Попечителев Е.П. Кореневский Н.А. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника: Теория и проектирование

Подождите немного. Документ загружается.

0 5?

I ВИОМЕДИЦИПСКЛЯ ТЕХНИКА

Е.П. ПОПЕЧИТЕЛИ

НА КОРЕНЕВСКИЙ

•ива

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ

ФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ

МЕДИЦИНСКАЯ

ТЕХНИКА

ВЫСШАЯ ШКОЛА

Е.П. ПОПЕЧИТЕЛЕВ

НА КОРЕНЕВСКИЙ

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ

ФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ

МЕДИЦИНСКАЯ

ТЕХНИКА

Под редакцией

профессора Е.

П.

Попечителева

Допущено Советом

учебно-методического объединения

Российской Федерации по образованию

в области радиотехники, электроники,

биомедицинской техники и автоматизации

в качестве учебного пособия для студентов,

обучающихся по специальностям

направления «Биомедицинская техника»

Москва

«Высшая школа» 2002

УДК 615.478

ЬЬК 34.7

П 57

ISBN 5-06-004054-2 © ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2002

Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа»,

и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства

запрещено.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Невозможно назвать хотя бы одну отрасль экспериментальной, ле-

чебной или профилактической медицины, которая могла бы рассчиты-

вать даже на малый успех без применения электронной медицинской ап-

паратуры. Инструментальные методы нашли широкое применение в кли-

нических и амбулаторных условиях, в курортно-санаторной практике и

центрах реабилитации, в оздоровительно-восстановительных и спортив-

ных центрах. Без специального методического и технического обеспече-

ния невозможны космические и подводные исследования, эргономиче-

ская и инженерно-психологическая экспертиза автоматизированных

комплексов «человек-техника», связанная с текущей диагностикой со-

стояния человека-оператора и определением степени напряженности его

труда. Системы контроля состояния работающего человека проникли и в

сферу производства, где позволяют контролировать уровень работоспо-

собности и утомления, правильно организовать режим труда и отдыха,

разработать рекомендации по безопасным приемам выполнения произ-

водственных функций, то есть способствуют повышению производите-

льности труда

сохранением высокой работоспособности трудящегося.

Среди многих задач медицинского обслуживания первое место зани-

мают задачи медицинского контроля за состоянием человека, диагности-

ки этого состояния с целью определения уровня здоровья, своевременно-

го выявления патологических изменений и наличия инфекций, генетиче-

ской или приобретенной предрасположенности к патологиям, прогнози-

рования развития патологических процессов и реабилитации человека в

процессе выздоровления. Медицинская практика предоставляет для ре-

шения этой задачи огромное количество разнообразных методик, доста-

точно обеспеченных на сегодня необходимым оборудованием (приспо-

соблениями, приборами, комплексами и системами, снабженными мето-

дическими рекомендациями по использованию) и расходными материа-

лами, позволяющими быстро

эффективно ее решать. Однако появление

новых технологий производства электронной техники и новой элемент-

ной базы, более совершенных методик диагностики, в том числе и усо-

вершенствованных, хорошо известных и зарекомендовавших себя на

практике, способствуют сохранению интереса

проблеме разработки но-

вых медицинских диагностических приборов и систем. Особенно важ-

ным это становится

связи с притоком

эту область огромной армии спе-

циалистов из других областей электроники, хорошо владеющих метода-

ми проектирования электронной аппаратуры, но не ощущающих специ-

фических особенностей разработки такой аппаратуры для медицинских

применений. Расширение сферы применения электронной медицинской

аппаратуры, работа на стыке медицины и техники привлекают к этой об-

ласти техники и молодежь, которая нуждается в современных руководст-

вах для изучения принципов

ее

построения

методик проектирования.

Проблема создания современного электронного прибора

или

системы

для медицинских исследований носит многоплановый характер и имеет

несколько аспектов, каждый из которых может существенно повлиять на

технические характеристики и конструктивные решения, применяемые

разработчиком. Эти аспекты связаны с биологическим обоснованием ме-

тода (например, влияние измерительного преобразователя на исследуе-

мые физиологические процессы, наличие специфических погрешностей

и др.),

методикой его применения (например, подготовка объекта к экспе-

рименту, условия, в которых должен проводиться эксперимент), приема-

ми его технической реализации (например, контактный или неконтакт-

ный съем информации, наличие гальванической развязки, учет взаимо-

влияния измерительных преобразователей и

т.

