2.5 Системный подход при сопряжении элементов живой и неживой природы

В процессе проектирования БТС необходимо учитывать свойства и особенности и технических, и биологических звеньев системы. Разброс параметров биологических элементов, нелинейность взаимосвязи между ними, многоконтурность, многосвязность и иерархическая организация процессов регулирования этих параметров в значительной степени осложняют задачу проектирования БТС.

При создании БТС для сопряжения элементов биологической и технической природы они должны быть охарактеризованы с наиболее общих методологических позиций, присущих системному подходу. При этом на первое место ставится не анализ составных частей системы, а ее характеристика как единого целого.

Системный подход позволяет осуществить:

• системный охват (комплексное рассмотрение проблемы иди системы в целом);

• системное представление (оно достигается посредством построения единой модели системы);

• системную организацию (она осуществляется путем непрерывного планирования и управления с применением самых современных методов оптимизации).

Системный подход основывается на принципе целостности, состоящем в исследовании свойств единой системы и рассмотрении совокупности технических и биологических элементов БТС как единого целого.

При системном подходе решаются следующие основные задачи [1]:

• разработка средств и способов представления исследуемых объектов как систем;

• построение обобщенной модели системы и анализ ее свойств;

• исследование концептуальной структуры моделей БТС как системы.

При системном анализе необходимо учесть все известные факторы и взаимосвязи, которые составляют существо проектируемой системы, и создать обобщенную модель, отображающую проблему с максимально возможной полнотой. Системный анализ дает возможность на основании исходных данных о назначении системы, ее характеристиках и функциях, а также знания существующей элементной базы и опыта проектирования подобных систем предложить обобщенную модель системы, максимально отвечающую поставленным задачам при вводимых ограничениях на выбор характеристик ее элементов.

С одной стороны, биотехническая система должна максимально использовать достоинства биологических элементов, их способность приспосабливаться к взаимодействию с техническими элементами, а с другой стороны, технические элементы должны быть максимально приспособлены к взаимодействию с биологическими с учетом их особенностей и свойств.

2.6 Взаимодействие технических и биологических элементов биотехнических систем

Факторы, влияющие на работоспособность БТС, определяются взаимосвязью между техническими и биологическими элементами.

Механическая взаимосвязь биологических и технических элементов БТС выражается в виде их механических воздействий друг на друга. Эти воздействия могут быть заданы целевой функцией БТС (например, воздействие человека-оператора на органы управления или воздействие исполнительных элементов технической части БТС на биообъект) или могут выступать в качестве вредных факторов (например, механическое повреждение элементов пультов управления, механические повреждения биообъекта из-за неправильного функционирования исполнительных элементов БТС (удары, вибрация, линейное ускорение, возникающее при перемещении биообъекта).

Особое влияние на работоспособность БТС оказывает механический контакт между биологическими и техническими элементами (датчиками первичной информации, устройствами воздействия на биообъект). Этот контакт может быть реализован путем механического (вакуумные присоски, резиновые тяги, зажимы и т.д.) и биологического крепления (вживление).

Способ реализации контакта должен выбираться совместно медиками, биологами и инженерами в зависимости от целевой функции БТС, вида биологического объекта, способа его включения в контуры регулирования БТС, типа используемых датчиков и исполнительных устройств, места и длительности контакта, возможных перемещений биообъекта и т.п.

Шестьдесят процентов отказов в БТС происходит по причине нарушения механического контакта между биологическими и техническими элементами.

Регистрация любых электрических потенциалов, генерируемых биологическим элементом, а также воздействие на него с помощью электростимуляции требуют наличия электрического контакта между электродами и тканями организма. При непосредственном контакте металлических электродов с тканью металл находится в электрохимическом взаимодействии со сложным комплексным водным раствором, включающим как неорганические, так и органические электролиты. При подключении внешнего источника тока разность потенциалов на границе электрод – живая ткань изменяется, за счет этого электрический сигнал передается на электроды или стимулируемую ткань. При этом происходит поляризация электрода: образуется дополнительный заряд [1], который искажает передаваемый электрический сигнал.

Снижение эффекта поляризации при регистрации биопотенциалов достигается за счет уменьшения переходного сопротивления электрод – живая ткань или путем использования не поляризуемых электродов. Снижение эффекта поляризации при стимуляции различных функциональных систем биообъекта достигается в основном за счет использования разнополярных импульсов тока одинаковой амплитуды.

Кроме эффекта поляризации возможны также явления, связанные с контактными потенциалами в цепи, соединяющей электроды и вход усилителя или выход стимулятора. Если электроды удалены друг от друга и находятся в различных температурных режимах, то это создает большую вероятность возникновения термоэлектрического эффекта. Кроме того, следует учитывать и возможность существования ощутимых для биообъекта гальванических токов в местах контактов различных металлов.

Особо следует отметить активное воздействие биологической среды на вживленные технические элементы (электроды, датчики и т.п.), выражающееся в образовании капсул из соединительной ткани вокруг инородных тел. Эти капсулы снижают, а часто и полностью уничтожают эффективность механического и электрического контакта. С целью снижения токсического действия на биологический объект вживляемые технические элементы или выполняются из химически инертных веществ (благородных металлов, хрома, никеля), или герметизируются в оболочке из химически и биологически инертных пластмасс (фторопластов).

Среди вопросов информационного контакта биологических и технических элементов БТС отметим такой важный этап включения биологического объекта в БТС, как его обучение. Если в качестве биологического звена в БТС используется целостный организм, то обучение его работе в данной системе является одним из наиболее важных моментов, позволяющих увеличить надежность функционирования всей БТС в целом.