УДК 615.47(075.8)

ББК 34.7я7

Е80

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Е.П. Попечителев;

д-р фарм. наук, проф. В.А. Попков;

д-р техн. наук, проф. И.Н. Спиридонов;

канд. техн. наук А.Н. Калиниченко

Ершов Ю. А.

Е80 Основы анализа биотехнических систем. Теоретические

основы БТС : учеб. пособие / Ю. А. Ершов, С. И. Щукин – М. :

Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 526, [2] с. : ил. – (Биомедицинская инженерия в техническом университете).

ISBN 978-5-7038-3484-8 Приведены основные сведения по теории биотехнических систем. Рассмотрены вопросы практического использования методов системного анализа для решения задач проектирования биомедицинской техники.

Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.

Для студентов инженерных специальностей медико-технологических, биотехнологических, ветеринарных и агрономических вузов.

УДК 615.47(075.8) ББК 34.7я Ершов Ю.А., Щукин С.И., Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-3484-8 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1.8. Минимальные принципы в теории упругости

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Основы анализа биомедицинских систем»

предназначено для студентов старших курсов инженерных специальностей медико-технических, биотехнологических, ветеринарных и агрономических вузов, приступающих к проектированию различных биотехнических систем (БТС). При этом возникает необходимость использования информации по теоретическим дисциплинам, пройденным на младших курсах.

Применительно к биообъектам изложены основные методы количественного описания биологических объектов.

Бльшая часть издания посвящена общим принципам проектирования биомедицинской техники и их применению к конкретным БТС: диагностическим, терапевтическим, хирургическим и к искусственным органам и системам жизнеобеспечения.

Учебное пособие рекомендовано для студентов старших курсов специальностей «Инженерное дело в медико-биологической практике» и «Биомедицинская инженерия», а также может быть использовано при изучении смежных дисциплин.

Авторы выражают благодарность доктору фармацевтических наук, академику РАО, профессору В.А. Попкову и доктору технических наук, профессору И.Н. Спиридонову, преподавателям, аспирантам и студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также доктору технических наук, профессору Р.И. Бурлакову и кандидату технических наук, доценту А.В. Самородову, любезно предоставившим материалы, которые были использованы при подготовке учебного пособия к изданию.

ВВЕДЕНИЕ

Единый комплекс, в котором целенаправленно реализуются взаимодействия технического устройства с биологическим объектом, называют биотехнической системой (БТС). Таким образом, техника для медицины (медицинская техника) и биотехнологии (биотехника) – составные части разнообразных БТС.

Дисциплина «Теоретические основы БТС» входит в цикл профилирующей подготовки студентов и формирует методологическую основу системного подхода к решению задач анализа и синтеза БТС на основе рационального сопряжения элементов живой и неживой природы.

Основная цель дисциплины – научить студента ориентироваться в современных методах анализа и синтеза БТС и разрабатывать методы диагностики (контроля), терапии, хирургии и жизнеобеспечения для управления состоянием организма в норме и при патологии с использованием моделирования процессов, протекающих в биологических и технических компонентах БТС.

В соответствии с задачей дисциплины особое внимание в учебном пособии уделено формированию умений и навыков специалиста в области биомедицинской инженерии по следующим видам деятельности:

классификация разрабатываемой БТС по таким признакам, как медицинское назначение, тип структурной схемы, физикохимические эффекты и технические решения, лежащие в основе функционирования подсистем;

изучение свойств биологического объекта;

создание базы медико-биологических данных о свойствах биологического объекта и анализ этих данных;

разработка и активное использование вербальных, физических, аналоговых, математических моделей биологического компонента БТС;

формирование критериев эффективного функционирования БТС и оптимизация параметров биомедицинской техники, входящей в состав БТС, на основе этих критериев, конструирование целевой функции разрабатываемой модели;

регуляризация модели биомедицинской техники, выбор метода регистрации наблюдений и обработки регистрируемых данных о биологическом объекте;

выбор, оценка и расчет параметров;

описание структуры выбранного варианта биомедицинской техники;

сравнительный анализ технических решений, обеспечивающих работоспособность выбранного варианта биомедицинской техники в заданном диапазоне значений параметров.

В настоящее время известно много разновидностей медицинской техники, приборов и аппаратов. Каталог медицинской техники, составленный в соответствии с Общероссийским классификатором Минздрава, включает в себя более 12 тыс. наименований.

