяет разобраться в особенностях их структуры и функционирования, понять роль и назначение подсистем, оценить роль внешних и внутренних факторов в эволюционном развитии.
4. Системные аспекты управления.
+ Задача управления – это формирование процессов определяющих поведение системы. Различают внешнее и внутреннее управление поведением системы. Внешнее управление осуществляется со стороны другой системы. Внутреннее управление обеспечивается за счет одной из подсистем системы. Для осуществления управления необходима связь между управляющей и управляемой систем амии. Управляющие системы (подсистемы) корректируют работу управляемых систем (подсистем) путем передачи управляющей информации. Зависимость управляющего воздействия от состояния системы называют законом управления. Самые сложные законы управления могут быть представлены последовательностью простых единичных актов управления в виде алгоритма управления. Для обеспечения высокой эффективности управления управляющая система должна непрерывно анализировать результаты деятельности управляемой системы и соответственно корректировать команды управления для достижения требуемого результата деятельности системы. Зависимость управляющих воздействий от результатов деятельности системы называют обратной связью. Различают положительную и отрицательную обратную связь Положительная обратная связь увеличивает чувствительность системы, активирует ее функции. Отрицательная обратная связь снижает чувствительность системы, тормозит ее функциональную активность.
5.Классификация биотехнических систем. Биотехнические системы медицинского назначения
+В зависимости от основной целевой функции биотехнические системы можно разделить на три группы:
1. Биотехнические системы медицинского назначения.
2. биотехнические системы эргатического типа с человеком оператором в качестве управляющего звена.
3. Биотехнические системы целенаправленного управления поведением целостного организма.
Основные группы биотехнических систем медицинского назначения:
1. Системы для диагностики состояния живого организма. Диагностика в реальном масштабе времени и дифференциальная, осуществляемая в процессе обработки медико-биологической информации.
2. Системы для управления состоянием организма для нормализации его функций.
3. Системы для временной или длительной компенсации утраченных функций органов или физиологических систем живого организма.
4. Системы для протезирования и коррекции сенсорных систем или двигательного аппарата.
5. Системы для медико-биологических исследований и лечебных процедур, связанных с использованием приборов активного вмешательства, сочлененных с живым организмом в единую биотехническую систему.
6.Виды управления состоянием организма больного с помощью мониторных систем.+
В мониторных системах возможны два вида управления состоянием организма больного.. Пассивное- управление реализуется в мониторных системах с обратной связью, включающей действие врача. Система функционирует посредством выработки сигналов визуальной или звуковой тревоги, которая включается. как только в физиологических параметрах выявляются существенные отклонения. В этом случае врач пытается вернуть физиологические параметры в диапазон нормальных значений посредством некоторых прямых или косвенных управляющих воздействий на физиологические системы организма больного, используя различные средства терапии.
Активное- управление реализуется в замкнутой информационно-измерительной и управляющей биотехнической системе, в которой существует непосредственная обратная связь между логическим блоком и электромеханическим контроллером физиологического входа системы.
7.Оценка эффективности работы сложных систем.+
-Эффективность достижения целевой функции и стоимость затрат для ее достижения. Порог эффективности, превышение которого расценивается как достижение результата деятельности системы и напротив – как неэффективность работы системы. Показатель эффективности не является постоянной величиной, он зависит от взаимоотношения системы с другими системами и средой. В случае когда система противодействует неблагоприятному влиянию другой системы или среды ее показатель эффективности уменьшается. В соответствие с принципом ле Шателье поддержание стабильности системы в условиях внешних воздействий требует уменьшения эффективности работы системы. Для количественной оценки эффективности работы системы необходимо использовать частные показатели эффективности, которые наиболее полно отражают соотношение результатов и средств, затраченных на их достижение. В качестве примера можно рассмотреть критерий Rд, используемый для количественной оценки эффективности работы системы эрганического типа. Критерий Rд отражает стоимость достигнутого результата деятельности системы для организма оператора.
Ро-вероятность обнаружения цели или количество выявленных объектов за период времени от t = Co до t = С1 , Qε – психофизиологические корреляты, отражающие затраты организма человека при решении задачи, поставленной перед системой. γ – коэффициент, отражающий фоновые характеристики среды и условия, в которых работает оператор.
8.Определение понятия биотехнической системы. Основное свойство биотехнических систем. Принципы сопряжения технических и биологических элементов в биотехнической системе.+
Биотехническая система – это совокупность биологических и технических элементов, объединенных в функциональную систему целенаправленного поведения. Основным свойством биотехнической системы является ее суперадаптивность, обусловленная наличием двух контуров регуляции – внешнего и внутреннего. Внешний контур позволяет выполнять биотехнической системе свою целевую функцию в условиях постоянного воздействия внешних факторов. Внутренний контур позволяет элементам биотехнической системы взаимно адаптироваться к изменениям их состояния под воздействием внешних и внутренних факторов. Наличие в биотехнической системе биологических элементов обеспечивает системе высокую пластичность, улучшает адаптивные характеристики во внешнем контуре адаптации. Качество внутренней адаптации зависит от возможности технических элементов системы следить за изменением состояния ее биологических элементов и обмениваясь с ними информацией изменять свои характеристики. На основании результатов исследований в области бионики разработаны основные принципы сопряжения технических и биологических элементов в единой функциональной системе:
1. Принцип адекватности – согласование основных конструктивных параметров и управленческих характеристик биологических и технических элементов системы.
