Рассмотрение организма с позиций системного анализа: кибернетическая и метаболическая подсистемы. Методы управления состоянием живого организма в бтс.

БТС – это особый класс больших систем представляющая собой совокупность биологических и технических элементов связанных между собой в едином контуре управления.

С позиций системного анализа организм – это любая система обладающая собственными целями и способностями, т е ресурсами для их достижения, т е отличается целенаправленным действием. Не смотря на то, что организм состоит из множества разнородных элементов каждый из которых играет в жизненных процессах строго определенную роль. Взаимодействие основных с-м организма можно представить в обобщённом виде

В верхней части рисунка расположена кибернетическая система: рецепторы, представляют собой датчики сбора информации. Информационные сигналы поступающие на рецепторы и с них показаны пунктирной линией. Далее сигнал поступает на УС (управляющая система), в ней перерабатываются сигналы от рецепторов. При этом управляющие функции выполняют рефлексы, а у высших животных ЦНС. Реализуются поведенческие акты через эффекторы, к-рые включают в себя органы движения, звуковой сигнализации и др. формирующие поведение организма, сюда же входят органы оказывающие воздействие на внутреннюю среду организма. К ним относятся железу внутренней и внешней секреции. Действие эффекторов на рис. показано двойными стрелками. В результате различных изменений внешней и внутренней среды изменяются не только параметры кибернетической системы, но и меняется метаболизм организма. Метаболизм – это совокупность химических реакций протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм в-вом и энергией для его жизнедеятельности, роста и дальнейшего размножения. Вследствие этого организм рассматривается как двухкомпонентная система состоящая из кибернетической и метаболической подсистем.

Метаболическая подсистема представляет собой совокупность функционально и структурно связанных процессов преобразования химических веществ в клетках организма и их транспортировки. В метаболической подсистеме перемещаются и перерабатываются в-ва и энергия, к-рая обеспечивает функционирование управляющих компонентов организма. В метаболической системе выделяют процессы анаболизма и катаболизма. Анаболизм – это получение из простых в-в более сложных. Катаболизм – разложение. Управляющая с-ма определяет процессы метаболизма и скорость их протекания, сплошные линии направленные к МС и от неё показывают поступление в организм и выведение из него различных в-в. Эти процессы выполняются спец. физиологическими системами управляемыми спец. кибернетической системой.

К основным методам управления относят: энергетический, вещественный, информационный.

Энергетическое управление – это воздействие на БС или на её подсистему физических управляющий сигналов не изменяющих количества вещества БО. К ним относят электрическое и магнитное поля, тепловое, акустическое, радиационное, электромагнитное.

Вещественное упр-е – это воздействие на биосистему или её подсистему различными фармакологическими, гормональными, хим-ми и др агентами в тв., жидком или газообр-м состоянии, предусматривающее непрерывное изменение кол-ва в-ва содержащегося в организме.

Информационное – управление состоянием человека с помощью специально сформулированных потоков информации является наиболее эффективным, но наименее формализованным из всех методов управления.

Управление осуществляемое автоматически называют машинным управлением. Главную роль при таком управлении играет подсистема контроля за состоянием, которая содержит технические средства непосредственно сопряженные с организмом человека и предназначенные для временной или длительной компенсации утраченных функций или физиологических систем. Пример: система искусственного дыхания и кровообращения, оксигенаторы, протезы, искусственная почка, системы гемодиализа.

Бионический подход при синтезе БТС эргатического типа (БТС-Э), основные задачи поэтапного моделирования применительно к синтезу БТС-Э, уровни моделирования и принципы функционирования БТС-Э.

БТС-Э вкл-ет сис-мы в которых биол.звено представлено человеком-оператором, который выполняет раз.функции в замкнутом контуре управления технической системой.

Особенности БТС-Э: 1. Человек-оператор является целостным организмом; 2. Работа системы БТС-Э основана на том, что за состоянием оператора выполняющего различную работу осуществляется наблюдение, а по результатам этого наблюдения и эффективности выполненной работы ведется оценка функционирования всей системы. 3. Частью такой системы являются системы текущей диагностики состояния оператора.

Бионический подход при синтезе БТС-Э заключается в применении в качестве функциональной модели БТС модели нервной системы человека. Этот подход выражается в следующем:

1.при построении структурно-функциональных схем используются принципы обработки основных информационных потоков периферическими системами Эти системы минимизируют объем информации и перекодируют ее форму в удобную для восприятия мозгом оператора.

