2.8 Принципы синтеза бтс

Еще раз вернемся к определению БТС.

БТС представляет собой совокупность биологических и технических элементов, объединенных в единую функциональную систему целенаправленного поведения.

Преимущества БТС перед системами техническими и биологическими заключаются в сочетании положительных качеств этих систем при взаимной компенсации их недостатков.

Основным свойством БТС является ее суперадаптивность. Обусловленная наличием двух контуров адаптации – внешнего и внутреннего.

Внешний контур обеспечивает БТС возможность выполнять свою целевую функцию в условиях переменных воздействий внешних факторов (например, стахостических условий окружающей среды, изменения расположения взаимодействующих с системой динамических объектов и т.д.).

Внутренний контур позволяет элементам БТС взаимно адаптироваться к изменению состояния друг друга, вызванного взаимодействием внешних и внутренних факторов.

Таким образом, наличие в БТС биологических звеньев позволяет придать общим свойствам системы особую пластичность, улучшить адаптивные характеристики во внешнем контуре адаптации (особенно в системах типа «человек – машина – окружающая среда»).

В то же время, качество внутренней адаптации существенно зависит от возможности технических элементов системы следить за изменением состояния биологических ее звеньев и, обмениваясь информацией с биоэлементом, соответственно изменять свои характеристики.

Эти свойства БТС были заимствованы из бионических исследований живых организмов и воплотились в следующие основные принципы сопряжения технических и биологических элементов в единой функциональной системе:

1) Принцип адекватности, требующий согласования основных конструктивных параметров и управленческих характеристик биологических и технических элементов БТС.

2) Принцип единства информационной среды, требующий согласования свойств информационных потоков, циркулирующих между техническими и биологическими элементами как в афферентных, так и в эффекторных цепях.

Синтез БТС независимо от уровня их сложности с целью соблюдения двух указанных принципов осуществляется на основе бионической методологии. Наиболее ярко она проявляется при синтезе БТС эргатического типа (БТС с человеком-оператором в качестве управляющего звена). В этом случае бионический подход характеризуется принятием в качестве функциональной модели БТС модели нервной системы высших позвоночных и, в первую очередь, нервной системы человека.

Этот подход выражается в следующем:

1) При построении структурно-функциональной схемы БТС используется принцип обработки основных потоков информации специализированными периферическими системами. Эти системы минимизируют объем информации и перекодируют ее в форму, адекватную для восприятия оператором, т.е. осуществляют процедуру оптимальной фильтрации.

2) Периферические системы могут очувствляться, а информация может перераспределяться по различным сенсорным воспринимающим входам только по запросам из управляющего центра системы.

3) Основные элементы системы обмениваются информацией, что позволяет осуществлять процедуру внешней и внутренней адаптации.

4) В основу адаптивных программ технических органов восприятия, распределения и преобразования информации (называемых логическими фильтрами – преобразователями) закладывают результаты бионических исследований сенсорных систем организма человека, с последующей формализацией их характеристик и построением соответствующих математических моделей.

5) При синтезе эффекторных подсистем БТС реализуются результаты бионических исследований процессов деятельности человека как управляющего звена.

6) Для установления связи между режимами функционирования воспринимающих систем и состоянием организма оператора исследуют психофизиологические корреляты, которые используются при выборе режимов логических фильтров-преобразователей.

7) Используется свойственный живым организмам принцип оценок ситуаций с последующим уточнением с помощью относительных измерений и сравнением с выбранным эталонным порогом.

8) Вводится специальный контур регенерации системы (контур нормализации состояния оператора), управляемый системой текущей диагностики состояния психофизиологических характеристик организма оператора.

Мы рассмотрели использование бионического подхода при синтезе систем эргатического типа.

Этот же подход позволяет также обеспечить такие важнейшие, общие для БТС всех типов свойства, как наличие внешней и внутренней адаптации.

Действительно, одним из непременных условий выживаемости биологического объекта, независимо от сложности его организации, является наличие особых свойств и физиологических механизмов, позволяющих ему приспосабливаться к изменению многих факторов, например, внешней среды и условий обитания. Такая же задача ставится и при синтезе БТС, совокупность биологических и технических элементов которой и связей между ними должны обеспечить реализацию целевой функции системы в нестационарной внешней среде, оказывающей в ряде случаев дезорганизующее и разрушающее воздействие на систему.

В процессе бионических исследований живых систем внимание исследователей акцентируется на постоянном обмене информацией не только между системой и внешней средой, но также и на непрерывной адаптации отдельных органов и подсистем целостного организма друг к другу. Этим свойством (внутренней адаптацией) объясняется высокая функциональная надежность живых, организмов.

В качестве примера можно привести приспособление внутренних органов к патологическим изменениям связанных с ними физиологических систем организма.