2. Принцип единства информационной среды, требующей согласования свойств информационных потоков между техническими и биологическими элементами биотехнической системы в ее афферентных и эффекторных цепях.
9.Принципы синтеза биотехнических систем. +
При синтезе биотехнических систем различного назначения независимо от уровня сложности их структуры необходимо обеспечить сопряжение механических и биологических элементов системы. Решение этой задачи достигается на основе бионической методологии. В качестве примера использования бионического подхода можно рассмотреть синтез биотехнической системы эргатического типа – системы модели центральной нервной системы человека. Этот подход выражается в следующем:
-Обработка основных потоков информации специализированными периферическими системами, которые минимизируют объем информации, поступающей в головной мозг, то есть осуществляют процедуру оптимальной фильтрации.из управляющего центра системы.
-Информация может поступать по различным сенсорным входам только по запросам из управляющего центра системы.
-Обмен информации между основными элементами системы, что обеспечивает возможность внешней и внутренней адаптации.
-Адаптивные программы технических органов - восприятия, распределения и преобразования информации (логические фильтры преобразователи) разрабатываются на основе результатов бионических исследований сенсорных систем организма человека.
-Синтез эффекторных подсистем биотехнических систем основывается на результатах бионических исследований процессов деятельности человека как управляющего звена.
-Для установления связи между режимами функционирования воспринимающих систем и состояния организма оператора, исследуются психофизиологические коррелянты, используемые при выборе режимов логических фильтров – преобразователей.
-Используется свойственный живым организмам качественный принцип оценок ситуации с последующим уточнением с помощью относительных измерений и сравнения с выбранным эталоном.
-Вводится специальный контур нормализации состояния оператора, управляемый системой текущей диагностики состояний психофизиологических характеристик организма оператора.
10.Математическая модель биотехнической системы. Метод поэтапного моделирования.+
Метод поэтапного моделирования позволяет осуществлять поэтапный переход от смешанной биотехнической модели через накопление экспериментальных данных о биообъекте к математической модели. Основные этапы синтеза математической модели биотехнической системы:
a. Подготовительный этап. Разрабатывается структурно-функциональная схема биотехнической системы. Конкретизируется ее целевая функция и возможные режимы работы. Определяется биологический объект и описывается алгоритм его функционирования в биотехнической системе. На основании априорных данных создается модель биотехнической системы с математической моделью биологического элемента (например, для синтеза системы исскуственного кровообращения – модель системы кровообращения).Управленческое согласование характеристик элементов биотехнических систем.
b. Осуществляются процедуры согласования характеристик элементов биотехнической системы в едином контуре управления. Проводится компьютерное моделирование всех технических элементов и воздействующих факторов внешней среды. Выходы модели сопрягаются с входами модели биологических элементов. В результате получают определенный набор характеристик-требований к техническим и биологическим элементам для обеспечения нормального функционирования биологической системы.
c. Информационное согласование. Разрабатываются требования к специальным техническим устройствам, согласующим информационные и управленческие характеристики технической и биологической частей биотехнической системы, так называемые логические фильтры преобразователи. Эффективная работа последних в эрготических системах обеспечивает возможность минимизации входной (афферентной) информации. Корректируются решающие правила, заложенные в программы в системе обработки информации о состоянии биологического объекта.
d. Заключительный этап. Производится исследование биотехнической системы в полунатурных (модельных) и натурных условиях. Осуществляется обработка результатов экспериментов и окончательно корректируется математическая модель. Готовится задание на инженерную разработку биотехнической системы.
11.Блок схема измерительно-информационной биотехнической системы медицинского назначения.+
Медико-биологическая информация о медленно изменяющихся процессах в организме поступает в виде электрических сигналов от датчиков-преобразователей первичной информации (ДПИ МИП).Электрические сигналы усиливаются в блоке усиления (БУ) и преобразуются в цифровую форму в блоке преобразования (БП). Оцифрованная медико-биологическая информация поступает на вход автоматического анализатора состояний (ААС) и на вход блока регистрации (БР) и отображается на специальном дисплее системы отображения информации (СОИ).
Для обработки информации о быстро меняющихся процессах используется специальный канал обработки информации. Медико-биологическая информация. о быстро меняющихся процессах в виде электрических сигналов от датчиков преобразователе первичной информации быстро изменяющихся процессов (ДПИ БИП) усиливаются (БУ) и поступают на вход блока сжатия информации (БСИ) и затем на вход блока выделения информации (БВИ). Последние два блока реализуются на базе микропроцессоров. В-врач, П-пациент, ДП – долговременная память, ОП – оперативная память, ЛС – лечебные средства.
12.Блок схема мониторной системы с центральной конфигурацией обработки информации.+
Б – больной, В- врач, А1- блок съема физиологической информации и преобразования ее в электрический сигнал, А2-блок обработки информации, А3-блок индикации обработанной информации и ее регистрации. ПЧ-периферийная часть, ЦП-центральный пост.