3.4 Биотехнические системы замещения утраченных функций

Медицинская практика испытывает острую необходимость в создании биотехнических систем временного или постоянного замещения функций организма, нарушенных или утраченных в результате патологического процесса или травмы. В настоящее время в мире насчитывается свыше 16 миллионов человек, потерявших зрение; только в США 15 миллионов человек частично потеряли слух; примерно четвертая часть всех смертельных случаев в мире происходит в результате сердечной патологии. Важнейшей задачей медицинской кибернетики является создание искусственных органов зрения, слуха и даже искусственного сердца; возвращение миллионам людей жизни, здоровья и работоспособности.

Вместе с тем, как было отмечено выше, в клинической практике при применении информационно-регистрационных управляющих систем возникает необходимость подключения аппаратов активного вмешательства для автоматического управления физиологическими функциями. С кибернетической точки зрения при этом приходится решать две различные задачи: создавать системы, моделирующие функционирование органа или систем органов, и разрабатывать модели, регулирующие работу органов. Для автоматического управления этими системами необходимы различные технические средства. В первом случае это будут «протезы» рабочих органов – искусственное сердце, легкие, почки, эндокринные железы и т.д.; во втором – «протезы» внешнего управления, т.е. системы, посылающие управляющие сигналы либо к искусственным, либо к естественным неповрежденным органам или физиологическим системам. В таких БТС можно использовать [4]:

• системы биологического управления, работающие на основании информации, получаемой от самого организма;

• системы биологической стимуляции, вводящие управляющую информацию в организм;

• системы функционального протезирования, включающие процессы произвольного (по воле человека) и непроизвольного управления биопотенциалами, снимаемыми с управляемых биологических структур.

Применение аппаратов активного воздействия наиболее целесообразно при крайних, угрожающих жизни (экстремальных) состояниях, являющихся результатом обширных повреждений клеточных структур, тканей и органов под влиянием патогенных агентов. В этих случаях необходимо использовать «протезы» функций утраченных структур: кардиостимуляторов при нарушении ритма сердечных сокращений, аппаратов искусственного дыхания при недостаточности внешнего дыхания, аппаратуры, заменяющей кровообращение, при недостаточности сердечно-сосудистой системы, искусственной почки при недостаточности выделительной функции организма, специальных устройств для вы­ведения из терминальных состояний и т.д.

Можно выделить три основных направления развития протезирования: увеличение продолжительности действия органа, максимальная универсализация функций и миниатюризация (создание портативных вживляемых в организм искусственных органов).

Рассматривая в качестве примера искусственную почку, можно заметить тенденцию к ее применению для долговременного диализа у больных не только с острой, но и с хронической почечной недостаточностью. Функции прежней искусственной почки сводились к диализу продуктов биодеградации и токсичных веществ. Современные исследования в этой области имеют целью создание почки, которая была бы способна к селективной фильтрации и ресорбции. В настоящее время известно достаточно много способов применения искусственных органов вне организма. Но вживление искусственных органов внутрь организма является более перспективным. Очевидно, что разработка портативной искусственной почки с последующей ее миниатюризацией это важнейшая задача медицинской кибернетики.

С другой стороны, при экстремальных состояниях может быть нарушена регуляция физиологических процессов, хотя их структура и не подвергается патологическим изменениям. Возможны три типа таких нарушений:

• ослабление регуляторных влияний (денервация, снижение активности гуморальных воздействий);

• искажение регуляторных воздействий;

• дезинтеграция и расторможение тканей, лишенных управляющих воздействий.

Во всех этих случаях необходима замена регулирующих систем организма автоматами, поддерживающими физиологические функции путем управляющих сигналов.

Автоматическое управление функциями организма обеспечивает БТС ряд преимуществ: быстродействие автоматических систем (особенно если в комплексе с ними используется ЭВМ); возможность управления по сложным программам при восприятии и переработке информации из многих параллельных каналов; работа медицинского персонала без сомнений, колебаний, эмоциональных реакций и других субъективных особенностей, свойственных человеку.

Быстродействие при управлении во время болезни имеет большое значение в тех случаях, когда критериями управления являются биоэлектрические сигнала с длительностью в доли миллисекунд или когда управление осуществляется в терминальных стадиях жизнедеятельности и прогноз состояния больного зависит от скорости принятия и реализации решения.

Следует, однако, отметить, что иногда произвольное, «ручное» управление оказывается более предпочтительным. Это справедливо для тех случаев, когда сложность задачи связана не с трудностью расчетов, а с наличием логически неуправляемой информации, требующей неожиданных решений, когда необходимо произвести фильтрацию шумов, обнаружить слабые световые или звуковые сигналы, интерпретировать сигнальные образы различной модальности, распознать определенную структуру при предъявлении неструктурного материала, произвести качественную обработку информации, сориентироваться на события с низкой вероятностью, образовать индуктивное умозаключение, сделать при наличии неполных сведений дедуктивные выводы, логические «скачки» в направлении решения и т.д.

В этих случаях преимущество остается за врачом-оператором, отличающимся от автоматических систем своей крайней экономичностью в осуществлении функций, надежностью и бесконечной пластичностью в отношении различных возможностей для получения одного и того же приспособительного эффекта.