Активное внедрение достижений техники в теорию и практику исследования функций живых организмов и биологических систем – отличительная черта современных медицины, ветеринарии, агрономии, экологии и биологии. В связи с этим особую роль в обучении инженера, работающего в перечисленных областях, приобретают знания основ биофизики, биохимии и системного анализа. Эти знания служат фундаментом последующего изучения методов проектирования биомедицинской техники.

Существует множество научных работ по БТС, в том числе монографий, обзоров и оригинальных статей, однако учебная литература по данному направлению представлена слабо. Изданы лишь различные методические разработки, малодоступные для студентов.

В учебном пособии изложены вопросы проектирования биомедицинской техники в пределах программ по медицинской инженерии для студентов технического университета, ранее не изучавших основ теории взаимодействия технических систем с биологическими объектами.

При проектировании и эксплуатации медицинской техники и биотехники особенно важна количественная сторона рассматриваемых закономерностей. С этой целью в тексте приведены графики и таблицы, чтобы студенты при изучении курса получили представление о величинах и их изменениях в зависимости от условий. Иллюстрации и примеры носят медико-биологический характер.

Книга состоит из двух частей. В части I (гл. 1–10) в сжатой форме изложены основы количественных методов описания биологических объектов разных уровней сложности. Часть II (гл. 11–15) посвящена теоретическим основам проектирования биомедицинской техники различных классов: диагностической, терапевтической, хирургической и искусственных органов и систем жизнеобеспечения.

Приведены примеры использования методов системного анализа для решения конкретных задач создания медицинской техники и биотехники. С позиций современной теории биологических систем проанализированы результаты многочисленных исследований и использования техники в практической, экспериментальной медицине и фармации. Показаны пути оптимизации традиционных методов и возможности применения новых технических методов в диагностике, клинической аналитике, терапии, хирургии и системах жизнеобеспечения. Рассмотрены задачи прикладной биотехнологии и фармации, а также возможности решения этих задач с помощью современной техники.

ЧАСТЬ I

МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПИСАНИЯ

БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ

КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПИСАНИЯ

БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Разработка методов количественного описания биообъектов – один из главных элементов проектирования биомедицинской техники.

В настоящей главе предмет, задачи и методы количественного описания БТС сформулированы следующим образом: с позиций системного подхода определяются требования к характеристикам проектируемой БТС;

с учетом специфичности биообъекта устанавливается связь целевого назначения и технических характеристик БТС; разрабатываются методы количественного описания биообъекта; формулируется задача анализа и синтеза данного типа БТС.

Характерная черта технического развития общества – ускоренный рост индустрии техники для медицины (медицинской техники) и биотехнологий (биотехники).

В качестве одного из наиболее распространенных примеров медицинской техники можно привести рентгеновские аппараты, широко используемые для рентгеноскопии (рис. 1.1). Рентгеноскопия представляет собой неинвазивный (без вмешательства в организм) метод технической диагностики состояния внутренних органов.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ

И КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ

БИООБЪЕКТОВ

Общая теория систем – теория, ориентированная на разработку методологических, научных и прикладных проблем анализа и синтеза сложных систем различной природы.

Наиболее характерная черта этого научного направления – его междисциплинарный характер. Здесь объединены методы, используемые в разных науках: от биологии до математики. Количественное описание биообъектов и взаимодействующих с ними технических устройств неразрывно связано с понятийным и математическим аппаратом общей теории систем, т. е. с системным подходом. Общая теория систем – основа решения задач анализа и синтеза БТС.

Один из первых вариантов общей теории систем выдвинут в 30-х годах ХХ в. австрийским биологом-теоретиком Людвигом фон Берталанфи. Ее предшественницей была тектология – наука о структуре и взаимосвязях объектов различной природы. Создателем тектологии был наш соотечественник А.А. Богданов (Малиновский). Тектология также является предшественницей кибернетики.

Один из основателей математической биологии А.А. Ляпунов подчеркивал, что естественно-научные исследования (в физике, химии, биологии) проводят в три основных этапа: наблюдение, теория, моделирование. Общая теория систем может быть использована на каждом из этих этапов.

Задачами общей теории систем Берталанфи являются разработка методологического и математического аппарата описания

ИЕРАРХИЯ СТРУКТУР И СОСТОЯНИЙ БИООБЪЕКТОВ

Системный анализ биообъектов следует начинать с низших иерархических уровней, например с уровня белковых молекул, входящих в миоциты – клеточную популяцию, из которой состоит мышечная ткань.

В данной главе рассмотрена структура и основные закономерности функционирования мышцы как системы, включающей в себя молекулярный, клеточный и популяционный уровни.

