3.3 Терапевтические бтс
Последние годы характеризуются интенсивной разработкой и все более широким клиническим применением медицинских терапевтических БТС.
Пользуясь классификацией, принятой ранее, назовем их БТС-МТ. Опираясь на понятия, введенные там же, сформулируем сущность БТС-МТ. Под терапевтическими биотехническими системами будем понимать управляющие БТС, восстанавливающие естественные функции органов и физиологических систем больного человека, поддерживающие их в пределах нормы, а также выполняющие роль замещения утраченных физиологических функций организма.
Методы обработки и анализа биомедицинской информации, разработанные в последнее время, богатый инструментальный арсенал точных наук обеспечили возможность количественной оценки функционального состояния организма. В то же время точность лечебных воздействий пока еще значительно отстает от точности диагностики, не обеспечивая получения максимального эффекта, не обеспечивая строгую индивидуализацию терапии. Чтобы наглядно понять трудности, стоящие на пути точной индивидуализированной терапии, проанализируем схему лечения как систему с управляющим воздействием на организм. В этой схеме лишь три звена: объект управления, возмущающее воздействие (патогенный фактор) и лечебное воздействие.
Объект управления – живой организм – сложная многоконтурная система регулирования. Ряд важнейших параметров живых систем (организмов) вообще нельзя измерить, не нарушая их целостности. Между тем эти неизвестные параметры, определяющие состояние объекта управления к моменту начала терапии, могут в значительной мере предопределять реакцию системы как на возмущающее, так и на лечебное воздействия.
Внешнее возмущающее воздействие (патогенный фактор) вызывает неадекватную физиологическую реакцию, которая нарушает биохимические или физиологические процессы в организме. Оно обычно не поддается точной количественной оценке, особенно если учесть его многонаправленное действие на объект управления. К тому же на организм влияет не только первичное возмущение, но и вся совокупность изменений, происходящих затем во внутренней среде организма. Достаточно полно учесть и измерить влияние этого фактора пока еще невозможно.
Лечебное воздействие – внешний фактор, направленный на восстановление биохимических или физиологических процессов в организме. Количественный анализ этого звена также связан с большими трудностями. Это обусловлено тем, что концентрация лекарственного вещества определяется не только процессами его всасывания, транспортирования и накопления в организме, но также и процессами его выделения или разрушения. Особенно сложно описать кинетику реакции, когда в ней участвуют несколько составляющих, сама реакция может быть обратима и, кроме того, в ходе реакции может изменяться активность ферментов.
Таким образом, лечебное воздействие, направленное на больной организм, при более подробном рассмотрении является множеством взаимосвязанных процессов, большинство из которых пока еще нельзя выразить аналитически.
Чтобы обойти указанные трудности и создать достаточно эффективную БТС для индивидуальной фармакотерапии, целесообразно воспользоваться теорией динамического программирования, создателем которой явился Р. Беллман [1]. Суть, этой теории можно пояснить следующим примером.
Врач, руководя процессом лечения, назначает пациенту первое дозированное лечебное воздействие стандартным препаратом (функциональная проба). Спустя определенное время от организма или конкретной физиологической системы получают ответную информацию, которую автоматически сопоставляют с исходной. В зависимости от «ответа» организма в него вводится соответствующая доза того же (или другого) препарата, и так далее до достижения желаемого положительного лечебного эффекта. Таким образом, сложную задачу индивидуализированной фармакотерапии, которую пока еще нельзя решить сразу, одним действием, стремятся решить с помощью последовательности действий на основе многошагового процесса лечения. При подобной методике параметры объекта управления (живого организма) определяются не путем пассивного наблюдения, а методом активного вмешательства. Особенно важно то, что он дает возможность управлять живым объектом даже при неполной информации (это положение в области индивидуализированной фармакотерапии вряд ли изменится в предвидимом будущем) не наугад, а автоматически приспосабливаясь к объекту (адаптивное управление). Таковы несомненные достоинства использования принципов теории динамического программирования в БТС.