п.), методами математиче-

ской обработки биосигналов (например, анализ формы сигналов,

статистическая обработка результатов, вычисление комплексных показа-

телей и т. п.) и инженерно-техническими приемами, определяющими

конструктивное и эргономическое оформление прибора (или системы).

Трудно вообразить себе содержание одного руководства, которое ох-

ватывало бы вопросы проектирования по всем разделам современной ме-

дицинской электронной техники. В медицинской технике сегодня пред-

ставлены все виды технических средств — от относительно простых ме-

ханических приборов до сложнейших комплексов, использующих зако-

ны

ядерной физики

достижения квантовой электроники. И практически

во все приборы и комплексы включаются электронные узлы — измерите-

льные преобразователи, усилители, устройства обработки и преобразова-

ния сигналов, устройства отображения информации

хранения результа-

тов исследований. Иногда возникает представление о том, что достаточ-

но сформулировать техническое задание на соответствующий электрон-

ный узел, чтобы специалист из области электроники мог бы его

разработать в соответствии с современными возможностями электрони-

ки. Однако опыт проведения разработок электронных приборов для ме-

дицинских применений показывает, что как для формулировки техниче-

ского задания на медицинский прибор или систему, так

для непосредст-

венного проектирования этих устройств необходима подготовка

в обла-

сти электроники, и в области медицинского применения будущего

устройства. Только владение обеими областями знаний позволяет надея-

ться на проведение необходимой для медицины разработки. А для этого

необходимы специальные учебные пособия и руководства, рассматрива-

ющие проблемы проектирования электронной техники с обеих позиций.

Специалисты, а в особенности студенты соответствующих инженер-

ных специальностей всегда испытывают недостаток в технической лите-

ратуре, в которой методически последовательно и комплексно излага-

лись бы эти вопросы. Часто в качестве учебных пособий рекомендуются

издания монографического характера, в которых излагаются, как прави-

ло, результаты исследований и разработок, выполненных под руководст-

вом авторов в том или ином частном направлении медицинской элект-

ронной техники. В них представляются материалы в форме, рассчитан-

ной на подготовленного специалиста,

что

затрудняет их применение

ка-

честве практических руководств по проектированию. Они, как правило,

не

содержат систематизированного изложения основ проектирования со-

ответствующего вида медицинской техники, и поэтому их трудно испо-

льзовать в качестве пособий, особенно на этапе обучения. В вузах России

выпущено несколько десятков учебных пособий по проектированию не-

которых видов электронной медицинской техники (см., например, список

литературы в конце книги). Однако эти издания уже малодоступны для

широкого круга обучающихся в связи с давним сроком их опубликова-

ния. Кроме

того,

технические возможности изменяются значительно бы-

стрее, чем обновляется техническая литература, поэтому многие сведе-

ния

из

этих изданий уже являются достоянием истории развития данного

направления техники, а не предметом изучения.

Есть и еще одна сложность в подготовке учебной и справочной лите-

ратуры по вопросам проектирования медицинской электронной техники.

Далеко не все проблемы, связанные с ее проектированием, разработаны

до такой степени, чтобы их можно было бы изложить в учебниках или

учебных пособиях. Здесь еще предстоит большая работа многих исследо-

вателей и преподавателей вузов по разработке методически грамотных

подходов к изложению всех проблем.

Отмеченные выше проблемы заставляют осторожно подходить к вы-

бору того класса техники, на примере изложения вопросов проектирова-

ния которой

можно было

бы сформировать представление

тех затрудне-

ниях, которые проявляются при проектировании медицинской электрон-

ной техники. Авторы остановили свой выбор

на

двух классах физиологи-

ческой аппаратуры — технические средства для электрофизиологи-

ческих и фотометрических исследований. Анализ парка медицинской

техники показывает, что аппаратура этих классов составляет более 60%

объема выпускаемой продукции. И для этого есть вполне ясные обосно-

вания.

В электрофизиологических исследованиях диагностическая инфор-

мация содержится

биоэлектрических сигналах, снимаемых

различных

участков подкожных покровов или с поверхности кожи. Прежде всего

речь идет об электрической активности сердца, электрическом поле го-

ловного мозга, электрических потенциалах скелетных, глазодвигатель-

ных и сосудоуправляющих мышц и так называемых кожно-гальваниче-

ских реакциях. Именно эти важнейшие электрофизиологические процес-

сы

требуют самого пристального изучения и создания электронной аппа-

ратуры для их анализа.

