Предмет, задачи, методы и основные принципы количественного описания БТС

К БТС относят особый класс сложных систем, состоящих из биологических и технических компонентов (подсистем), объединенных и функционирующих в едином комплексе управления (рис. 1.6). Базовые подсистемы БТС — биообъект В и техническое устройство Т. Между техническим устройством и биообъектом могут существовать вещественные (потоки вещества), энергетические (потоки энергии), информационные (потоки информации) связи.

Набор свойств биообъекта — основа выбора параметров технических устройств и разработки БТС, для чего необходима количественная оценка свойств биообъекта и параметров технических устройств.

Рис. 1.6. Блок-схема (а) и структурный граф БТС (б):

Tj — основные подсистемы технического устройства; Ту — компоненты основных подсистем технического устройства; - основные подсистемы биообъекта; By — компоненты основных подсистем биообъекта Предмет, задачи и методы теории БТС можно сформулировать следующим образом:

• • определение требований к характеристикам медицинской техники и биотехники с позиций системного подхода;
• • установление связей целевого назначения и технических характеристик БТС с учетом специфичности биообъектов;
• • разработка методов количественного описания биообъектов;
• • постановка задач анализа и синтеза различных классов БТС.

Основные принципы количественного описания, анализа и синтеза БТС — биоадекватность, целенаправленность, целостность.

Биоадекватность — соответствие уровня внешних энергетических, вещественных и информационных связей между техническим устройством и биообъектом уровню взаимодействий между подсистемами этого биообъекта, которые характерны для состояния гомеостаза.

Гомеостазом называют динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды организма и его основных физиологических функций. Гомеостаз обусловлен совокупностью сложных регуляторных взаимодействий на молекулярном, клеточном, органном и организменном уровнях. Пример гомеостаза — терморегуляция организма при изменении температуры окружающей среды. Устойчивость физиологических функций человека зависит от сохранения нормальной температуры тела (36…37 °С).

При низких температурах окружающей среды происходит сужение капилляров и уменьшение кровотока в коже, что снижает тепловой поток с поверхности кожи. Повышение температуры окружающей среды приводит к расширению капилляров и возрастанию кровотока. Это способствует потере теплоты и сохранению нормальной температуры тела.

Целенаправленность — качественная (словесная, вербальная) и количественная (в виде целевой функции) формулировки главных целей, определяющих биомедицинское назначение БТС.

Например, цель рентгенодиагностики может быть определена следующим образом: достичь максимального разрешения рентгеновского изображения с минимальными вредными воздействиями на пациента. При этом должны быть выполнены требования по технике безопасности и экономическим ограничениям (минимальная цена рентгеновского аппарата и наименьшая стоимость технического обслуживания).

Целостность (холизм) — единство взаимодействия и управления потоками вещества, энергии и информации между биообъектом и техническим устройством.

Следует отметить, что современная тенденция разработки БТС заключается в явно выраженном усилении информационной связи с биообъектом по сравнению с вещественной и энергетической связями. В многочисленных публикациях на эту тему пока отсутствует исчерпывающее и строгое определение живой системы, хотя попытки дать такое определение предпринимались неоднократно. Несмотря на это, неободимо перечислить те фундаментальные свойства (особенности) живых систем, которые требуется учитывать при разработке БТС.

Как правило, свойствами живых систем, образующих частичное подмножество на множестве реальных систем, являются:

• • открытость, т. е. использование обмена (энергией, пищей) для компенсации собственных энергетических затрат и исправления повреждений в своей организационной структуре;
• • уровень сложности, превышающий некоторый минимум;
• • содержание протоплазмы, состоящей из белков и других специфических органических компонентов;
• • наличие управляющей системы, которая контролирует и организует взаимодействие подсистем;
• • наличие подсистем, объединенных в целостную систему, для которой свойственны саморегуляция, рост, развитие и самовоспроизведение;
• • генетический материал, состоящий из ДНК;
• • возможность существования только в определенных условиях окружающей среды.

Если биообъект является управляемым звеном технической системы регулирования, построенной без учета специфичности, органически присущей живым системам, то перечисленные свойства биообъекта как звена регулирования делают его не вполне приемлемым («неудобным») элементом цепи управления. Так, в приведенном ранее примере аэроионотерапии (см. рис. 1.3) необходим постоянный контроль результата воздействия технического устройства на биообъект.

Как при разработке, так и при выборе оптимальных режимов работы БТС исключительно важная роль принадлежит моделированию биологических систем и происходящих в них процессов. Разработка моделей формирует основу для количественного описания БТС, являющегося непременным условием решения задач анализа и синтеза БТС.