Моделирование биообъектов. 
Биотехнические системы медицинского назначения

Моделирование — незаменимый метод решения ряда задач анализа и синтеза БТС. Не следует забывать, что эксперименты (в обычном естественно-научном смысле этого слова) над живыми системами весьма ограниченны, а подчас и просто невозможны. Моделирование предоставляет уникальную возможность исследовать биообъект, не оказывая на него сильных (а тем более разрушающих) энергетических воздействий.

Предмет, задачи и методы моделирования

Модель — это объект, отображающий отдельные, важные для решаемой задачи, свойства изучаемого объекта. Моделированием называется совокупность процедур построения и исследования модели.

Биообъект исследуют по его отображению — модели.

Отображение — операция, при которой каждому элементу некоторого заданного множества X ставится в соответствие один определенный элемент множества У. Такое соответствие между элементами х множества X и элементами у множества У записывают в виде /: X —> У.

Изоморфным отображением (изомоморфизмом) называется взаимооднозначное отображение каждого свойства одного объекта на свойства другого объекта. Гомоморфизм — отображение отдельных свойств изучаемого объекта на свойства другого объекта.

При гомоморфном отображении свойства выбирают, исходя из конкретных целей исследования. Эти свойства являются наиболее важными и определяющими в поведении биообъекта при данных условиях. Модели представляют собой гомоморфные отображения реального объекта.

Роль моделирования в науке, несомненно, будет возрастать в XXI в. (управление рисками, наука о живом, историческая механика). Внимание потребителей знаний и потребителей наукоемких технологий переключается на такие объекты и процессы, для освоения которых проведение экспериментов в традиционном смысле крайне затруднительно, а в ряде случаев и просто невозможно.

При моделировании из всей информации об объекте выделяется наиболее значимая структурная информация. Структурная информация определяется как отображение структуры и свойств изучаемого объекта на структуру и свойства модели.

Первым этапом моделирования охватывается только часть структуры и функций объекта. После описания взаимосвязи подсистем объекта реконструируются структура и функции объекта как целого.

Основа осуществления процедур моделирования — информационные взаимодействия с биообъектом, которые проводятся на низких энергетических уровнях.

Перечислим различные виды моделей.

1. Геометрическая (морфологическая) модель отображает внешнюю сторону объекта, его геометрическую форму. Примеры моделей такого вида — различные игрушки, макеты природных объектов и технических устройств, отображающие внешние, визуально воспринимаемые характеристики объекта-оригинала (игрушечные модели самолетов и автомобилей, макеты зданий, манекен для демонстрации одежды).

Частным случаем геометрических моделей можно считать графические модели — изображения, например, сердечно-сосудистой системы (рис. 9.1), т. е. сердца с большим и малым кругами кровообращения.

2. Вербальная модель словесно описывает и фиксирует в виде текста основные части, свойства и функции объекта. Описание какого-либо явления может рассматриваться как разновидность его вербальной модели. Пример вербальной модели — упрощенное описание сердечно-сосудистой системы.

Сердечно-сосудистая система состоит из двух насосов (правой и левой частей) и двух сетей (малого (легочного) и болыпо;

го кругов кровообращения, соединенных последовательно).

Рис. 9.1. Геометрическая модель сердечно-сосудистой системы:

Каждая часть сердца имеет две камеры — предсердие и желудочек, причем вход и выход второй камеры снабжены клапанами, которые обеспечивают однонаправленность потока крови через сердце.

У — меморатический узел; 2 — меморатическне капилляры; 3 — артериальная кровь; 4 — сердце; 5 — меморатический сосуд; 6 — венозная кровь Сети представляют собой весьма сложную систему ветвящихся эластичных артерий и вен, мышечных артериол и капиллярных систем. Каждое предсердие объединено с соответствующей веной. Минутные объемы левой и правой частей сердца зависят от давления в сетях, которое, в свою очередь, зависит от минутных объемов. За счет такой механической обратной связи в сердечно-сосудистой системе обеспечивается саморегуляция. При нарушении равенства минутных объемов под влиянием возмущения давление в сетях изменяется так, что равенство вновь восстанавливается.

3. Функциональная модель отображает основные свойства и функции объекта, а также взаимосвязи его подсистем. В качестве функциональных моделей выступают физические и знаковые модели.

Физические модели описывают свойства объекта с помощью тех или иных физических процессов. Пример — вязкоупругий элемент как механическая модель мышечного сокращения.

Знаковые модели отображают свойства объекта с помощью средств формальных языков. Примеры — различные математические соотношения и химические формулы.