ответы. ответы экз. Вопросы к экзамену бтсит понятие биотехнической системы, целевой функции, атрибутов и элементов системы
 Скачать 42.5 Kb.
|
|
Вопросы к экзамену БТСиТ Понятие биотехнической системы, целевой функции, атрибутов и элементов системы. Биотехническая система (БТС) представляет собой выделенные в единую систему, биологические и технические элементы (звенья), связанные между собой для выполнения заданной целевой функции. Целевую функцию можно рассматривать в качестве системообразующего фактора, выделяющего элементы в систему из всего многообразия рассматриваемых объектов и явлений, т.е. фактора производящего условное разграничение системы и среды. Количественную меру взаимодействия системы и среды характеризуют атрибуты системы. В качестве внешних атрибутов системы могут рассматриваться входные воздействия, параметры среды, выходные реакции системы. Система состоит из элементов (звеньев), под которыми понимаются некоторые функционально законченные единицы, характеризуемые рядом собственных атрибут, поддающихся измерению или оценке и характеризующих взаимодействие элементов системы. Система характеризуется структурой и поведением (функционированием). Под структурой понимается инвариантная во времени фиксация связей между элементами системы, в которой проявляются соотношения между ее атрибутами. Под поведением понимается действие системы во времени, характеризуемое изменением во времени ее атрибут. Характерные свойства биотехнических систем: эмерджентность, устойчивость. Определение сложности системы. Основной характеристикой системы является эмерджентность (англ. emergence – возникновение, появление нового), определяющая степень отличия свойств системы от свойств, входящих в нее элементов. Система обладает свойствами не присущими отдельным элементам системы. При реализации целевой функции системы проявляются ее свойства эмерджентности, так как эта функция может быть реализована только на основе взаимосвязи входящих в нее элементов. В качестве примера можно привести проявление эмерджентности медицинской диагностической БТС. Данная система может быть образована с целью раннего выявление заболеваний, ограничения распространения инфекций, сокращения расходов на лечение больных, и т.п. Системе, благодаря взаимосвязи элементов, присуще свойство диагностики заболевания и реализации Сложность системы определяется не только увеличением числа ее элементов и связей между ними, а в основном числом элементов, которым присущ акт принятия решения (выбор альтернатив). С увеличением сложности системы возрастает ее эмерджентность. Так, в медицинской диагностической БТС с увеличением числа определяемых физиологических показателей организма и разветвлением алгоритма принятия решения о диагнозах (увеличивается число альтернатив) растет количество диагностируемых состояний (возрастает эмерджентность системы). Сложным системам таким как, например, биосистемы, присуще целенаправленное поведение, т.е. способность системы достигать предпочтительного для нее состояния. Устойчивость характеризуется способностью системы противостоять внешним возмущающим воздействиям для самосохранения. Для простых технических систем устойчивость определяется прочностью конструкции, энергетическим балансом. В сложных системах устойчивость сохраняется путем непрерывной замены элементов. Такие процессы характерны для биологических систем. Если устойчивость простых физических систем уменьшается с ростом сложности, устойчивость биологических систем увеличивается. Достаточно для иллюстрации указать на феномен Ферстера, согласно которому распространенность клеток высших организмов на Земле превышает распространенность низших существ. Ферстер объяснял это устойчивостью сложных систем Классификация биотехнических систем по функциям, выполняемым биологическим объектом: медицинские БТС, эргатические БТС, БТС управления целостным организмом. 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. Эргатические БТС (гр. ergates – деятель) объединяют средства, решающие задачи управления сложными техническими объектами с помощью человека–оператора. Это авиационнокосмические и другие транспортные системы, системы управления энергетическими установками с высоким риском принятия решений, телекоммуникационные, компьютерные системы. Принципы формирования биотехнических систем: принцип адекватности взаимодействия, принцип единства информационной среды. 1.Принцип адекватности взаимодействия, реализация которого требует согласования основных параметров и характеристик биологических и технических звеньев БТС. 2.Принцип единства информационной среды, требующий согласования информационных потоков, циркулирующих между техническими и биологическими звеньями в афферентных и эфферентных направлениях. Примером реализации принципа адекватности может служить построение биоуправляемых имплантируемых электрокардиостимуляторов, в которых параметры воздействия определяются состоянием пациента (например, частота следования стимулов зависит от уровня физической нагрузки). Величина физической нагрузки, управляющая стимулами может определяться в диагностическом устройстве кардиостимулятора по результатам оценки температуры крови, частоты дыхания, интенсивности механических сотрясений тела. Реализация принципа единства информационной среды тре- бует единого подхода к методам регистрации медико- 25 + биологической информации, стандартов представления результатов обследований (ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, рентгеновских снимков и др.). Этапы формирования и исследования биотехнических систем: биологический этап (кибернетические и метаболические функции), этап согласования, технический этап. Первый этап формирования БТС – биологический. В соответствии с биотехнической проблемой формируется целевая функция системы определяются возможные биологические и технические звенья БТС. Составляется структурно-функциональная схема БТС. Проводится изучение физиологических процессов организма в условиях его взаимодействия с техническими звеньями системы. В результате, определяется задание биологического звена БТС и формируется его модель, в которой фигурируют атрибуты задания (входные, выходные переменные, показатели состояния, параметры управления и т.