Основы теории биотехнических систем (ОТБТС).

Основные понятия, классификация и общие принципы БТС.

Основы анализа и синтеза БТС.

Бионические подходы к синтезу БТС бионического типа.

Цель.

Сформировать базовые знания в основе анализа и синтеза БТС, построения и оптимизации моделей функциональных процессов биологических систем, ориентированных на активную диагностику и управление состоянием организма. Знания и умения, полученные при изучении ОТБТС необходимы при замещении функций органов путём присоединения технических средств и создания БТС.

Понятия БТС.

1. Ахутин 1981 БТС – это большие системы представляющие собой совокупность биологических и технических элементов связанных в одном контуре.

2. Новосельцев 1991 БТС – это сложные системы, включающие в себя биологические и технические подсистемы, которые функционируют совместно для достижения общей цели.

3. Большая советская энциклопедия БТС – это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых биологических и технических систем и объектов.

4. На первой международной конференции по бионике (Варна 1971) БТС – представляет собой совокупность биологических и технических элементов объединённых в единую систему целенаправленного поведенья.

Бионика – наука изучающая проблемы построения и разработки устройств на основании принципов и свойств биологических объектов.

Классификация по функциональному назначению.

1. БТС эргатического типа (БТС-Э) – в которых биологическое звено – человек, выполняющий различные функции в замкнутом контуре управления технической системой (человек – машина).

2. БТС целенаправленного управления поведением целостного организма (БТС-У) – в которых управление состоянием биообъекта осуществляется целенаправленно. Управление может быть автоматическим либо полуавтоматическим (через пульт оператора). А также контактным (непосредственное воздействие на ткани) или бесконтактным (через среду). Методы управления. А) Энергетическое – используются физические поля (электрические, магнитные, радиационные). Применяют в электростимуляторах сердечного ритма, при облучении среды с целью подавления биосферы вредной для человека. Б) Вещественное – использование различных фармакологических, химических и гормональных средств для управления состоянием живого организма. Ввод жидкостей и газов в систему дыхания (наркозные аппараты). Ввод жидкостей в систему кровообращения. В) Информационное управление состояние человека с помощью специально сформированных сигналов управления путём воздействия на вторую сигнальную систему (гипноз, аутотренинг).

3. БТС медицинского назначения (БТС-М) – предназначены для использования в чисто медицинских целях для управления организмом, временной или длительной компенсации или коррекции его функций. Применяют в искусственных органах, информационных системах в функциональной диагностике, мониторинговых системах слежения, биотехнических системах для различных анализов.

Общие условии синтеза и оптимального функционирования всех видов БТС являются два принципа.

Принцип адекватности – согласование управленческих характеристик и основных конструкторских параметров технических и биологических элементов БТС.

Принцип единства и идентификации среды, требующий согласования свойств информационных потоков, которыми в процессе функционирования обмениваются технические и биологические составляющие системы, как в афферентных, так и в аффекторных цепях БТС.

В БТС режимы функционирования и конструкторские решения технических элементов должны максимально соответствовать морфофункциональным и психофизиологическим особенностям, сопрягаемым с ним биологическим элементам системы.

Основные свойства.

Суперадаптивность обусловленная наличием двух контуров адаптации: внешнего и внутреннего.

Контур – система устройств подающих информацию с выхода на вход и обеспеченных обратной связью. Внешний контур позволяет БТС выполнять свою целевую функцию в условиях изменения внешних факторов (дезорганизующее раздражение). Внутренний контур (их может быть много) позволяет элементам БТС взаимно адаптироваться к изменениям состояния друг друга вызванного различными действиями внешних и внутренних факторов. Таким образом наличие в БТС биологических звеньев позволяет придать свойствам системы особую пластичность, улучшить адаптивные характеристики во внешнем контуре. Качество внутренней адаптации зависит от возможности технических элементов следить за изменением состояния биологических звеньев и менять свои характеристики.

Специфические свойства.

1. Не детерминированность БТС с точки зрения однозначности связи между входом и выходом, что исключает способ «чёрного ящика».

2. Значительная нелинейность связей.

3. Многосвязность затрудняющая постановку чистого эксперимента на органах и построение функциональной модели органов и систем.

Метод поэтапного моделирования (предложен Ахутиным в 1981г.)

Метод предусматривает поэтапный переход от смешанной БТС, через накопление экспериментальных данных о биологическом объекте, к математической модели БТС.

Этапы синтеза БТС.

1. Подготовительный. Синтез БТС начинается с разработки структурно-функциональной схемы характеристик цепи и возможных режимов работы БТС. Определяется биологический объект и предварительный алгоритм его функционирования в БТС. На основании априорных данных создаётся первичная модель с математической моделью биологического объекта системы. Для аппарата искусственного кровообращения – это модель транспортной функции кислорода.