Особую актуальность приобретает разработка аппаратуры для изме-

рения и обработки электрокардиосигнала, который является основным

показателем для профилактического и лечебного контроля за сосуди-

сто-сердечными заболеваниями. При исследованиях нарушений мозгово-

го кровообращения, связанных с черепно-мозговыми травмами, пере-

утомлением, психическими расстройствами и другими факторами, боль-

шое значение приобретает регистрация и анализ электроэнцефалографи-

ческих сигналов, характеризующих биоэлектрическую активность

различных участков головного мозга. Для исследований функций зрения,

способности человека выполнять профессиональные обязанности, свя-

занные с большой нагрузкой на зрительный анализатор, выявления забо-

леваний глаз и нарушений зрительно-моторных функций важное место

занимают методы исследования биопотенциалов глазодвигательных

мышц. Работа скелетно-мышечного аппарата человека определяет его

осанку, способность выполнения двигательных функций, возможность

подключения при необходимости биоуправляемого протеза и многие

другие важные

функции,

.поэтому так высока роль электромиографиче-

ских исследований. Следует также подчеркнуть роль изучения кожно-

гальванических реакций как показателя эмоционального состояния чело-

века.

Не менее важное значение имеют для физиологических исследований

и фотометрические приборы и системы — фотометры. Практически не-

возможно найти области и направления в науке и технике, в которых не

нашли бы применения фотометрические методы исследований, основан-

ные на изучении закономерностей взаимодействия различных природ-

ных сред с электромагнитным излучением оптического диапазона спект-

ра. Здесь привлекают простота методик применения, высокая точность и

воспроизводимость измерений, быстродействие и надежность получае-

мых результатов. Эти достоинства фотометрических методов позволили

им

занять одно

из

ведущих мест

медицинских

биологических исследо-

ваниях при изучении свойств биологических объектов, весьма разнооб-

разных по физическим и физико-химическим свойствам. Широкое поле

для применения нашли фотометры в клинической и поликлинической

практике при профилактике заболеваний и диагностике, контроле ряда

важнейших функций организма человека (анализ работы системы цент-

рального

периферического кровообращения, дыхания, газового состава

крови

и т.

п.). Измерение параметров кровообращения (величина и часто-

та

объемного пульса, давление крови

др.) и характеристик микроцирку-

ляции крови, определение концентрации связанного углекислого газа и

степени насыщения крови кислородом, оценка сосудистых реакций в об-

менных процессах — далеко не полный перечень задач, при решении ко-

торых эффективны фотометры. При этом несомненным достоинством

фотометрических методов является возможность проведения исследова-

ний неконтактным способом, что важно при определении медико-биоло-

гических показателей жизнедеятельности без нарушения целостности ор-

ганизма человека. С их помощью легко решаются также задачи контроля

ча средой обитания человека, качеством продуктов питания, воды и дру-

гих напитков.

Широкий спектр задач, решаемых с помощью физиологической аппа-

ратуры этих двух классов, не позволяет разработчикам пользоваться уни-

версальными решениями. В то же время схемотехнический синтез от-

дельных электронных узлов может выполняться на единой элементной

базе с использованием общих принципов проектирования. Более принци-

пиальными можно считать вопросы проектирования блоков, осуществля-

ющих взаимодействие с исследуемым биологическим объектом. Для вы-

бранного класса медицинской техники это электроды и электродные сис-

темы — для электрофизиологической аппаратуры — и оптико-электри-

ческие измерительные преобразователи — для фотометрических уст-

ройств.

Как уже было отмечено, любой медицинский прибор или аппарат,

техническая система или комплекс должны проектироваться с учетом ме-

дицинской задачи, для решения которой они разрабатываются. Для этого

они должны рассматриваться как элементы некоторой более сложной

технической системы «пациент-прибор-врач». При ее проектировании

необходимо учитывать присутствие двух биологических объектов, нахо-

дящихся в определенном взаимодействии, от правильной организации

которого,

конечном счете, зависит решение поставленной медицинской

чадачи. Это обстоятельство заставляет искать более общие подходы к

проектированию технических средств, предназначенных для использова-

ния

этих системах. В качестве такого подхода выступает теория синтеза

биотехнических систем (БТС), основные положения которой были сфор-

мулированы академиком В.М. Ахутиным в 1975 г. За прошедший период

эта теория развилась в самостоятельное направление научных исследова-

ний, имеет своих последователей, к числу которых относят себя и авторы

данной книги. Бионический подход, развиваемый в теории БТС, позволя-

ет распространить на метод проектирования медицинской электронной

техники два основных принцип^ синтеза систем этого класса—принцип

адекватности и принцип идентификации информационной среды.