В основе движения высших живых организмов лежит саркомер – мономерная единица мышечного двигателя (от лат. сарк – мясо).

Системный анализ позволяет последовательно рассмотреть устройство и функции мышц. Наиболее известный метод анализа биообъектов – анатомия (от греч. анатоми – рассечение), наука о строении организма.

Согласно анатомии, тело человека содержит приблизительно 500 скелетных мышц. Кроме них различают кардиомышцы, которые устроены так же, как скелетные, и гладкие мышцы.

В терминологии системного анализа разделение скелетной мышцы (рис. 3.1, а) на элементы (подсистемы) – это операция декомпозиции. Подсистемы более низкого уровня – фрагменты мышцы, которые представляют собой связку мышечных клеток – миоцитов (от лат. мио – мышца) (рис. 3.1, б).

Вследствие особенностей строения миоцит также называют мышечным волокном. Это волокно представляет собой синтиций – сросшуюся цепочку из сотен клеток, ядра которых видны под микроскопом.

4.1. Клеточные популяции как компоненты многоклеточного организма

БИОХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

И ДИНАМИКА БИООБЪЕКТОВ

Для управления жизнедеятельностью организма необходимо знать биохимические структуру и динамику клетки и межклеточных взаимодействий. В общем случае при анализе жизнедеятельности организма важно обладать информацией не только о свойствах отдельных клеток, но и клеточных популяций, из которых состоит организм.

4.1. Клеточные популяции как компоненты многоклеточного Переход от статического описания системы к динамическому происходит, когда в модель вводится время. Чтобы понять динамику биообъекта, необходимо знать как осуществляются его изменения во времени.

Как было отмечено в гл. 3, при расчете работы мышц используется удельная мощность. Следовательно, время вводится как параметр, что говорит о переходе к динамике.

Под биохимической структурой понимают множество химических реакций, посредством которых осуществляются взаимодействия субклеточных структур и клеток.

По существу, при анализе динамики биообъектов рассматривают работу не одной клетки – миоцита, а множества всех миоцитов, не одного саркомера, а множества всех саркомеров, из которых состоят мышцы. Для расчета работы мышц необходимо определить общее число саркомеров, которое пропорционально числу мышечных клеток.

Фактически уже на этапе расчета был совершен переход от отдельной клетки мышечной ткани к системе более высокого уровня – 6.1. Принципы термодинамики и условия их применимости в биологии

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ БИООБЪЕКТОВ

В течение многих лет применимость законов термодинамики к биообъектам – предмет научной дискуссии. Термодинамическое описание живых систем (биотермодинамика) используется довольно часто, однако полученные результаты, и особенно их интерпретация, зачастую оказываются неверными.

Главная причина некорректностей в биотермодинамике (помимо простого непонимания сути законов термодинамики и специфичности живых систем) – игнорирование границ справедливости законов термодинамики в их традиционной формулировке. В связи с этим исходным условием использования термодинамических моделей биообъектов является анализ самих законов термодинамики и условий их применимости к таким специфическим объектам, как живые системы.

5.1. Законы термодинамики и условия их применимости Обычно для термодинамического описания живых систем (биоэнергетика) используют следующие основные понятия: равновесие, открытость, термодинамические функции и параметры состояния. Следует иметь в виду, что в термодинамике любой объект рассматривается как система, содержащая большое число частиц N >> 1. Именно это обстоятельство наиболее часто упускается из вида.

В зависимости от числа частиц в системе флуктуация наблюдаемой физической величины X оценивается следующим образом:

КИНЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ БИООБЪЕКТОВ

Для козличественного прогнозирования воздействия химических веществ на рост популяции были использованы кинетические уравнения (см. гл. 4), которые являются частным случаем описания развития биологических процессов во времени. Общие методы такого описания разрабатываются биологической кинетикой. Знание этих методов необходимо для проектирования биоадекватных технических устройств, воздействующих на биологические процессы в организме.

Термодинамика позволяет предсказывать направление и глубину самопроизвольного протекания процессов в зависимости от условий, если известно соответствующее приращение энергии Гиббса G.

Однако термодинамика ничего не говорит о том, как быстро будет происходить предсказываемый самопроизвольный процесс. В этом проявляется ограниченность термодинамического подхода.

Наглядным примером может служить лежащая в основе жизнедеятельности реакция глюкозы с кислородом:

Стандартное приращение энергии Гиббса этой реакции велико и