5. Создание вербальной, физической и математической моделей БО.

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

ВВЕДЕНИЕ

Создание новой медицинской техники требует формирования физиологически обоснованных критериев построения аппаратуры, обеспечивающих ее эффективное функционирование. Определение требований к выбору параметров и характеристик аппаратуры связано с изучением процессов происходящих при взаимодействии технических средств и живого организма.

При разработке терапевтической аппаратуры основной интерес представляет исследование условий передачи воздействия, сформированного техническими средствами, к биологическим тканям, а также выбор формы, интенсивности, длительности и других параметров воздействия, согласованных с характеристиками физиологических систем организма.

Изучение данных вопросов требует совместного рассмотрения технических и биологических элементов в рамках единой биотехнической системы (БТС) целенаправленного действия. Целевая функция системы определяет общее построение БТС: выбор технических средств, формирующих лечебное воздействие и объекта приложения воздействия - физиологической системы организма.

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Биотехническая система (БТС) представляет собой выделенные в единую систему, биологические и технические элементы (звенья), связанные между собой для выполнения заданной целевой функции.

Функции, выполняемые биологическим объектом в системе – один из признаков классификации БТС. По этому признаку БТС можно подразделить на медицинские, эргатические, БТС управления целостным организмом. В свою очередь, каждая группа имеет свои разновидности, отличающиеся видом целевой функции или областью применения.

К медицинским БТС относятся системы инструментальной диагностики, лечения заболеваний, использующие физические факторы и технические средства воздействия на организм человека, системы информационной поддержки лечебного процесса – клинические информационные системы документирования и хранения данных о пациенте, системы телемедицины, автоматизированные рабочие места врача-специалиста.

В рамках медицинских БТС диагностического типа формируется описание функциональных систем организма человека, определяющих состояние организма, средств регистрации физиологической информации и диагностики состояния.

Исследование таких БТС необходимо для выработки требований к датчикам физиологических параметров, структуре технических средств, алгоритмам обработки биосигналов и получения диагностических показателей.

Медицинские БТС терапевтического типа описывают функциональные системы организма человека, являющиеся объектом приложения лечебного воздействия, и технические средства, с помощью которых происходит формирование воздействия и оценка лечебного эффект.

Исследование таких БТС позволяет сформировать требования к техническим средствам лечебного воздействия с точки зрения повышения эффективности лечебного воздействия. В таких системах рассматривается два контура адаптации: внутренний – эндогенный, образованный физиологическими системами организма, и внешний, определяемый техническими звеньями. Качество адаптации в системе существенно зависит от возможностей элементов технического звена, например, от способности слежения за состоянием пациента и формирования воздействия направленного на изменение состояния.

Эргатические БТС объединяют средства, решающие задачи управления сложными техническими объектами с помощью человека–оператора. Это авиационно-космические и другие транспортные системы, системы управления энергетическими установками с высоким риском принятия решений, телекоммуникационные, компьютерные системы.

Исследование эргатических БТС необходимо для формирования требований к человеку-оператору, требований согласования потоков информации поступающих от технических средств к живому организму, а также управляющих воздействий человека-оператора на технические средства.

БТС управления целостным организмом объединяют живые организмы и средства, служащие для формирования искусственной среды обитания (космические, глубоководные исследования), формирования направленного поведения у живых организмов (поведенческие реакции у животных, виртуальная реальность у человека).

Рассмотрим в качестве примера более подробно структуру скрининговой медицинской диагностической БТС, имеющей целевую функцию ранней диагностики предрасположенности обследуемых к возникновению сердечно-сосудистых заболеваний.

Реализация целевой функцией БТС осуществляется путем диагностики функциональных изменений в сердечно-сосудистой системе обследуемых и разграничения обследуемых по группам: «норма» (отсутствие диагностируемого состояния), «отклонение» (вероятное наличие состояния), «изменение» (наличие состояния).

