ТЕОРИЯ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 190500 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»

Предисловие

Курс лекций по дисциплине «Теория биотехнических систем» предназначен для студентов специальности 1905 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы».

Курс содержит пять глав.

В первой главе даются основные понятия о биотехнических системах и краткие сведения о них.

Вторая глава посвящена элементам общей теории систем, в ней приводится обобщенная схема функциональной системы организма, подчеркиваются особенности биологических систем, а также рассматривается системный подход при сопряжении элементов живой и неживой природы. В этой главе, кроме того, даются понятия «бионика» и «бионический подход при синтезе биотехнических систем», рассматривается взаимодействие технических и биологических элементов таких систем, принципы синтеза и проектирования БТС, а также приводится классификация биотехнических систем.

В третьей главе подробно рассматриваются биотехнические системы медицинского назначения: классификация, общие принципы построения и конкретные примеры реальных медицинских аппаратов и систем.

Четвертая глава освещает вопросы построения и применения биотехнических систем эргатического типа, в которых роль биологического объекта выполняет человек-оператор.

Пятая глава посвящена биотехническим системам управления поведением целостного организма или популяцией биологических объектов.

В целом курс лекций помогает учащимся глубже изучить дисциплину и ознакомиться со структурой реальных биотехнических систем.

1 Краткие сведения о биотехнических системах

К биотехническим системам (БТС) относятся сложные системы, содержащие технические и биологические элементы, связанные в едином контуре управления и объединенные общей совокупностью целевых функций [1].

В современной жизни с примерами взаимодействия систем организма и различного рода техническими средствами мы сталкиваемся буквально на каждом шагу. Человек настолько привык к повседневному общению со средствами облегчения, поддержки и сохранения жизненных процессов, что использование одежды и обуви, огня, жилища и транспортных средств никому и в голову не приходит считать биотехническими проблемами.

Инженер, разрабатывающий жилище, должен согласовывать его характеристики с биологическими потребностями человека-обитателя. Хорошо, если это обычный дом, – тогда особых трудностей при проектировании встретиться не должно. А если это кабина космического корабля, то выполнение гигиенических требований является обязательным условием правильного решения задачи проектирования обитаемых конструкций – будь то средства индивидуальной защиты (скафандр космонавта или водолаза, снаряжение пожарника), спасательные средства для моряков и летчиков, кабины современных самолетов и космических кораблей, жилища полярников и акванавтов.

Но наиболее очевидную область взаимодействия биологических систем (например, организма человека) и технических средств представляет собой медицина сегодняшнего дня. Медицинское приборостроение во всем мире является одной из самых быстроразвивающихся и перспективных отраслей производства, наряду с такими «престижными» отраслями, как авиакосмическая и электронная промышленность. Технические средства широко используются как в диагностике, так и на всех последующих этапах лечения человека.

Наиболее сложные комплексы медицинского назначения, состоящее из тесно взаимодействующих биологических и технических частей, используются для замены органов человеческого организма. Это протезы двигательных органов с биоэлектрическим управлением, автоматические дозаторы лекарственных веществ и особенно вспомогательные и искусственные внутренние органы (такие, как аппараты искусственного дыхания, системы вспомогательного и искусственного кровообращения, искусственная почка и другие средства очистки крови, искусственные аналоги поджелудочной железы).

Технические средства в составе биотехнических систем, применяемые в медицине, чаще всего облегчают работу отдельных естественных органов больного организма или заменяют их. Но они могут использоваться и для замены сразу нескольких органов или систем – таков, например, аппарат «сердце-легкие», который во время хирургических операций выполняет функции дыхания и кровообращения одновременно.

Наиболее близки к медицинским комплексам, работающим с целостным организмом, устройства поддержания жизни отдельных органов или их систем, выделенных из организма. Так, если какой-то орган – сердце, почка – ожидает пересадки в организм больного человека, то он содержится в специальных контейнерах, где ему, создаются условия, максимально приближенные к внутриорганизменным. Можно сказать, что в этом случае гомеостаз «внутренней среды» для консервируемого органа целиком поддерживается искусственной системой биотехнического типа.

Биотехнические системы типа контейнеров с поддержанием жизненных условий для содержащихся таким образом органов могут использоваться и для промышленного производства ряда ценных веществ, которые может производить только организм. Продолжая функционировать вне организма, такие органы могут синтезировать те же продукты, что и в организме – адреналин, инсулин и т.п.

Наконец, для производства многих кормовых белковых веществ, лекарственных препаратов и других соединений используются популяции микроорганизмов, живущие в промышленных установках.