Следует отметить, что применение такой методики может быть осуществлено только в условиях замкнутости системы – терапевтического процесса. В полностью автоматической БТС-МТ в идеальном случае присутствие врача было бы необходимо лишь на первой и последней стадиях лечения при поступлении больного в клинику и при окончании цикла автоматической терапии. Однако в настоящее время и в ближайшем будущем вряд ли можно обойтись без врача на промежуточных стадиях лечения. Дело в том, что пока нельзя заранее составишь строгую машинную программу лечения без участия клинициста, так как дашь исходное понятие «соответствующая доза» часто понимается по-разному (а это также не учитывается apriori). Поэтому сейчас можно говорить о реальном создании полуавтоматических, автоматизированных БТС-МТ для индивидуальной фармакотерапии.
Нужно различать три способа построения биотехнических систем терапевтического назначения. В первом случае полный цикл работы БТС-МТ (или время проведения лечебной процедуры) протекает при полном отсутствии обратной связи с выхода на вход системы. Такой метод является простейшим из всех и используется в тех случаях, когда нецелесообразно или пока еще невозможно реализовать другие методы. Во втором случае в течение отработки полного цикла происходят паузы в процессе управления патологическим процессом, во время которых человек-оператор (техник, лаборант, врач) корректирует действие технической системы, т.е. как бы выполняет функции цепи обратной связи. Такой метод можно назвать полуавтоматическим, а сами БТС-МТ – полуавтоматическими.
Наконец, в третьем случае полный цикл управления протекает без всякого участия человека-оператора, т.е. полностью автоматически. Такие БТС-МТ называют автоматическими. Автоматические БТС позволяют получить наилучший терапевтический эффект и наибольшую адекватность восстановления утраченных функций.
Анализируемые системы можно классифицировать по двум обобщенным показателям: функциональному и структурному. К первому относятся источники управляющих сигналов, способы их отведения, характер управления – произвольный (т.е. приводимый в действие по воле человека) или непроизвольный (управляемый биопотенциалами организма), способ обработки сигнала и назначение устройства. Ко второму относятся характеристики структуры построения устройств – разомкнутые системы (в нашей терминологии – при отсутствии обратной связи) или замкнутые (автоматические), системы непрерывного или дискретного управлений, экстракорпоральные или имплантируемые.
Можно классифицировать БТС-МТ, например, по назначению системы (объекту управления) и по принципам управления. Среди систем, классифицируемых по назначению, можно выделить две подгруппы:
по типу управляемой физиологической системы или органа тела (например, системы для управления гомеостазом, для управления сердцем);
по объему и характеру управления патологически измененными органами или протезами органов.
Используемые в последнем случае технические устройства можно разделять на:
устройства, управляющие органами и системами организма, утратившими естественную внешнюю регуляцию, но патологически не измененными; управляющие органами, утратившими естественную внешнюю регуляцию и с патологическими изменениями;
устройства, управляющие органами, утратившими внутреннюю регуляцию.
Среди систем, классифицируемых по принципам управления, можно выделить четыре подгруппы:
по природе сигналов, с помощью которых ведется управление: биоэлектрические, химические, механические, термоэлектрические и т.д.;
по особенностям функционирования – системы обратных связей: в самих автоматических устройствах и через изменения состояния физиологических систем организма;
по иерархичности управляющих сигналов: от управляемых органов или систем, от системы для управления органом или от органа для управления системой, к которой орган принадлежит;
по интегральным показателям функционирования системы.
Что касается воплощения в БТС-МТ тех или иных принципов управления (по отклонению, возмущению, стабилизации, слежению, программному управлению), то они могут быть отнесены ко всем группам и подгруппам систем. Использование этих принципов обусловлено, в первую очередь, задачей автоматического управления.
Наконец, по степени сложности структуры и по определенности функционирования БТС-МТ разделяются на простые детерминированные (например, система «сердце-имплантированный биоуправляемый кардиостимулятор») вплоть до очень сложных вероятностных (например, система поддержания гомеостаза в организме).
Рассмотрим основные структурные схемы БТС-МТ (рисунок 3.9). Все БТС-МТ характеризуются наличием объекта управления (ОУ) и управляющего устройства – регулятора (Р), присоединенного к нему. Между этими частями существует прямая связь и постоянно и непостоянно функционирует обратная связь (ОС). Замкнутый контур регулирования с контролем исполнения, осуществляемым по каналу обратной связи, – характерная особенность наиболее совершенных БТС-МТ. Регулятор, в свою очередь, как правило, управляется сигналами от предыдущего устройства естественной (биологической) или искусственной (технической) природы. Эта часть является входом (А) БТС-МТ. Объект управления сам воздействует на другой объект в этом же организме либо взаимодействует с внешними предметами или организмами. Эта часть является выходом (В) БТС-МТ. В первом случае систему можно назвать закрытой, а во втором – открытой. Наличие обратной связи позволяет системе активно и оперативно перестраиваться на нужный режим терапевтического воздействия, позволяет координировать движения объекта управления – исполнительного устройства.