2. Управленческое согласование элементов БТС. Этап предусматривает итерационный процесс согласования характеристик элементов БТС в едином контуре управления. При этом все технические элементы, как и взаимодействующие внешние факторы моделируются на ЭВМ, а выходы сопрягаются со входами модели биологического звена. Затем проводится комплексное исследование функционирования БТС с целью оптимизации характеристик каждого из звеньев и получение набора оптимальных параметров (требований), которым должно отвечать биологическое звено для нормального функционирования БТС в заданном режиме работы.

3. Информационное согласование элементов. На этом этапе исследуются информационные процессы, обеспечивающие соблюдение принципов адекватности и идентификации информационной среды. Для БТС-Э это сводится к выполнению следующих процессов: А) Исследование возможности минимизации входной (афферентной) информации. Б) Разработка методов её преобразования и предъявления сенсорным органам оператора для построения в мозге оператора простой и достаточно полной для принятия решений концептуальной модели. В) На смешанной модели в условиях управляемого эксперимента проводятся статистические испытания при строгом учёте факторов внешней среды и состояния технической части системы. Г) По результатам корректируются решающие правила, заложенные в виде программ в систему обработки информации о состоянии биологического объекта. Д) Разрабатываются требования к специальным техническим устройствам (логическим фильтрам преобразователям), которые согласуют информационные и управленческие характеристики технической и биологической частей БТС.

4. Заключительный. А) Исследование БТС в модельных и натуральных условиях. Б) Обработка данных эксперимента. В) Окончательная корректировка математической модели. Г) По результатам заключительного этапа подготавливается задание на инженерную разработку.

Бионические подходы к синтезу бтс-э.

Бионический подход выражается в следующем:

1. При построении структурно-функциональной схемы БТС используется принцип обработки основных потоков информации специализированными периферическими системами, которые минимизируют объём информации и перекодируют в информацию адекватную для восприятия головным мозгом то есть осуществляют процедуру оптимальной фильтрации.

2. Периферические системы могут «очувствляться» то есть приобретать свойства живых сенсорных систем. А информация может перераспределяться по различным сенсорным входам только по запросам из управляющего центра системы.

3. Основные элементы системы обмениваются информацией что позволяет осуществлять процедуры внутренней и внешней адаптации.

4. В основу адаптивных программ технических органов восприятия, распределения и преобразования информации (ЛФП – логические фильтры-преобразователи) закладываются результаты бионических исследований сенсорных систем человека с последующей формализацией характеристик и построением соответствующих математических моделей.

5. При синтезе эфекторных подсистем БТС реализуются результаты бионических исследований процессов деятельности человека как звена управления, получившего техническое воплощение в адаптивных органах управления.

6. Для установления связи между режимом функционирования воспринимающей системы и состоянием организма оператора исследуется психофизиологический коррелятор, который используется при выборе режимов ЛФП. (оптимизация частотно-временных пределов и определение порогов чувствительности информационных каналов).

7. Используются свойственная живым организмам система качественных оценок, с последующим уточнением с помощью относительных измерений и с выбранным эталонным порогом.

8. Вводится контур регенерации системы (контур нормализации состояния оператора) управляемый системой текущей диагностики и психофизиологическими характеристиками человека.

Основные методы синтеза бтс-э (моделирование).

Сложность заключается в построения иерархической модели с различной разрешающей способность. Приходится иметь дело с моделированием на четырёх уровнях:

1. клеточно-тканевом (в случае моделирования процессов метаболизма, при определении энергозатрат организма в динамической деятельности человека).

2. Органно-системный (при бионических исследованиях сенсорных органов и систем для оптимального сопряжения с техническими элементами информационных каналов).

3. Организменный (при исследовании поведения оператора в процессе управления динамическими объектами).

4. Популяционный (при разработке методов управления популяциями живых организмов с целью организации их целенаправленного поведения).

Наиболее приемлем и перспективен при синтезе БТС – метод поэтапного моделирования, позволяющий учитывать различные свойства человеческого организма в условиях воздействия не стационарной внешней среды. Эффективность определяется последовательной корректировкой модели на различных этапах её создания.

Основные задачи поэтапного моделирования применительно к синтезу БТС-Э.

1. Согласование характеристик управляемого процесса с соответствующими показателями человека-оператора, как управляющего звена системы.

2. Согласование потоков информации поступающей к оператору от технических элементов системы с пропускной способностью оператора, предусматривающей его нормальное функционирование в заданном временном режиме. (Этап информационного согласования.)

3. Разработка требований к психофизиологическому портрету оператора для системы данного класса, сравнение его на моделирующем комплексе с портретом реального оператора и выдача рекомендаций по организации ЛФП согласующих характеристики оператора и машины.

4. Комплексные модельные исследования в реальном времени.

5. Корректировка структуры системы и технических элементов системы.

6. Разработка рекомендаций по профессиональному отбору, подготовке и тренировке операторов для обслуживания данных систем.