В соответствии с первым принципом необходимо обеспечить такое

сочленение элементов прибора (для выбранных классов техники, прежде

всего электродов

оптико-электрических измерительных преобразовате-

лей) с живым организмом, которые не искажали бы исследуемые показа-

тели жизнедеятельности. Принцип идентификации информационной

среды при проектировании диагностических систем выдвигает требова-

ния по минимизации числа диагностических признаков, описывающих

состояние пациента, с одной стороны, а с другой — концептуальная мо-

дель состояния пациента, формируемая на основе показаний приборов,

должна быть достаточной для принятия решений при проведении лечеб-

ных мероприятий. Кроме того, представление диагностической информа-

ции человеку, формирующему диагностические заключения, должно

учитывать особенности зрительного восприятия и способы формирова-

ния концептуальных заключений человеком. Эта позиция

не

является но-

вой и уже использовалась при подготовке учебных пособий по проекти-

рованию электронной медицинской техники (см., например, [1]).

Изложенные выше соображения определили структуру распределе-

ния основного материала книги. В первой главе прежде всего обращается

внимание на трудности проведения исследований живого организма, да-

ется краткая характеристика биологического объекта как объекта иссле-

дований и системы методов проведения этих исследований. Определяет-

ся место электрофизиологических и фотометрических методов среди

других методических подходов к исследованию организма. Особенности

применения выбранных групп методов анализируются во второй и чет-

вертой главах.

Во второй главе излагаются основные подходы к проведению элект-

рофизиологических исследований. При

этом,

в отличие от общепринятой

точки зрения,

эту группу вместе с методами регистрации биоэлектриче-

ской активности органов

систем организма включены методы физиоло-

гических исследований, основанные на изучении пассивных электриче-

ских свойств биотканей. На наш взгляд, проблемы проектирования тех-

нических средств, обеспечивающих все эти методы, близки и имеют об-

щую методическую основу — включение в их структуру биологического

объекта через систему электродов. В этой главе рассмотрены системы от-

ведений для наиболее распространенных методов из этой группы и диа-

гностические показатели, регистрируемые электрофизиологическими

методами.

В третьей главе приводится классификация электродов и электро-

дных систем, анализируются эквивалентные схемы кожно-электродного

контакта и источники методических погрешностей, возникающих при

подключении электродов к биообъектам, обсуждается проблема метро-

логического обеспечения электрофизиологических исследований.

Рассмотрению основных методов оценки оптических свойств биоло-

гических сред посвящена четвертая глава. Анализируются особенности

проведения фотометрических исследований в медико-биологической

практике, дана характеристика основных методов

приведены варианты

их применения при решении клинико-диагностических задач с учетом

особенностей кожных и слизистых покровов организма, с которыми кон-

тактирует фотометрический прибор при выполнении физиологических

исследований.