п.). -кибернетические функции, связанные с информационным взаимодействием со средой, выбором и реализацией адекватных форм поведения; -метаболические функции, связанные с энергетическим и субстратным обеспечением возникающих форм поведения Кибернетические функции организма включают в себя рецепцию внешней и внутренней среды (сенсорные органы, рецепторы внутренних органов), переработку информации и деятельность мозга (принятие решений, управление активностью), реализацию 37 форм поведения с помощью эффекторных систем (движение, речь), регуляцию внутренней среды организма (функциональные системы). Метаболические функции организма включают доставку из Среды субстратов, питательных веществ, окислителя (углеводы, белки с помощью желудочно-кишечного тракта; кислород с помощью дыхательной системы и кровообращения), получение энергии, синтез и преобразование веществ (биохимические процессы), выведение из организма продуктов жизнедеятельности (воды, углекислого газа). Второй этап исследования БТС – этап согласования. На этом этапе формируется модель технического звена БТС. Составляется модель БТС в целом. Исследуются процессы взаимодействия звеньев на основе выполнения принципов адекватности и единства информационной среды БТС. Происходит итерационная отработка модели с целью оптимизации параметров по выбранным критериям эффективности. Третий этап исследования БТС – технический. На данном этапе разрабатываются макеты и экспериментальные образцы технических средств, проводятся полунатурные и натурные испытания. В результате определяются технические характеристики элементов системы, необходимые для разработки опытных образцов аппаратных средств, составляются медико-технические требования на опытно-конструкторские работы (ОКР). Основные функциональные характеристики биотехнических систем: эффективность, надежность, качество управления (на примере диагностической системы контроля внешнего дыхания человека). Эффективность диагностической системы будет определяться выбором физиологических параметров для оценки состояния системы внешнего дыхания. В качестве атрибутов для оценки показателя эффективности системы внешнего дыхания человека при действии физической нагрузки необходимо выбрать показатели, описывающие параметры результата и затраты на его достижение. Атрибуты системы должны быть доступны для измерения с помощью распространенных неинвазивных методик. Надежность в БТС невозможно оценить, так как это делается в технике. Это связано с тем, что биологические объекты представляют собой сложные системы, характеризующиеся иерархической разветвленной структурой, избыточностью, поддерживаемой непрерывным воспроизведением элементов. Что касается технических звеньев БТС, то здесь используются традиционные подходы. В нормальных условиях функционирования можно говорить лишь о снижении эффективности системы при отказе ее элементов. В качестве показателя, характеризующего надежность БТС, может быть выбрана величина относительного снижения эффективности: Качество управления в БТС характеризует процесс перехода системы из одного состояния в другое под действием внешних или внутренних факторов Описание медицинской диагностической системы с использованием теста с дозированной физической нагрузкой.  Рисунок 1.4 – Медицинская диагностическая система с использованием теста с дозированной физической нагрузкой Снижение толерантности к физической нагрузке свидетельствует о необходимости дальнейшего обследования пациента с целью установки точного диагноза и проведения лечения. Подобная диагностическая система может использоваться в режиме скрининга – «просеивания», т.е. массового обследования лиц с применением автоматизированных технических средств. В результате формируются по крайней мере три группы обследованных: с отсутствием диагностируемого состояния (Н-«норма»), в рассматриваемом случае – высокая толерантность, с вероятным наличием состояния (О-«отклонение») – средняя толерантность, с наличием состояния (П-«патология») – низкая толерантность. Задачей исследования данной системы будем считать отыскание правила работы диагностического блока, обеспечивающего выполнение целевой функции. Взаимосвязь элементов системы позволяет записать ее задание в терминах «вход-выход-состояние». Для диагностического блока входными данными будут результаты обследования, величина физической нагрузки, выходными данными – оценка толерантности к физической нагрузке, параметрами состояния – величина измеренных физиологических параметров Концепция гомеостаза. Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὁμοιος — одинаковый, подобный и στάσις — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды. Виды гомеостаза (генетический, структурный, иммунологический, системный). Различают следующие основные виды гомеостаза: 1. генетический; 2. структурный; 3. иммунологический; 4. системный - гомеостаз жидкой части внутренней среды (кровь, лимфа, тканевая жидкость). Генетический гомеостаз обусловлен геномным уровнем организации наследственного материала. Структурный гомеостаз - это постоянство морфологической организации на всех уровнях различных биологических систем. Системный гомеостаз - гомеостаз жидкой части внутренней среды организма определяет постоянство состава крови, лимфы, тканевой жидкости, Иммунные механизмы гомеостаза обеспечивают сохранение биологической индивидуальности, когда организм распознает «свое» и «чужое» и обеспечивает защиту от чужеродного агента. Механизм гомеостаза. Различают следующие основные виды гомеостаза: 1. генетический; 2. структурный; 3. иммунологический; 4. системный - гомеостаз жидкой части внутренней среды (кровь, лимфа, тканевая жидкость). Генетический гомеостаз обусловлен геномным уровнем организации наследственного материала. Молекула ДНК определяет генетическую стабильность клеток и организмов на протяжении всей жизни. Она хранит, реплицирует наследственную информацию и участвует в ее реализации в процессе транскрипции в реакциях матричного синтеза. ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей и отличается устойчивостью к внешним воздействиям. В процессе репликации и транскрипции, а также под действием эндогенных и экзогенных химических соединений и физических факторов могут происходить ошибки, нарушения структуры молекулы ДНК. В клетках под действием системы репарирующих ферментов (ДНК-полимеразы, редактирующей эндонуклеазы) происходит исправление ошибок репликации. Механизм репарации основан на наличии 2-х цепей, искажение последовательности нуклеотидов одной из них обнаруживается специфическими ферментами, затем соответствующий участок удаляется и заменяется новым, синтезированным на второй комплементарной цепи. Если количество повреждений остается высоким, в клетке блокируются процессы репликации, клетка не делится, т. е. не передает, возникшие изменения потомству. Т.о., набор ферментов репарации осуществляет осмотр ДНК, удаляя поврежденные участки, способствует поддержанию стабильности наследственного материала. Важным механизмом сохранения генетического гомеостаза является диплоидность соматических клеток у эукариот. Двойная генетическая программа подавляет фенотипическое проявление большинства рецессивных мутаций. В стабилизации генотипа важное значение имеют разные виды взаимодействия генов. Фактором защиты является триплетность генетического кода, что допускает минимальное число замен внутри триплета, ведущих к искажению информации, 64% замен 3-го нуклеотида не дает изменений смыслового значения. Явление экстракопирования генов, кодирующих жизненно важные макромолекулы, наличие десятков и сотен идентичных копий-генов рРНК, тРНК, гистоновых белков, мутационные изменения которых не ведут к катастрофическим последствиям, также является фактором защиты. Эти механизмы способствуют сохранению генетической стабильности, определяют высокую эволюционную пластичность популяций и адаптации к меняющимся факторам среды. Структурный гомеостаз - это постоянство морфологической организации на всех уровнях различных биологических систем. Таким образом, целесообразно выделить гомеостаз клетки, ткани, органа, системы органов, организма. Клетка - это элементарная единица, которой свойственна саморегуляция. Важное значение имеют мембранные структуры, через которые осуществляется рецепция, транспорт. Особенностью регуляции структурного гомеостаза является положительная обратная связь, когда гомеостаз нижележащих структур является основой их жизнедеятельности и обеспечивает морфологическое постоянство вышестоящих структур. Универсальным механизмом регуляции является физиологическая и репаративная регенерация. Иммунные механизмы гомеостаза обеспечивают сохранение биологической индивидуальности, когда организм распознает «свое» и «чужое» и обеспечивает защиту от чужеродного агента. Иммунитет понимается как способ защиты организма от чужеродных агентов, несущих в себе признаки генетически чужеродной информации. Чужеродную генетическую информацию чаще всего несут вещества - антигены-белки, мукополисахариды, нуклеиновые кислоты. В эволюции организмов постепенно сформировалось две формы иммунитета клеточный и гуморальный. У земноводных впервые произошло разделение лимфоцитов на клетки, ответственные за клеточные и гуморальные иммунные реакции, которые в дальнейшем совершенствовались. У человека и млекопитающих иммунная система, представленная лимфоидной тканью, имеет центральное (красный костный мозг и вилочковая железа) и периферическое (селезенка, лимфатические узлы) звено. Защитная реакция осуществляется лимфоцитами двух типов, образующимися в указанных органах. Т-лимфоциты, обеспечивают клеточный иммунитет, уничтожая чужеродные клетки и соматические клетки собственного организма, подвергшиеся мутациям. Различают три вида Т-лимфоцитов: киллеры, хелперы, супрессоры. Они определяют трансплантационный, противоопухолевый, противовирусный иммунитет. В-клетки участвуют в гуморальном иммунитете, выделяя антитела - иммуноглобулины, которые обладают специфической активностью против антигенов, оказывают агглютинирующее или лизирующее действие. Примерами нарушений иммунного гомеостаза служат аутоиммунные болезни (множественный склероз). Системный гомеостаз - гомеостаз жидкой части внутренней среды организма определяет постоянство состава крови, лимфы, тканевой жидкости, осмотического давления, общей концентрации электролитов и концентрации отдельных ионов, содержания в крови питательных веществ и т.д. Эти показатели даже при значительных изменениях условий внешней среды удерживаются на определенном уровне. Чувствительность тканей к изменениям внутренней среды организма различна. Так, нервная система особенно чувствительна к снижению содержания кислорода. Млекопитающие животные не переносят колебаний концентрации ионов Са2+, превышающие 30%. К этой форме гомеостаза применим кибернетический принцип регуляции, когда в системе имеется блок управления и рабочая часть, отвечающая на регулирующее воздействие управляющего блока. Регуляция осуществляется по принципу отрицательной обратной связи, путем тесного взаимодействия нервных и гуморальных механизмов. Математическое описание гомеостаза на примере системы управления транспортом кислорода. Гомеостатические кривые. |