Рис. 1. Структурно-функциональная схема скрининговой медицинской диагностической БТС

Диагностические методы данного вида БТС основаны на обработке данных, полученных в результате обследования пациента методами функциональной и клинической диагностики, включающими исследование реакции организма (в первую очередь сердечно-сосудистой системы) на провоцирующее тестовое воздействие (физиологическую пробу).

В соответствии с целевой функцией, являющейся системообразующим

фактором, БТС должна объединять следующие элементы:

· физиологические системы организма обследуемого, ответственные за формирование диагностируемого стояния;

· технические средства определения физиологических показателей, отражающих состояние сердечно-сосудистой системы;

· диагностические средства, реализующие решающие правила, определяемые целевой функцией системы;

· средства воздействия на обследуемого, необходимые для формирования функциональной пробы.

Взаимосвязь элементов БТС определяется целевой функцией системы. Для разграничения обследуемых на группы необходимо реализовать решающее правило диагностики на основе получения данных о пациенте (анамнез), определения физиологических показателей состояния сердечно-сосудистой системы путем регистрации, измерения и обработки данных на фоне проведения функциональных проб.

Рассматриваемая БТС может быть задана в терминах «вход-выход-состояние». В качестве внешних входных атрибутов системы можно выбрать воздействующие на обследуемого факторы среды: экологические условия, факторы риска заболевания (интенсивность курения, потребление алкоголя, избыточная масса тела и т.п.), возраст, пол и т.д. К выходным атрибутам системы можно отнести диагностический показатель, принимающий три значения: «норма», «отклонение», «патология». Собственными параметрами (атрибутами) системы являются физиологические показатели сердечно-сосудистой системы, а также параметры функциональной пробы.

В зависимости от области применения, рассматриваемая БТС может содержать одно биологическое звено – обследуемый, и три технических звена: устройство регистрации и обработки данных, устройство диагностики состояния обследуемого и устройство воздействия для формирования функциональной пробы.

БТС может включать два биологических звена (обследуемый и врач, проводящий диагностику состояния обследуемого) и два технических: устройство регистрации и обработки данных и устройство воздействия для формирования функциональной пробы.

2.ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БТС

В настоящее время известны многие виды медицинской техники, приборов и аппаратов. Всё многообразие образцов медицинской техники можно классифицировать по целевым задачам. В соответствии с такой классификацией выделяют четыре основных класса БТС (Рис. 1.):

1. Диагностические БТС. К данному классу относятся, например, рентгенографы, реокардиоргафы, томографы, УЗ-аппараты, электрокардиографы, электроэнцефалографы;

2. Терапевтические БТС (аппараты для аэроионотерапии, фототерапии, КВЧ-терапии);

3. Хирургические БТС (аппараты для ультразвуковой и лазерной хирургии);

4. Искусственные органы (протезы, искусственное сердце) и аппараты искусственного жизнеобеспечения (искусственные печень, почка, вентиляция легких).

Рис. 1. Классификация БТС

Классификация подсистем на уровне Тij проводится по методам, реализующим то или иное техническое устройство БТС. Так, например, подклассы Т11, Т21, Т31, Т41 БТС диагностики, терапии, хирургии и протезирования соответствуют физическим методам. Подклассы Т12, Т22 – химические методы диагностики и терапии. Подклассы Т32, Т42 включают механические способы хирургии и протезирования.

Помимо рассмотренной классификации существует официальный (министерский) общероссийский классификатор медицинской техники (Рис. 2.). Каталог медицинской техники, составленный в соответствии с этим классификатор включает более 12000 тысяч наименований.

Рис. 2. Официальный общероссийский классификатор медицинской техники.

Проектирование БТС разбивается на следующие основные этапы:

1. Определение целевого назначения и класса проектируемой БТС.

На основе детального анализа возможной области применения определяется, к какому из четырех вышеперечисленных классов относится создаваемая БТС. На данном этапе формулируется цель разработки и целевая функция БТС.

2. Создание базы данных о свойствах БО.