Во вторую часть книги включены материалы

по

разработке устройств

сопряжения технических средств с биологическим объектом. В пятой

главе рассмотрены целевые функции и обобщенные структуры соответ-

ствующих

видов

медицинской техники. Далее

ней выделены четыре ча-

сти схемотехнического обеспечения: устройства сопряжения техниче-

ских средств с организмом, устройства первичной обработки электриче-

ских сигналов, передающих диагностическую информацию, устройства

автоматической обработки этой информации и устройства сопряжения

технических средств с компьютером или другими внешними технически-

ми средствами. При этом подчеркивается важнейшая роль устройств со-

пряжения с биологическим объектом для обеспечения высокой эффек-

тивности применения аппаратуры рассматриваемых видов в диагности-

ческом процессе. В шестой и седьмой главах подробно рассмотрены вы-

бор структуры устройств сопряжения для разных видов аппаратуры и

вопросы согласования их характеристик с параметрами и свойствами

биообЬекта. В эти главы включены материалы по новым перспективным

разработкам структур устройств сопряжения, выделены те проблемы, ко-

торые необходимо решать при их схемотехническом проектировании. В

восьмой главе рассматриваются общие вопросы проектирования

устройств первичной и вторичной обработки сигналов, а также способы

обеспечения требований по электробезопасности на этапе проектирова-

ния. Проводится отбор схемотехнической базы, необходимой для проек-

тирования технических средств, которые обеспечивают рассмотренные в

первом разделе методы физиологических исследований. Девятая глава

содержит материал по разработке основных узлов устройств первичной

обработки сигналов: линейным, нелинейным и функциональным преоб-

разователям, аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователям,

генераторам сигналов специальной формы. Здесь представлены каскады

усиления сигналов постоянного и переменного тока на операционных

усилителях (включая дифференциальные каскады усиления, которые ис-

пользуются во многих устройствах съема и обработки биоэлектрических

сигналов), суммирующие, интегрирующие и дифференцирующие усили-

тели, узлы фильтрации сигналов, сравнивагенцие устройства, аналоговые

ключи, перемножители и схемы деления, устройства выборки-хранения,

усилители-экспандеры и другие схемы, нашедшие применение в устрой-

ствах первичной обработки сигналов. В десятую главу включены матери-

алы по проектированию устройств автоматической обработки диагности-

ческой информации. Рассматриваются методы и алгоритмы обработки

электрофизиологических и фотометрических сигналов: методы синтеза

устройств автоматической обработки сигналов с использованием совре-

менной элементной базы, в частности микропроцессоров и микроконт-

роллеров. Отдельно (в одиннадцатой главе) рассмотрены методы и

устройства сопряжения биомедицинской техники (в частности, физиоло-

гической аппаратуры выбранных классов) со средствами вычислитель^

ной техники (ПЭВМ) для дальнейшей обработки и хранения.

В двенадцатой главе в качестве иллюстрации к содержанию книги

приведены некоторые примеры разработок данных классов медицинской

электронной техники.

Как следует из анализа содержания книги, девятый раздел содержит

материалы по проектированию ряда электронных узлов, методы расчета

которых хорошо известны и приводятся в специальных руководствах и

справочниках по проектированию электронных схем. Однако, как прави-

ло, эти справочники и руководства не содержат рекомендации по приме-

нению таких схем в электронных блоках электрофизиологической и фо-

тометрической аппаратуры. При изложении этих вопросов авторы широ-

ко пользуются известными изданиями, но при этом стремятся использо-

вать и результаты собственных исследований и разработок, а также

обращать внимание читателя на привязку тех или иных узлов по парамет-

рам к характеристикам процессов, в обработке которых они участвуют.

Кроме того, на

наш

взгляд, для разработчика медицинской техники важно

получить достаточно полное представление не только о методе исследо-

вания и структуре приборов и систем соответствующего назначения, но и

в рамках одного издания иметь представление о возможных реализациях

узлов этих структур и методах их проектирования.

Примеры, включенные в гл. 12, лишь иллюстрируют некоторые тех-

нические решения, которые можно получить при использовании матери-

алов данной книги.

Пользование данным изданием совсем не исключает изучение других

руководств по проектированию электронных узлов. Авторы надеются,

что оно поможет заинтересованному читателю более обоснованно подхо-

дить к выбору схемных решений, приведенных

других пособиях, с уче-

гом всего многообразия проблем, которые необходимо иметь в виду при

проектировании медицинской техники любого вида.

Авторы

не

претендуют на полноту изложения всех вопросов проекти-

рования медицинской техники рассматриваемых классов. Они лишь сде-

лали попытку объединения в одном издании материалов и сведений, не-

обходимых для проектирования электрофизиологической и фотометри-

ческой медицинской аппаратуры, которая не только имеет широкое рас-

пространение в медицинской практике, но

наиболее наглядно отражает

специфику проектирования электронных узлов медицинской техники

любого вида. Удалось ли нам справиться с поставленной задачей — су-

дить читателю и специалистам Высшей школы, которые, мы надеемся,

смогут использовать данное издание в своей работе. Мы надеемся также

па то,

что

эта книга сможет вызвать отклик и обсуждение проблем подго-

товки специалистов по медицинской технике

будет способствовать по-

явлению других, так необходимых сегодня, изданий учебной литературы,

н которых продолжится линия на выявление специфических сторон про-

цесса проектирования медицинской техники. Авторы будут признатель-

ны за критические замечания по содержанию книги, готовы обсудить

концептуальную сторону проблемы и учесть замечания при последую-

щих изданиях.

Нам приятно воспользоваться возможностью

поблагодарить рецен-

зентов за ценные замечания, которые авторы учли при доработке рукопи-

си,

также сотрудников кафедры биомедицинской электроники

охраны

среды Санкт-Петербургского государственного электротехнического

университета и кафедры биомедицинских и информационно-техниче-

ских автоматизированных систем Курского государственного техниче-

ского университета, беседы с которыми позволили авторам сформиро-

вать и изложить системную концепцию проектирования электронной ме-

дицинской техники, положенную в основу данной книги.