2.Информация может перераспределяться по различным сенсорным системам.

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

4.В основу адаптивных программ - технических органов восприятия информации закладывается результат бионического исследования, который проводится сенсорными системами человека.

5.При синтезе эффекторных подсистем реализуется бионический процесс деятельности человека. При этом сам человек рассматривается как управляющее звено.

6.Для установления связи между режимами функционирования воспринимающих систем и состоянием организма оператора исследуются психофизиологические зависимости.

7.Используются свойственные живым организмам принцип качественных оценок ситуации и последующее уточнение их с помощью измерений и сравнение их с заданным порогом.

Вводится специальных контур нормализации состояния оператора, которое управляется с помощью текущей диагностики состояния и психофизиологических оценок

В процессе анализа и синтеза БТС-Э процесс моделирования проводится на 4х уровнях:

1. Моделирование на тканевом уровне (мод-ние процесса метоболизма при опред-х энергозатратах оргпнизма чела)

2. На органном уровне (при использовании органов восприятия для наилучшего их сопряжения с тех-ми эл-ми)

3. На организменном уровне (при иссл-ии повед-ния оператора в процессе управления динам-м объектом.)

4. популяционное моделирование.

Основные задачи поэтапного моделирования являются:

1.согласование характеристик управляемого процесса соответствующими показателями организма человека – оператора как управляющего звена системы

2.согласование потоков информации, поступающих к оператору от технических элементов системы и пропускной способности оператора, позволяющих ему нормально функционировать в заданном режиме.

3.разработка требований к психофизиологическому портрету оператора, сравнения его на моделирующем комплексе с портретом реального оператора и выдача рекомендаций по согласованию характеристик оператора и машины.

4.комплексное моделирование ситуации с использованием реального оператора (модельное испытание).

5.корректировка структуры системы и технических характеристик ее элементов.

6.разработка рекомендаций по профессиональному отбору, обучению и тренировки операторов для работы с системами заданного типа.

Принципы функционирования БТС –Э

Суперадаптивность, т.е. наличие 2-х контуров адаптации: внешнего и внутреннего.

Внешний контур обеспечивает возможность выполнять свою целевую функцию в условиях переменных воздействий внешних факторов.

Внутренний контур позволяет элементам БТС взаимоадаптироваться к изменению состояния друг друга, вызванного воздействием как внешних так и внутренних факторов.

Адаптивная БТС эргатического типа: основные контуры управления и составляющие их элементы, внутренняя и внешняя адаптивность, функционирование адаптивной БТС-Э, логические фильтры-преобразователи в информационных и управляющих цепях БТС.

Адаптивность – способность системы приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды, самой оптимизировать свое поведение и структуру в условиях воздействия случайноизменяющихся факторов.

В основу их синтеза положен бионический подход.

Блок схема адаптивной системы: 1- основной контур управления в кот-м осущ-ся внеш-я адаптация; 2 - это контур управления адаптацией технических элементов к состоянию оператора (контур внутренней адаптации); 3 - контур управления нормализацией состояния оператора; 4- контур адаптивного изменения передаточных характеристик системы и психофизиологических параметров оператора.

Внутренней адаптивностью БТС – Э обладает благодаря наличию контура управления адаптациями технических элементов и состоянием оператора (2 контур). В данном случае возможна фильтрация и преобразование входной технической информации для ее оптимального согласования с сенсорными биологическими системами оператора. При необходимости нормализации состояния оператора путем вещественного, энергетического или информационного управления реализуется специальная программа, заложенная в контур управления нормализацией состояния (3 контур). 1 контур обеспечивает способность БТС-Э к внешней адаптации при возможных изменениях задачи, ставившейся перед оператором и условий ее управления. Характеристики технической части системы и психофизиологические параметры оператора сравниваются с установленными предельными значениями и фиксируют их адаптивное изменение с использованием контура 4.

В БТС-Э ЛФП выполняют роль блока согласования органов человека и внешней среды. ЛФП 1 - это информационный ЛФП, который может работать в 3 режимах.

1 режим – режим реализации жестких программ, как преобразователь информации, поступающей с технических устройств в форму, наиболее удобную для восприятия рецепторов оператора. Кроме преобразования они осуществляют и фильтрацию информации, защищая мозг оператора от потока избыточной информации.