Рис. 3.9. Структурные схемы БТС-МТ
В структурных схемах на рисунке 3.9, а) – в) общим является то, что биологический регулятор (естественного происхождения) – РБ управляет техническим объектом (ОУт). По схеме а) работает система управления без биологической обратной связи (ОС) (разомкнутая система), например функциональный протез; схема б) соответствует БТС-МТ в полуавтоматическом режиме, т.е. с непостоянным действием обратной связи, например система поддержания гомеостаза с участием врача, корректирующего работу такой БТС-МТ; схема в) соответствует БТС-МТ в автоматическом режиме, т.е. с постоянно действующей обратной связью, например система поддержания гомеостаза или функциональный протез (в первом случае исполнительное устройство может быть в виде автоматического шприца для инъекций лекарственного препарата, во втором – протез конечности).
В схемах на рисунке 3.9, г) – е) общим является то, что биообъект (ОУБ) управляется регулятором в виде технического устройства Рт. Различия их аналогичны различиям рисунков 3.9, а) – в). Примерами систем, работающих по схеме г) могут быть не биоуправляемый кардиостимулятор (автоколебательный режим) в условиях скорой помощи, дефибриллятор в несинхронизированном режиме или аппарат для ультразвуковой ингаляции легких; по схеме д) – имплантированный или экстракорпоральный кардиостимулятор, переходящий из режима биологической синхронизации в автоколебательный режим; наконец, по схеме е) – имплантированный кардиостимулятор, управляющий работой больного сердца и синхронизируемый сердцем же по цепи обратной связи или дефибриллятор в синхронизированном режиме.
Приведем некоторые общие соображения по поводу реализации управляющих БТС-МТ.
Введение тех или иных регулирующих воздействий должно, как правило, производиться с учетом естественных процессов и ритмов и быть синхронизированным с ними. Если речь идет о медленных процессах, то вполне возможно путем наблюдении избрать нужную фазу (интервал) воздействия. Если же необходимо управлять процессами, продолжительности, которых измеряется секундами или долями секунды, то в этих случаях при выделении требуемой фазы весьма велика вероятность ошибки. Поэтому обеспечение точной синхронизации в ряде случаев является самостоятельной и очень важной задачей.
Решение этой задачи оказывается возможным, если в качестве командного (синхронизирующего) сигнала использовать четкие проявления активности управляющего (или даже самого управляемого) органа или системы. А так как процессом лечения управляет, в сущности, сам организм, то возникло понятие биологического управления. Биологическое управление обеспечивает идеальное согласование воздействия с ритмом естественных жизненных процессов, поскольку управление совершается сигналами самого организма. Это преимущество и привело к тому, что методы биологического управления все шире стали использовать в биологии и медицине, в частности – в терапии.
Особенно удобным оказывается для целей такого управления использование биоэлектрических потенциалов. После соответствующей обработки (например, усиления и дифференцирования) потенциалы могут выполнять роль командных сигналов. Это оправдано в тех случаях, когда достаточно изучено физиологическое значение конкретных биопотенциалов и удается довольно четко расшифровать их смысл, и кроме того, когда отведение этих потенциалов надежно, просто, не травматично для организма. Такими биопотенциалами, используемыми для биологического управления в БТС-МТ, являются потенциалы сердца, мышц, дыхательной мускулатуры.
Важным условием становится также относительно быстрый анализ поступающей на вход БТС-МТ информации и незамедлительная выработка требуемого терапевтического воздействия.
В настоящее время в качестве терапевтических управляющих БТС наиболее широко применяются электростимуляторы и протезы утраченных конечностей. В последние годы начались также интенсивные исследования и стали строиться БТС, управляющие гомеостазом организма.
В качестве иллюстрации к изложенному рассмотрим некоторые конкретные типы БТС-МТ.