Еще одна область взаимодействия систем организма с техникой – сферы кибернетических функций. С такими примерами приходится сталкиваться, прежде всего, при анализе производственных систем, когда человек-оператор управляет сложными промышленными установками (энергостанциями, транспортными средствами, производственными агрегатами). Такие системы представляют собой частный случай биотехнических систем и называются эргатическими системами.

В эргатических системах человек-оператор выполняет свои функции в качестве одного из элементов (хотя и очень важного) биотехнической системы. Человек должен воспринимать информацию о ходе процессов в обслуживаемой им системе, принимать адекватные решения и исполнять их (или давать команду на их исполнение). Круг задач, характерных для эргатических систем, включает разработку средств автоматизации обработки входной информации, создание методов и технических средств представления такой информации человеку-оператору, создание вспомогательных систем-советчиков для облегчения процесса принятия решений, контроль за текущим состоянием человека-оператора, анализ различных режимов работы человека как звена управляющей системы.

В таблице 1.1 указаны основные направления применения БТС и примеры конкретных разработок БТС.

В качестве биологических элементов в биотехнических системах могут выступать клетки или микроорганизмы и их популяции, ткани организма и его функциональные системы, целостный организм, а также популяции целостных организмов одного биологического вида и даже экологические системы. Биологический элемент в БТС может выполнять функции источника или приемника информации, управляемого или управляющего звена. Все эти особенности требуют различных подходов при проектировании БТС.

Постановка научно-технической задачи анализа и синтеза биотехнических систем была обусловлена необходимостью разработки общей теории синтеза технических и биологических элементов в едином контуре управления. Впервые эта проблема возникла в связи с необходимостью решения прикладных междисциплинарных задач, связанных с разработкой автоматизированных систем искусственного кровообращения и дыхания, систем замещения утраченных функций гемодиализа, созданием биоуправляемых протезов конечностей.

Начало этих работ относится к концу пятидесятых и шестидесятым годам. Несколько позже, в начале семидесятых годов были поставлены новые задачи по применению бионической методологии к разработке адаптивных биотехнических систем эргатического типа, а также биотехнических систем управления целенаправленным поведением живых организмов. Таким образом, проблемы биотехнических систем отражают одну из важнейших сторон научно-технической революции – объединение и консолидацию ученых и специалистов точных и биологических наук.

В своей основе синтез биотехнических систем использует бионическую методологию, и поэтому не случайно официальные «права гражданства» биотехнические системы получили именно от специалистов-биоников. Методология бионики строится на диалектическом методе познания. Известно, что таким великим достижениям науки и техническим реализациям, как оптическая линза, химические источники электричества, закон сохранения и превращения энергии, основы аэродинамики, принципы эхолокации и многие другие человечество обязано в своей основе глубокому изучению живых организмов и явлений в живой природе.

Таблица 1.1. Использование биотехнических систем

Область применения	Направление применения	Примеры БТС
Медицина	Измерение и регистрация состояния человека; Диагностика состояния человека; Временное и постоянное замещение утраченных функций организма человека; Контроль и нормализация состояния человека; Автоматизация медико-биологических исследований; Информационное обеспечение медицинского персонала; Администрация и управление здравоохранением.	Системы параметрического контроля; Кардиодиагностические комплексы; Системы искусственного кровообращения и дыхания, искусственные почки, протезы конечностей, зрения, слуха, кардиостимуляторы; Мониторные системы слежения в палатах интенсивной терапии; Системы автоматизированного управления экспериментом; Медицинские информационно-справочные системы; Автоматизированные системы управления здравоохранением.
Сельское хозяйство	Управление выращиванием сельскохозяйственных культур; Управление производством мяса и молока.	Автоматизированные тепличные хозяйства; Автоматизированные мясомолочные промышленные комплексы и птицефабрики.
Микробиологическая промышленность	Выращивание культур бактерий и микроорганизмов; Использование микроорганизмов для переработки сырья и получения продуктов.	Автоматизированные системы выращивания дрожжевых культур; Автоматизированные системы производства ферментов, переработки, нефтепродуктов.
Системы «человек-машина»	Управление транспортными средствами; Управление технологическими процессами; Управление распределением потоков продукции; Администрация и управление производством; Обеспечение безопасных условий труда.	Системы управления самолетами, кораблями, космическими кораблями; Автоматизированные системы управления технологическими процессами; Автоматизированные диспетчерские системы; Автоматизированные системы управления, информационно-поисковые системы; Системы жизнеобеспечения человека-оператора в экстремальных условиях.