Как уже отмечалось, в БТС внутренняя адаптация обеспечивается обменом информацией между техническими и биологическими элементами системы. Как теоретический, так и прикладной аспекты этой проблемы представляют собой совокупность задач высокой трудности. Дело в том, что живая часть системы должна непрерывно получать информацию о состоянии внешней среды, характере поставленной перед БТС задачи и ее динамических изменениях, а также о состоянии сочлененных с ней технических элементов системы. При этом вся информация, поступающая на биологический элемент, должна быть представлена в адекватной форме, удобной для восприятия и достаточной для построения концептуальной модели ситуации, на базе которой может быть скорректирован алгоритм или режим функционирования биологического элемента или целостного организма, являющегося звеном БТС.

При соблюдении рассмотренных принципов синтеза БТС эта задача в значительной степени корректно может быть решена благодаря приспосабливаемости и адекватности, присущих живым организмам.

Однако еще более сложной является задача адаптации технических элементов системы, их совокупности и режима функционирования к состоянию сопряженных с ними систем и органов живого организма. Она решается путем создания системы непрерывной (текущей) диагностики состояния живого организма, являющейся либо самостоятельной автономной диагностической системой, либо подсистемой контура диагностики и нормализации состояния.

Такие системы представляют наибольший интерес по двум причинам: во-первых, подавляющее большинство БТС содержит системы непрерывного контроля состояний, и, во-вторых, именно БТС текущей диагностики представляют главный предмет биомедицинской электроники, медицинского приборостроения и, наконец, в теоретическом аспекте – биологической и медицинской кибернетики.

Большинство биологических систем медицинского назначения, существующих и разрабатываемых в настоящее время, является диагностическими системами или автоматизированными комплексами, предназначенными на базе текущей диагностики с помощью приборов активного вмешательства для нормализации временно утраченных функций живого организма (например, искус­ственное сердце, легкие, аппарата искусственного гемодиализа).

Проектирование систем, в которых биообъект используется в качестве датчика или технического устройства, связано с созданием БТС без непосредственной обратной связи с биологическим объектом. Регулирование технического устройства в такой БТС осуществляется по разомкнутому контуру. В качестве управляющих сигналов для технических элементов в этом случае используется набор тех параметров состояния биообъекта, которые сильно изменяются, реагируя на те изменения окружающей среды, датчиком которых служит биообъект [7]. На таком принципе была разработана БТС обнаружения присутствия человека в радиусе 300-500 м, применявшаяся войсками США в Южном Вьетнаме для обнаружения партизан. В качестве биообъекта-датчика в ней использовались клопы, а в качестве параметра состояния организма, резко изменяющегося в присутствии человека, – электрическое сопротивление тела насекомого.

Однако данный класс БТС является чисто машиноподобным и лишен основных преимуществ биологической организации. Главные трудности, возникающие при проектировании этого класса систем, обусловлены выбором биологического объекта в качестве датчика сигнала изменяемого параметра, согласованием этого объекта с техническими устройствами и определением технических условий эксплуатации.

При проектировании БТС управления двигательным поведением возникает необходимость создания двух разных систем:

• управляющих сократительной активностью различных мышечных групп и обеспечивающих требуемый локомоторный акт. В этом случае система должна использовать бионические принципы работы центральной нервной системы, распределяющей управляющие воздействия в. определенной последовательности на различные группы мышц;

• запускающих центральные механизмы управления локомоторным актом путем воздействия выработанных техническими элементами управляющих сигналов, адекватно зависящих от состояния управляемого элемента, целевой функции системы и текущего анализа ее достижения.

В зависимости от того, на какой уровень саморегуляции двигательных актов биообъекта техническими звеньями должны быть оказаны управляющие воздействия – рецепторный, афферентный или эффереотный пути, ЦНС или исполнительные устройства, БТС должна решать разный круг и объем задач управления; при разработке такой системы приходится проектировать разные устройства и подсистемы [3].

Так, при воздействии непосредственно на мышечные группы или эффекторные каналы возникает необходимость конструирования устройств выработки и реализации алгоритмов и программ координированного управления сократительной активностью сгибателей и разгибателей, обеспечивающих передвижение объекта в требуемую точку. Процессор при этом должен определять текущие координаты биообъекта, вырабатывать вектор воздействия и определять последовательность управляющих стимулов для обеспечения движения каждой конечности. Однако, такую задачу в настоящее время реализовать трудно.

Более простым представляется выбор в качестве уровня управления движением центральных механизмов саморегуляции движения, так как в этом случае удается использовать накопленный в процессе эволюции опыт формирования нервной системой сложных многоуровневых контуров управления двигательным актом и высшую стадию двигательных актов – автоматизацию движений. Здесь используют две возможности: воздействия на подкорковые структуры и управления двигательным актом путем подачи командных сигналов рефлекторным путем на корковый уровень.