Авторы

Глава 1

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ

ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

1.1. БИОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ КАК ОБЪЕКТ

ИССЛЕДОВАНИЯ

При проведении биологических и медицинских исследований ис-

пользуется большой арсенал методов и технических средств, предназна-

ченных для измерения различных медико-биологических показателей, а

также для регистрации и анализа физиологических процессов, протекаю-

щих в организме. Результаты исследований представляются в виде набо-

ра чисел и графиков, отражающих состояние биологического объекта во

время проведения экспериментов. Остается, казалось

бы,

самое простое —

сопоставить эти наборы с возможными состояниями организма и диагно-

стическая задача будет решена. Однако эффективное использование из-

вестных методов и средств при изучении биологического объекта воз-

можно только при соответствующем методическом обеспечении, вклю-

чающем не только сами технические средства, но также приемы их под-

ключения к объекту исследования, обслуживания и работы с ними,

перечень навыков по регистрации, обработке и интерпретации результа-

тов.

Известно, что при исследовании биологического объекта ни один из

имеющихся методов изолированно, вне связи с другими, не может дать

исчерпывающих результатов при изучении многосторонних процессов и

явлений, присущих организму. При этом формирование набора конкрет-

ных методов исследования, выбор методик выполнения измерений зави-

сят от решаемой задачи, в качестве которой при медицинских исследова-

ниях могут быть изучение физиологических процессов, диагностика,

профилактика и лечение конкретных заболеваний, контроль и управле-

ние функциями организма, дозирование и нормировка терапевтических

воздействий и другие, а также от области и условий их применения. Раз-

личные методические приемы работы приходится использовать в услови-

ях поликлиник

амбулаторий, больниц и медицинских центров, во время

хирургических операций и в послеоперационный период, при выполне-

нии человеком работы в наземных условиях и в условиях космического

полета

и т. п.

Столь же разнообразна сфера биологических исследований,

методы и технические средства которых близки по принципам к меди-

цинским методам и средствам.

Изменчивость и индивидуальный разброс параметров биологических

объектов, их взаимосвязанность, нелинейность этих связей, наличие вы-

сокого уровня помех—все

это

делает задачу объективной оценки состоя-

ния биологического объекта очень сложной. Кроме того, процесс иссле-

дования биологического объекта сопровождается воздействием большо-

го числа трудно учитываемых внешних и внутренних факторов случай-

ной природы. Поэтому столь важной становится оценка соответствия

получаемых количественных и качественных характеристик действи-

тельному состоянию, и возрастает ответственность за объективность ре-

чультатов медико-биологических измерений, так как они определяют да-

льнейший

ход

исследований

диагностики, применение тех

или

иных те-

рапевтических или хирургических воздействий.

Для того чтобы разобраться в огромном объеме информации, посту-

пающей от исследуемого объекта, и сделать правильные заключения при

диагностике заболеваний, выборе лечебных мероприятий, решении во-

просов реабилитации, обеспечении условий поддержания жизнедеятель-

ности организма в экстремальных условиях, оценке профессиональной

пригодности к определенному виду деятельности, необходимо ясное по-

нимание особенностей биологического объекта как объекта исследова-

ний.

Обычно при изучении нового объекта исследователь стремится рас-

смотреть его с различных позиций, получить достаточно полное описа-

ние его параметров, свойств и характеристик поведения в разных услови-

ях существования и в конце концов построить некоторую модель, позво-

ляющую прогнозировать поведение объекта в известных и заранее неиз-

вестных ситуациях. Для этого используются методы исследования

конкретных наук и математический аппарат, позволяющий обобщить ре-

зультаты наблюдений и измерений. Вместе они предназначены для по-

строения так называемой концептуальной модели, соединяющей в одно

целое все представления, суждения об объекте. Точность прогноза пове-

дения по существу характеризует уровень знаний об объекте исследова-

ния.

Получение полного описания биологического объекта в настоящее

время невозможно. Прежде всего потому, что в качестве биологического

выступают различные объекты — живой организм и целая колония орга-

низмов, отдельный орган и группа органов, физиологическая система,

клетка

группа клеток и

т.

д. Современные биология и медицина

не

в со-

стоянии дать всю информацию о структуре и функционировании всех ви-

дов биологических объектов, необходимую для такого описания. Практи-

чески каждый день приносит все новые и новые представления о биоло-

гических объектах разной сложности, что «связано в немалой степени с

развитием новых методов

технических средств их исследования. Кроме

того, обобщение результатов исследований связано с преодолением зна-

чительных трудностей из-за несовершенства методов исследования и ма-

тематического аппарата, не приспособленного для изучения объектов по-

добной сложности.