2 режим: ЛФП могут работать в режиме нескольких жестких программ, выбор и переключение которых осуществляет метосистема по результатам анализа ситуации и анализа состояния оператора.

3 режим: могут действовать в режиме адаптации к изменениям состояния оператора, а кроме этого к изменению характера его деятельности.

ЛФП 2 – управляющий ЛФП, предназначенный для адаптивного изменения передаточных характеристик систем и ее функций в зависимости от ситуации и психофизиологического состояния оператора. Адекватность функционирования ЛФП2 обеспечивается его постоянной адаптацией к психофизиологическому состоянию оператора, которое оценивается автоматически метосистемой и которая осуществляет управление режимами работы ЛФП2. Метасистема производит классификацию ситуаций и осуществляет автоматический контроль за деятельностью оператора и принимаемыми им решениями. В случае, если оператор принял неправильное решение, метасистема через ЛФП2 включает соответствующую индикацию и запрещает реализацию ошибочного решения.

В случае потери оператором трудоспособности метасистема осуществляет мероприятия по нормализации состояния оператора.

13 Исследовательские БТС-М, структурная схема и функционирование. Медленно изменяющиеся и быстро изменяющиеся физиологические процессы в живом организме. Особенности их преобразования, отображения и регистрации.

Для современных диагностических медицинских и исследовательских БТС характерна следующая структурная схема Вся медико-биологическая информация о медленно изменяющихся процессах в организме поступает в виде электрических сигналов от датчиков преобразователей первичной информации (ДПИ МИП). которые усиливаются в блоке усиления (БУ) и преобразуются в цифровую форму в блоке преобразования (БП) обычно в двоично-десятичный код для ввода в автоматический анализатор состоянии (ААС), а также для регистрации (БР) и демонстрации на специальном табло илн экране

дисплея системы отображения информации (СОИ)

Измерительные каналы быстро изменяющихся процессов отличаются от каналов для медленных процессов наличием блоков сжатия информации (БСИ) и блоков выделения информативных признаков (БВИП), Эти блоки в современных БТС реализуются на микропроцессорах с соответствующими жесткими программами или на специальных вычислителях.

Рис структурная схема измерительно-информационной МТС-М

Информационные биотехнические системы, в которых осуществляется только параметрический контроль без комплексной обработки данных не имеют блока автомат. Анализа состоян. На рис. БТС позв. Проводить текущую диагностику состояний организма в реальном масштабе времени с помощью комплексной обработки данных медленно и быстро меняющихся пр-в. в блоке автоматич. анализатора состояний, представл. собой микропроц, или мини-машину. На СОИ высвеч. аналоговая форма сигнала быстрых пр-в и цифровая или уровневая медленных.

Врач (В) или исследователь могут через дисплей обратиться в н блок долговременной (ДП) или оперативной памяти (ОП) где, хранятся архивные или оперативно регистрируемые данные. Информация. поступающая к врачу, который также является элементом БТС-М, должна быть достаточно полной для построения концептуальной модели состояния пациента (П) и принятия решения о методе лечения и выборе лечебных средств (ЛС)

Это требование является решающим для построения математ. модели пространства состояний н состава днагностнч. Признаков, а также разработки алгоритмов обработки ннформ. в блоках выделения информативных признаков и автома. анализа состояний. Средства отображения и др. элементы БТС-М, с которыми непосредст. соприк. врач, должны также отвечать основным принципам синтеза БТС

подобные БТС, применяются не только в медицинских лечебных учреждениях, но также используются о качестве подсистем для измерения и регистрации динамики изменения психофизиологических сост. организма оператора, находящегося в экстремальных усл.

Быстро изменяющиеся физиологические процессы – это главным образом электрофизиологические процессы, характеризуемые изменением электрических потенциалов на поверхности кожи или на отдельных локальных участках организма под кожей. Частотный диапазон БИП ограничен частотами 0,1 – 1000 Гц. Примерами могут служить электрокардиограмма, Электроэнцефалограмма, электромиограмма. Медленно изменяющиеся физиологические процессы – процессы, частота изменения которых ниже 1 Гц, а мгновенные значения могут быть выражены цифрой. Примером могут служить температура тела, частота дыхания, ЧСС.