На всех этапах проектирования БТС оказывается необходимым применение методов моделирования (Раздел 9)

Разработка модели БТС обычно начинается с вербальной (описательной) модели БО. После этого создаются физическая а затем математическая модель.

Регулярная («правильная») математическая модель позволяет исследовать те свойства биообъекта, которые по тем или иным причинам оказываются недоступными для непосредственных эмпирических методов.

В любом случае необходима проверка правильности используемой модели. Такая проверка, в частности, подразумевает сопоставление экспериментальных клинических данных с результатами моделирования. Используемая модель должна правильно отражать состояние биообъекта и сопряжённых с ним технических устройств. При этом необходимо решить обратную математическую задачу моделирования.

Один из первых шагов в проверке адекватности модели является использование стандартных математических методов обработки данных. При обработке экспериментальных данных следует учитывать их разброс (в современной формулировке – нечеткость) обусловленный свойствами самого биологического объекта.

Рис. 10. 2.

Многообразие процедур взаимодействия биологический объект (В)↔техническое устройство (Т) и измерительных процедур, посредством которых получают объективную информацию о биообъекте, можно суммировать в схеме взаимодействия В ↔ Т и преобразования вектора наблюдаемых свойств биообъекта (Рис.10. 2).

Зондирующее устройство Z реализует входное воздействие на биообъект. Откликом биообъекта В на входное воздействие зондирующего устройства Z является вектор наблюдаемых свойств биообъекта:

Датчик-сенсор, отображаемый пространственным оператором D, осуществляет преобразование наблюдаемых свойств биообъекта l(t) в сигнал x(t):

здесь D [ l(t) ] - оператор преобразования вектора наблюдаемых свойств биообъекта l(t) в выходной сигнал датчика x(t).

Вектор выходного сигнала датчика

отображающий значения наблюдаемых свойств, поступает на вход прибора-преобразователя (или алгоритмического блока) Р. Преобразователь осуществляет обратное преобразование вектора выходного сигнала датчика в вектор измеряемых свойств биообъекта l^*(t):

Рис. 10.3.

Затем сигнал l^*(t) с преобразователя Р поступает на регистрирующее устройство (монитор) М.

Таким образом, функционирование БТС и системы сбора информации о биообъекте может быть представлено как композиция прямого и обратного преобразования сигналов.

Для иллюстрации отдельных этапов проектирования БТС и схемы взаимодействия В↔Т можно рассмотреть физиотерапевтическую системы (ФТС) для проведении УВЧ-терапии электрическим полем 27,12 МГц (Рис. 10. 3).

Данная физиотерапевтическая система, как следует из названия, относится к подклассу БТС Т₂₁ – физические методы терапии.

Физиотерапевтические системы (ФТС) по целевому назначению разделяются на следующие подклассы Т₂₁_k: ФТС эргатического типа, предназначенные для использования с человеком-оператором в качестве управляющего звена в полном объеме; ФТС направленного управления с частичным использованием человека-оператора в качестве управляющего звена; ФТС с полным управлением.

Целевое назначение проектируемой ФТС – проведение УВЧ-терапии различных частей тела пациента и одновременной дозиметрии поглощенной телом мощности с частичным использованием человека-оператора.

Биологическими объектами, в соответствии с целевым назначением проектируемой ФТС, являются различные части тела, например, рука (Рис. 10.3.).

В качестве вектора состояния БО, в соответствии с задачей дозиметрии, естественно взять двухкомпонентный вектор комплексного электрического сопротивления (импеданса) части тела, подвергаемой терапевтическому воздействию. В табл. 10.1 приведены соответствующие экспериментальные данные (база данных).

Табл. 10.1. База данных по электрическим свойствам частей человеческого тела.

Рука (плечо) Нога (бедро) Торс (туловище в области желудка)

Сопротивление R, кОм 5-10 10-25 50-100

Емкость C, мкФ 0.001-0.004 0.008-0.01 0.005-0.015

Вектор состояния БО соответственно равен

где λ₁(t) = R – активное сопротивление, λ₂(t) = 1/2πfC – реактивное сопротивление, f – частота воздействующего электрического поля.

Вербальная модель.

Каждая часть тела с точки зрения электромагнитного воздействия представляет собой совокупность тканей с различными электрическими свойствами.