связи

этим биологический объект должен характе-

ризоваться с более общих методологических позиций.

В качестве одной

из

таких позиций может выступать системный под-

ход, являющийся «методологией научного исследования и практическо-

го освоения сложноорганизованных объектов, при котором на первое

место ставится не анализ составных частей объекта как таковых, а его ха-

рактеристика как определенного целого, раскрытие механизмов, обеспе-

чивающих целостность объекта» [1]. Системный подход может быть ис-

пользован как при решении новых проблем, так и при изучении уже су-

ществующих объектов, в том числе созданных природой.

При изучении биологических объектов мы встречаемся с ситуацией,

когда имеется большой экспериментальный материал, характеризующий

поведение организма и его различные проявления в условиях изменяю-

щейся среды и при различных воздействиях. Рассмотрение организма с

позиций системного подхода может дать ясное представление о нем, как

об исторически возникшей, весьма сложноорганизованной и развиваю-

щейся системе, характеризующейся, как

всякая целостная система, сво-

ими специфическими особенностями.

Анализ особенностей устройства (морфологии) и функционирования

биологических систем выполнен во многих изданиях. Собранные в них

материалы позволяют сформулировать некоторые особенности этого

класса систем, требующие особого внимания со стороны исследователя

при проведении разного рода экспериментов с биологическими объекта-

ми. Основное внимание при этом будет уделено главному объекту меди-

цинских исследований — организму человека.

1.1.1. Морфологическая и функциональная

сложность биологического объекта

Живой организм необычайно сложен, включает множество систем с

разнообразными и подвижными связями и функциями, которые еще сла-

бо изучены и описаны в большей мере качественно. Проявления сложно-

сти многообразны и связаны с большим количеством возможных состоя-

ний. Для организма характерны качественная неоднородность, проявля-

ющаяся

том, что в рамках любой из его функциональных систем совме-

стно и слаженно работают разнообразные подсистемы с разными

постоянными времени (от долей секунд до нескольких

лет), в

разных про-

странственных масштабах (от единиц мкм до сотен см), с качественно

различными управляющими сигналами (биохимическими, физическими,

информационными) и принципами управления; способность к преднаст-

ройке и прогнозированию, накоплению опыта и формированию стерео-

типов

поведении; высокий уровень адаптации к изменяющимся услови-

ям и т. п.

1.1.2. Многообразие параметров, описывающих

процессы жизнедеятельности

Состояние биологической системы описывается набором физиологи-

ческих процессов и большим количеством разнообразных медико-биоло-

гических показателей («существенных переменных»), число которых

окончательно не установлено. Часть этих показателей может быть полу-

чена только с помощью сложных и продолжительных по времени иссле-

довательских процедур. Тем не менее для принятия диагностических за-

ключений необходимо провести анализ физиологических процессов и

получить оценки

по

крайней мере основных медико-биологических пока-

зателей. Однако знание этих показателей

еще не

гарантирует однозначно-

сти заключения.

Совокупность показателей определяет так называемый «функциона-

льный уровень организма» [1,2], соответствующий реальным условиям

его жизнедеятельности. Функциональный уровень поддерживается за

счЬт деятельности специализированных функциональных (физиологиче-

ских) систем, которые представляют собой объединение управляющих

(нервные центры), исполнительных (эффекторных) и чувствительных

(рецепторных) узлов. В состоянии физиологического покоя или слабых

воздействий каждая система работает по принципу «наименьшего взаи-

модействия», то есть функционирует так, чтобы

ее

воздействие на другие

системы было минимальным. В изменившихся условиях «существенные

переменные» организма автоматически устанавливаются на новых значе-

ниях, оптимальных для новых условий жизнедеятельности. Если воздей-

ствие снимается — показатели опять изменяются, но могут установиться

на

других величинах по сравнению с первоначальными. При этом обеспе-

чивается другой, чем прежде, «функциональный уровень», новое равно-

весное состояние, но оптимальное для данных внешних условий. Таким

образом, показатели неоднозначно определяют состояние системы —

при одних

тех же внешних условиях равновесие (норма) может обеспе-

чиваться при разных значениях определяющих параметров, а одни и те

же параметры могут соответствовать разным функциональным уров-

ням (!).

