2.4 Особенности биологических систем автоматического регулирования

Биотехнические системы автоматического регулирования САР отличаются рядом особенностей и свойств от технических. В живых организмах преобладают комбинированные САР. Этот способ регулирования позволяет живому организму, входящему в состав БТС, поддерживать на определенном уровне в условиях внешних воздействий уровень параметров внутренней среды и осуществлять в организме принципы регулирования и стабилизации. Помимо этого, для вероятностных недетерминированных объектов, какими являются живые организмы, регулирование с помощью замкнутых контуров с обратными связями являются непременным условием жизнедеятельности и существования.

В отличие от систем технических, биотехническим САР присущи различные виды нелинейностей и инерционность. Которые предназначены для увеличения помехоустойчивости.

Эффективное регулирование в живом организме возможно в полной мере только с учетом прогнозирования. В связи с этим системы регулирования жизненно важных параметров являются не только комбинированными, но содержат прогнозирующий элемент.

Принцип прогнозирования состоит в том, что корректирующий сигнал подается на вход системы до возникновения ситуации, приводящей к появлению возмущающего сигнала. Прогнозирование – это вероятностная оценка будущего управления на основе информации о предшествующих входных сигналах. Прогнозирование является упреждающей реализацией управления, которое обеспечивает достижение цели одновременно с максимальным быстродействием.

Системы регулирования живого организма являются адаптивными, самообучающимися, самоорганизующимися, что позволяет живому организму в известных пределах довольно надежно функционировать в условиях изменяющейся внешней среды.

Эти системы отличаются высокой надежностью и функциональной устойчивостью по отношению как к внешним воздействиям, так и к внутренним возмущениям. Надежность – это свойство выполнять востребуемые функции в определенных условиях в течение заданного времени, способность системы поддерживать физиологические параметры внутри заданных границ, необходимых для жизнедеятельности организма, т.е. способность обеспечивать значение некоторого обобщенного критерия управления не ниже требуемого уровня в определенных условиях и в течение заданного времени.

Фундаментальными принципами, гарантирующими высокую надежность биотехнических САР, являются:

• избыточность в организации контуров регулирования;

• функциональная гибкость;

• иерархичность в строении управляющих систем, т.е. сочетание автономности. независимости функционирования отдельных подсистем с централизацией и на этой основе устойчивости интегрального эффекта;

• широкое использование принципов обратной связи и устойчивости больших систем;

• самовосстановление и самовоспроизведение.

Все эти принципы выступают в тесной взаимосвязи друг с другом.

Живой организм включает в себя множество систем и подсистем, но не является просто суммой этих структур, а представляет собой единую функциональную систему. Поэтому отдельные подсистемы многосвязные. К примеру, выход такой физиологической системы, как сердечно-сосудистая, будет характеризоваться величиной артериального давления и частотой пульса; вход же системы учитывает не только поток крови, но и воздействие центральной и вегетативной нервной системы, дыхательной, эндокринной и других систем, а также функциональное состояние всего организма, на которое, в свою очередь, влияют выходные величины сердечно-сосудистой системы.

Многосвязанность биологических САР, делает их недетерминированными, что усложняет их исследование. Возникает необходимость оперировать большим объемом информации, что требует использования вычислительной техники. Кроме того, необходимо учитывать, что коэффициенты, входящие в функции, описывающие физиологические процессы, как правило, нелинейны, зависят от целого ряда внешних и внутренних условий. Это приводит к необходимости статистических исследований.

Все системы регуляции биологических параметров имеют многоконтурную структуру, включаются эти контуры ступенчато, в зависимости от степени отклонения параметра от желаемого состояния.

Тонкость и миниатюрность биологических систем, особенно на клеточном и органном уровне, создают повышенные требования к измерительным системам. Любой электрод или датчик, имплантированные в живой организм, должны быть сверхминиатюрные, не повреждать структуры и не вносить искажений в изучаемые процессы.

При изучении процессов, протекающих в живых организмах, приходится решать весьма сложные технические задачи, обусловленные чрезвычайно малой величиной регистрируемых сигналов (таблица 2.1).

Регистрируемые сигналы содержат высокий уровень физиологических и технических помех, в связи с чем возникает необходимость фильтрования сигналов на фоне помех, носящих, как правило, случайный характер. Например, для регистрации электрической активности мускулатуры приходится применять специальные условия и усилительную технику, экранировку (для уменьшения влияния внешних электромагнитных полей). Однако при регистрации электрической активности сердечной мышцы (ЭКГ) электромиограмма становится столь мощным сигналом, что приходится применять специальные меры для борьбы с этой «помехой». При регистрации электрической активности желудка (электрогастрографии) «помехой» уже становятся сигналы ЭКГ и возникает необходимость борьбы с ней. В связи с этим для обработки «полезного» сигнала используется специальный статистический математический аппарат для оценки биологической информации.

Таблица 2.1 Характеристика биопотенциалов

Вид биопотенциалов	Амплитуда, мкВ-	Частотный диапазон, Гц
Электрокардиограмма (ЭКГ) Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) альфа-ритм бета-ритм гамма-ритм дельта-ритм тета-ритм Электромиограмма (ЭМГ) Кожно-гальваническая реакция (КГР) Электроокулограмма (ЭОГ)	300 – 3000 2 – 100 20 – 100 5 – 30 2 – 10 10 – 30 20 20 – 3000 200 – 2000 20 – 200	0,1 – 100 0,5 – 100 8 – 13 14 – 35 30 – 80 0,5 – 3 4 – 7 0,1 – 5000 0,1 – 10 0,1 – 10