Физическая модель.

Сложную систему тканей-проводников отображают в виде RC - контура (рис. 10.4).

Рис. 10.4.

Математическая модель.

Импеданс части тела, подвергаемой терапевтическому воздействию, равен

Z=√ R²+(1/2πfC)².

Здесь R – а ктивная, 1/2πfC – реактивная составляющие импеданса, f – частота (физиотерапевтическая) воздействующего электрического поля.

Эта, хорошо известная из электротехники формула, по существу, является математической моделью части тела для проектируемой ФТС.

После того, как пройдены перечисленные выше этапы, переходят к решению инженерных проблем разработки БТС – к 7-му этапу: описание структуры и проектирование БТС.

К числу таких инженерных проблем разработки БТС относятся:

- анализ существующих технических средств решения задачи, анализ технической базы данных и выбор прототипа;

- анализ недостатков существующих технических решений и разработка путей устранения этих недостатков;

- создание блок-схемы БТС;

- разработка узлов, блоков, процессов и их компоновка.

Для реализации системного подхода к проектированию ФТС необходимо выполнение двух основных принципов синтеза – принципа биоадекватности и принципа идентификации медико-биологической информации. Основными этапами системного проектирования ФТС являются:

диагностика состояния пациента в реальном масштабе времени;

управление временными и информационными параметрами лечебного воздействия;

коррекция временных и информационных параметров лечебного воздействия в реальном масштабе времени в зависимости от состояния пациента.

Биоадекватность: лечение с использованием электрических полей 27,12 МГц позволяют достичь необходимой глубины проникновения для получения оптимального терапевтического эффекта и характера поглощения энергии электрического поля в тканях тела пациента.

10.4. Основной принцип проектирования БТС разных классов – минимум вредных воздействий на биологический объект.

На стадии разработки БТС при формулировке целевой функции обязательно должны учитываться следующие критерии:

1. Обеспечение минимально вредного воздействия технического устройства на биологический объект.

2. Доступность ресурсов (например, комплектующие для электроники), требующихся для разработки и производства БТС.

3. Экономический критерий - минимизация стоимости БТС.

Требование минимума вредных воздействий на биологический объект представляет собой один из самых важных критериев разработки БТС. Критерии 2 и 3 непосредственно связаны с потенциальной конкурентоспособностью разрабатываемых образцов медицинской техники.

Воздействия на биологический объект могут иметь как физическую (электромагнитное поле различных длин волн, ультразвук, корпускулярные потоки), так и химическую природу(введение химических веществ, лекарственные пробы). Так, например, в диагностическом устройстве (Рис.10.2) для зондирования БО могут применяться следующие виды воздействий:

1. рентгеновское излучение, подкласс Т₁₁ – физический метод;

2. электромагнитное излучение, подклассТ₁₁– физический метод;

3. ультразвуковое воздействие, подклассТ₁₁– физический метод;

4. лекарственные пробы, подклассТ₁₂– химический метод.

Воздействия на БО применяются во всех классах БТС (Рис. 10.1). Важным обстоятельством является различие в уровне воздействия для различных классов БТС. Энергетический уровень внешнего воздействия определяется с одной стороны, целевой задачей данного класса БТС, а с другой – требованием минимума вредности для биологического объекта.

Например, в диагностических системах воздействие необходимо оптимизировать в соответствии со следующим критерием. Воздействие с максимальной для данного типа устройства энергией не должно превышать уровень вредного влияния на пациента. При этом воздействие с минимальной энергией должно обеспечивать заданную точность диагностического измерения.

При переходе от диагностических БТС к классу терапевтических БТС уровень энергии воздействия на биообъект возрастает. А в хирургических системах, где затрагивается внутренняя структура органов, интенсивность воздействия должна быть ещё выше.

Кроме того, время воздействия в хирургических БТС должно быть небольшим. Кроме того, размеры области локализации хирургического воздействия должны быть строго ограничены.

Суммируя приведённые примеры, можно заключить, что при последовательном переходе от одного класса БТС к другому классу Т₁, Т₂,…, интенсивность воздействия на БО повышается. Для количественной оценки интенсивности воздействия технического устройства на биологический объект используется количественная мера доза – одно из наиболее важных понятий в теории БТС.