База данных создается на основе справочных материалов и, при необходимости, исследований биологического объекта.

Ввиду сложности биологического объекта часто оказывается практически невозможным дать качественное и, тем более, количественное описание биологического объекта как целостной системы. Для определения состояния биологического объекта используется описание отдельных подсистем.

Например, при общем обследовании пациента врач назначает анализ крови. По результатам такого анализа делается заключение о состоянии всего организма. Специальные методы диагностики основаны на фундаментальной взаимосвязи свойств и функций отдельных органов, тканей, клеток организма с состоянием гомеостаза организма

3. Анализ БО, выбор вектора состояния и метода количественного описания БО.

Состояние биологического объекта описывается вектором состояния. Чтобы достаточно полно описать такой биообъект, как организм человека, необходимо оперировать с вектором состояния, содержащем огромное число компонент (n~104). Совершенно ясно, что для решения конкретных задач анализа и синтеза БТС такое число характеристик, как правило, не требуется. Поэтому проводят минимизацию (редукцию) числа компонент вектора состояния.

На данном этапе рассматриваются лишь те свойства биологического объекта, которые необходимо регистрировать, исходя из целевого назначения данного типа БТС. После минимизации числа компонент вектора состояния практически используемое число m характеристик биообъекта существенно уменьшается: m<<n.

Например, при помощи телеметрической БТС (капсулы для исследования желудочно-кишечного тракта) производится контроль над тремя компонентами вектора состояния организма: давлением р, температурой Т, показателем кислотности рН.

4. Конструирование целевой функции.

Целевая функция определяет степень соответствия проектируемого медицинского изделия основным требованиям, предъявляемым к данному классу БТС: биоадекватность, критерии ошибок функционирования (например, точность измерения свойств биологического объекта), критерий оптимальности, как по техническим характеристикам, так и по стоимости (ресурсам).

5. Создание вербальной, физической и математической моделей БО.

6. Определение функции доза воздействия – эффект. Учет главного компонента биоадекватности БТС: минимальное вредное воздействие технического устройства на БО.

7. Регуляризация (проверка правильности) модели БТС.

8. Описание структуры и проектирование БТС.

3.ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Медицинские диагностические БТС описывают физиологические системы организма, средства регистрации биомедицинских сигналов, средства определения диагностических показателей с целью получения наиболее полной информации о состоянии организма пациента.

Интеграция средств контроля физиологических данных с компьютерными информационными системами позволила создать эффективные средства функциональной диагностики, клинического лабораторного анализа, системы наблюдения за больными, ориентированные не только на врача, но и сестринский персонал.

Исследование медицинских диагностических БТС позволяет найти решение следующих задач:

1. Регистрация и представление в удобном для врача виде комплекса данных о физиологических системах организма (функциональная диагностика);

2. Получение изображений внутренних органов и тканей (медицинские изображения);

3. Мониторинг жизненно важных физиологических показателей в реальном времени (анестезиология, реаниматология, интенсивная терапия);

4. Анализ изменений физиологических показателей в течение долгого времени (мониторирование ЭКГ, АД, глюкозы и т.п.);

5. Диагностика состояния организма пациента на основе обработки физиологических показателей, данных клинических лабораторных анализов, медицинских изображений (автоматизированная диагностика).

Функциональная диагностика – группа специальных методов, используемых для оценки функциональных возможностей человека, то есть его способностей связанных с его взаимодействием с окружающей среды. Основным приемом является сопоставление состояния функции организма в условиях минимуму предъявляемых требований с состоянием в условиях предъявления повышенных требований или нагрузки.

В свою структуру диагностические БТС могут включать ряд терминалов для сбора и предварительной обработки данных и центральный модуль, находящийся на центральном посту наблюдения. На рисунке показано: ИП – измерительный преобразователь; УПО – устройство первичной обработки данных и сигналов; К – контроллер; УОИ – устройство отображения информации; МИ – медицинские изображения; КЛ – клинические данные; МИС – медицинская информационная система; РМВ – рабочее место врача; ТМ – телемедицинский модуль; Арх – архивные данные.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема медицинской диагностической БТС

К особому классу диагностических систем можно отнести системы и комплексы для биомедицинского мониторинга. По области использования мониторы можно классифицировать на анестезиологические, вентиляционные и прикроватные.