Обозначим через X ={х;}, i = 1,2,...,N

— конечное множество состоя-

ний организма человека, через Y = {yj}, j=l

2,...,NY— конечное множест-

во управляющих воздействий на организм, через Z = Z

; t=l ,2,...,N

; Z

={z,

}; k=l,2,...,N|

— множество физиологических процессов на времен-

ном интервале Л

к — номер процесса; через S= {s

}; n=l,2,...,N

— мно-

жество оценок состояний, которые строятся на основе информации, по-

лучаемой с помощью методов исследования. Предположим, что Z доста-

точно полно характеризует множество состояний организма X, то есть су-

ществует отображение fi: Z—»Х. Тогда задача синтеза оптимальной

совокупности методов исследования состояния организма сводится к по-

строению такого алгоритма получения и обработки данных о Z, соответ-

ствующего некоторому отображению f2: Z—»S, который обеспечивает

взаимную однозначность отображения

fj: X—>S.

Это отображение позво-

ляет решить и следующую задачу — выбор управляющих воздействий Y

при

условии однозначности отображения

£t

S—»Y.

Последнее отображе-

ние позволило бы определить оптимальный план лечения, приводящие

организм в заданное множество «нормальных» состояний. Такая форма-

лизация процесса исследования имеет большое значение для понимания

сложности изучения биологического объекта. Сложность описания ре-

альных множеств X и Z, о которой упоминалось выше, исключает дости-

жение взаимной однозначности отображения

а следовательно, и

U, со-

здавая трудности при выводе диагностических заключений и разрабо'Лсе

рекомендаций по лечебным процедурам.

1.1.3. Сложность измерения параметров

состояния организма

Большое число показателей, определяющих

Zt,

затрудняет (чаще иск-

лючает) возможность их одновременного фиксирования. Поэтому, вы-

полнив процедуру измерения, можно оценить лишь вероятность того или

иного состояния Xi е X.

При оценке информативности измеряемых параметров приходится

считаться с комплексом множества случайных или систематических фак-

торов (множество Y), постоянно и активно воздействующих на биообъ-

ект. Кроме того, для разных экземпляров биологических систем одного

типа характерен индивидуальный разброс параметров, отражающий ком-

пенсаторные влияния физиологических систем друг на

друга.

Их внутри-

групповая изменчивость приводит к необходимости фиксировать и ого-

варивать группу исследуемых объектов — вводить возрастные группы

для исследования одних и тех же.проявлений, а наличие большого числа

механизмов регуляции с разными постоянными времени регулирова-

ния — контролировать продолжительность эксперимента. Для получе-

ния достоверных результатов требуется собирать и обрабатывать огром-

ны ii статистический материал, получение которого связано со значитель-

ными затратами времени (некоторые биологические процессы соизмери-

мы с продолжительностью существования биологической системы) и

груда на исследование и обработку результатов.

1.1.4. Трудности контроля всех внутренних

и внешних факторов, оказывающих влияние

на состояний биологического объекта

При изучении биологических систем приходится считаться с непре-

рывно изменяющимся комплексом множества факторов Y, активно воз-

действующих на них или на их части. Точный учет самих факторов и ре-

зультатов их воздействия не представляется возможным. Невозможно

однозначно предсказать результат внешних управляющих воздействий.

Вероятностный характер поведения биообъекта в ответ на внешние

раздражители одной и той же модальности указывает на нестационар-

ность самих объектов. Кроме того, интерпретация получаемых результа-

тов затрудняется еще и потому, что разного рода патологические явле-

ния, возникающие в тех или иных системах организма (например, в орга-

нах и тканях человека), могут рефлекторно влиять на другие процессы, в

которых патология отсутствует, и искажать результат измерения. При

этом необходимо учитывать индивидуальность реакций, проявляющую-

ся в способности к адаптации и внутренней перестройке процессов функ-

ционирования в ответ на воздействие. Особую роль при исследовании

высших биологических систем (в частности, организма человека) играют

психофизические факторы, значительно искажающие результаты.

Исследования целесообразно проводить в условиях их реального су-

ществования, без ограничения подвижности. Однако закон поведения ор-

ганизма в большинстве случаев заранее не известен, что создает извест-

ные

трудности, например, при исследованиях поведения человека в усло-

виях производства, в космической медицине, физиологии труда и спорта.

Поэтому результаты, полученные в лабораторных условиях, далеко не

всегда соответствуют состоянию организма, в котором он пребывает

ре-

ал ьных условиях.

Большие трудности возникают при измерении параметров внутрен-

ней среды биологических систем без нарушения их целостности, без вне-

сения искажений в измеряемый параметр из-за нарушения физиологич-

ности эксперимента. Приходится применять особые методические прие-