БТС управления движением путем включения корковых механизмов реализуется более просто. Принцип управления основывается на способности кинетических клеток коры головного мозга образовывать временные связи с другими нервными клетками и позволяет использовать высшие стадии двигательных актов – автоматизацию движений, возникающую в процессе концентрации и стабилизации коркового возбуждения и его результата – хорошо упрочившейся двигательной реакции.

Однако при создании технических звеньев БТС при воздействии на корковые механизмы путем предварительного обучения с пищевым или не пищевым подкреплением возникает необходимость проектирования блока управления подачи условных раздражителей и устройств формирования подкрепляющих воздействий, обеспечивающих реализацию инструментальных рефлексов и пространственную организацию траектории. Габариты, быстродействие, надежность и мобильность всех технических звеньев определяют эффективность работы БТС. При не пищевом подкреплении путем воздействия на эмоциогенные структуры мозга для повышения надежности и эффективности функционирования всей БТС необходимо определить функциональное состояние биообъекта для выработки соответствующих текущему состоянию сигналов управления. Это требует включения в БТС подсистемы оценки психофизиологических параметров вегетативных функций. Поскольку целевой функцией БТС является обеспечение перемещения животного по определенной траектории, управляющие сигналы должны вырабатываться на основании анализа двух информационных потоков: деятельности, характеризуемой текущими координатами положения животного, и информации о текущем состоянии. Поэтому в БТС при автоматическом управлении необходимо включать систему слежения за объектом и определения его координат, блоки преобразования и ввода вегетативных показателей, блоки телестимуляции, формирования траектории и управления.

Проектирование БТС, в которых технические элементы управляют функциональным состоянием отдельных морфофизиологических систем или организма в целом, требует знания психофизиологических показателей для диагностики и прогнозирования с помощью технических средств обработки и отображения информации о состоянии человека и животных в различных условиях (в том числе экстремальных и патологических).

Физиологическое состояние биологических объектов может быть оценено на основании анализа комплекса параметров, характеризующих состояние отдельных систем (сердечной-сосудистой, дыхательной, нервной и т.д.). В частности, это могут быть параметры электрических сигналов различных электрограмм.

Информативность физиологических параметров определяется высокой степенью корреляции между изменением психофизиологического состояния пациента и физиологических показателей, а также скоростью реакции данного параметра на возмущающее воздействие. Подбор физиологических параметров для БТС обусловлен требованиями, предъявляемыми к анализирующему звену системы и включающими достаточный набор информативных физиологических параметров для обеспечения надежности оценки состояния пациента, надежность датчиков первичной информации (ДПИ), непрерывность регистрации и возможность быстрой дешифровки и декодирования физиологической информации для обеспечения диагностики в реальном масштабе времени.

В соответствии с целью и назначением БТС могут базироваться на анализе и контроле за различными физиологическими функциями. Поскольку при изменении психофизиологического состояния человека и животных происходят сдвиги во всех системах и органах, важно учитывать, что степень изменения физиологических функций по времени реакции их показателей на воздействие различна. Так, артериальное давление (АД), частота, сердечных сокращений (ЧСС) и частота дыхания (ЧД) немедленно изменяются в ответ на воздействие. Изменение состава крови, морфофизиологические изменения сосудов носят затяжной характер, а иногда являются следствием уже повторного воздействия.

В связи с этим все физиологические, процессы принято разделять на быстро и медленно изменяющиеся (БИП и МИП) [1], а всю медико-биологическую информацию, поступающую от пациента (или оператора), разделяется на медленно изменяющиеся процессы (МИП) у быстро изменяющиеся процессы (БИП).

К медленно изменяющимся относятся процессы, частота изменения которых ниже 1 Гц, а мгновенные значения могут быть выражены цифрой, например частота сердечных сокращений, частота дыхания, температура тела и т.д.

К быстро из меняющимся процессам относятся, главным образом, электрофизиологические процессы, характеризуемые изменением электрических потенциалов на поверхности кожи или на отдельных локальных участках организма под ее покровами, например электрокардиосигнал (ЭКС), электроэнцефалограмма (ЭЭГ), элекгромиограмма (ЭМГ) и т.д. К ним же относятся и другие характеристики физиологических функций организма, измеряемые с помощью специальных датчиков-преобразователей и характеризуемые кривой изменения процесса во времени, например плетизмограмма кривая изменения объемной скорости кровотока, кривая пульсации артериального давления и т.д. Частотные спектры быстро изменяющихся процессов находятся в диапазоне от 1 до 1000 Гц.