В качестве прикроватных мониторов могут быть использованы приборы регистрации, обработки и отображения информации, выполненные по модульному принципу: каждый модуль регистрирует параметры одного физиологического процесса, например:

· модуль ЭКГ: обеспечивает наблюдение ЭКГ в нескольких отведениях, измерение частоты сердечных сокращений, контроль аритмий, контурный анализ кривой (выявление экстрасистол и их классификацию, анализ сегмента ST и т.п.);

· модуль внешнего дыхания: обеспечивает наблюдение фотоплетизмограммы периферического пульса, показателей газов крови, SpO2, ETCO2, измерение частоты дыхания;

· модуль температуры: обеспечивает наблюдение за температурой в нескольких точках тела пациента;

· модуль гемодинамики: обеспечивает оценку неинвазивного измерения артериального давления крови, контроль параметров АД (значения систолического, диастолического, среднего давления), сердечного выброса, минутного объема кровообращения, периферического сопротивления и т.д.;

· модуль анализа выдыхаемых газов: контроль pCO2, pO2.

Анестезиологические мониторы по сравнению с прикроватными как правило дополнительно содержат канал инвазивного измерения АД, измерение содержания анестетиков в дыхательной смеси. Вентиляционные мониторы обеспечивают дополнительный контроль за параметрами гемодинамики и вентиляционными параметрами.

Большинство мониторов в независимости от своего типа обеспечивают отображение следующих физиологических кривых: электрокардиограмма, пневмограмма (графическое изображение дыхательных движений грудной клетки), электроэнцефалограммы, кривая АД.

Выбор структуры БТС определяется задачами, которые решаются при контроле состояния пациентов. Можно выделить три группы функций, которые могут рассматриваться в рамках анализа БТС:

1. Функции, ориентированные на пациента;

2. Функции, ориентированные на медицинский персонал;

3. Системно ориентированные функции.

К первой группе относится регистрация физиологических параметров, управление датчиками для адаптации к условиям регистрации. Ко второй группе относятся методы отображения информации и представления данных, дружественные интерфейсы. К третьей группе – предварительная обработка сигналов, передача информации в системе, запоминание, хранение, документирование данных.

Прикроватные мониторы используются для контроля состояния пациента у постели больного и могут содержать различные модули в зависимости от профиля отделения. Данные прикроватных мониторов могут поступать в единую информационную систему клиники.

Прикроватные мониторы и центр сбора данных образуют пользовательскую сеть. Современный подход в организации сети заключается во введении стандарта данных обмена, при которых приборы соединяются в сеть по двухпроводному кабелю. Такая система получила название «гибкого» мониторинга, т.к. позволяет произвольно наращивать количество приборов у постели больного, а также выводить на дисплей данные любого пациента.

Ценность системы мониторинга для клинической практики заключается в следующем:

1. Высокая точность и объективность получаемой информации.

2. Слежение за физиологическими процессами в реальном масштабе времени, определяемое быстродействием регистрации и обработки информации.

3. Возможность одновременной обработки нескольких физиологических параметров и установление связи между ними, формирование на этой основе диагностических показателей.

4. Раннее выявление признаков нарушения регуляции в системах организма, прогностическая оценка состояния.

Клинические информационные системы дополнительно включают базу данных, базу знаний, средства управления базами данных. Терминалы клинических информационных систем могут быть специализированными: автоматизированное рабочее место (АРМ) врача по специальности, например, АРМ анестезиолога, обеспечивающее наблюдение за показателями состояния, ведение наркозной карты, выбор препаратов, расчет доз, скорости введения, и т.п.