ТЕОРИЯ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ТЕОРИЯ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМТЕОРИЯ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Презентационные материалы к курсу лекций «Теория биотехнических систем»

Для студентов направления 200300 «Биомедицинская инженерия»Разработал: к.т.н., доцент каф. ЭГА и МТ

Кириченко И. А.

Моделирование систем как метод научного познанияМоделирование систем как метод научного познания

ГипотезаГипотеза, т.е. определенное предсказание, основывающееся на , т.е. определенное предсказание, основывающееся на небольшом количестве опытных данных, наблюдений, догадок.небольшом количестве опытных данных, наблюдений, догадок.

АналогияАналогия - суждение о каком-либо частном сходстве двух объектов. - суждение о каком-либо частном сходстве двух объектов. МодельМодель (modulus -(modulus - мера с лат.) - это объект-заместитель объекта - мера с лат.) - это объект-заместитель объекта -

оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала. оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала. Формы соответствияФормы соответствия модели и оригинала могут быть различными: модели и оригинала могут быть различными: 1) моделирование как познавательный процесс, содержащий 1) моделирование как познавательный процесс, содержащий

переработку информации, поступающей из внешней среды;переработку информации, поступающей из внешней среды; 2) моделирование заключается в построении некоторой модели - 2) моделирование заключается в построении некоторой модели -

системы (второй системы), связанной с системой-оригиналом (первой системы (второй системы), связанной с системой-оригиналом (первой системой), причем в этом случае отображение одной системы в другой системой), причем в этом случае отображение одной системы в другой является средством выявления зависимостей между двумя системами, является средством выявления зависимостей между двумя системами, отображенными в соотношениях подобия, а не результатом отображенными в соотношениях подобия, а не результатом непосредственного изучения поступающей информации.непосредственного изучения поступающей информации.

Принципы системного подходаПринципы системного подхода

Система Система S -S - целенаправленное множество взаимосвязанных целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы;элементов любой природы;

Внешняя среда Внешняя среда Е -Е - множество существующих вне системы элементов множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздействием.под ее воздействием.

&А В

Система это не просто совокупность элементов и связей того или иного вида, а включает только те элементы и связи, которые находятся в области пересечения (&)


Классический подходКлассический подход Реальный объект, подлежащий Реальный объект, подлежащий

моделированию, разбивается на моделированию, разбивается на отдельные подсистемы, и выбираются отдельные подсистемы, и выбираются исходные данные исходные данные ДД для моделирования для моделирования и, ставятся цели и, ставятся цели Ц,Ц, отображающие отображающие отдельные стороны процесса отдельные стороны процесса моделирования. моделирования.

По отдельной совокупности исходных По отдельной совокупности исходных данных данных ДД ставиться цель ставиться цель моделирования отдельной стороны моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе функционирования системы, на базе которой формируются некоторые которой формируются некоторые компоненты к будущей модели компоненты к будущей модели М. М.

Совокупность компонент объединяется Совокупность компонент объединяется в модель в модель ММ. Т.о. разработка модели . Т.о. разработка модели ММ на базе классического подхода означает на базе классического подхода означает суммирование отдельных компонент суммирование отдельных компонент КК в в единую модель.единую модель.

Д

Д

Ц

Д

Д

Ц

К

M


Системный подходСистемный подход На основе исходных данных На основе исходных данных ДД, которые известны из , которые известны из анализа внешней системы, анализа внешней системы, тех ограничений, которые тех ограничений, которые накладываются на систему, накладываются на систему, формируется требования формируется требования ТТ к к модели системы модели системы SS. .

На базе этих требований На базе этих требований формируются формируются ориентировочно некоторые ориентировочно некоторые подсистемы подсистемы ПП, элементы , элементы ЭЭ и и осуществляется наиболее осуществляется наиболее сложный этап синтеза - сложный этап синтеза - выборвыбор В В составляющих составляющих систем, для чего систем, для чего используются специальные используются специальные критерии выбора критерии выбора КВ.КВ.

Ц

T

T

T

T

Д Д КВ

П Э В М

СИСТЕМА КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯСИСТЕМА КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основные задачи общей Основные задачи общей теории систем:теории систем:

1) способы представления 1) способы представления исследуемых объектов как исследуемых объектов как систем,систем,

2) построение обобщенных 2) построение обобщенных моделей системы и моделей, моделей системы и моделей, различных свойств системы.различных свойств системы.

СИСТЕМА определяется как СИСТЕМА определяется как некоторый класс некоторый класс подмножеств:подмножеств:

где где MsMs -- подкласс множеств подкласс множеств элементов системы элементов системы S; LS i-S; LS i- подкласс множеств подкласс множеств образующихся в результате образующихся в результате деления элементов системы деления элементов системы SS на подэлементы: на подэлементы: KS i-KS i- подкласс таких множеств, в подкласс таких множеств, в которые рассматриваемая которые рассматриваемая система система SS сама входит в сама входит в качестве элемента.качестве элемента.

iS

iS

iS KLMS ;;


Общая схема системыОбщая схема системы Блок-схема системыБлок-схема системы

СоставСтруктура

ПараметрыЗакон

поведения

y1y2

ym

p1p2

p4

p3

p5

p6

p7

x1

x2

xn

y1

y2

ym

yn


Представление системы в виде графаПредставление системы в виде графа

x1

x2

xn

y1

y2

ym

yn

p3

p1

p2

p4

p5

p6

p7


Совокупность Совокупность NN изолированных элементов еще не является изолированных элементов еще не является системой. системой.

Для изученияДля изучения системы нужно провести системы нужно провести NN исследовательских исследовательских процедур. процедур.

Для исследования системы из Для исследования системы из NN элементов необходимо элементов необходимо изучить изучить NN((NN -1) -1) связей. связей.

Если характеризовать связи простейшим образом, т.е. отмечать Если характеризовать связи простейшим образом, т.е. отмечать в любой момент времени в любой момент времени ТТ только наличие либо отсутствие только наличие либо отсутствие воздействия, то общее количество состояний системы равно воздействия, то общее количество состояний системы равно 22NN((NN-1-1)). .

Так при Так при NN =7 =7 это количество определяется числом 2 это количество определяется числом 242424x104x101212. .


Классификация систем по сложностиКлассификация систем по сложности 1) 1) простые системыпростые системы, состоящие из небольшого числа элементов и , состоящие из небольшого числа элементов и

характеризующиеся простым динамическим поведением,характеризующиеся простым динамическим поведением, 2) 2) сложные системысложные системы, структура которых отличается , структура которых отличается

разветвленностью и разнообразием связей, но поддается точному разветвленностью и разнообразием связей, но поддается точному описанию,описанию,

3) 3) очень сложные системыочень сложные системы, точно и подробно описать которые , точно и подробно описать которые нельзя.нельзя.

Классификация систем по характеру поведенияКлассификация систем по характеру поведения 1) 1) детерминированныедетерминированные,, для которых точно известен закон для которых точно известен закон

поведения, поведения,

2) 2) стохастическиестохастические, для которых можно определить вероятность того , для которых можно определить вероятность того

или иного ее состояния.или иного ее состояния.


Классификация систем по информационным входам Классификация систем по информационным входам и выходами выходам

1) 1) информируемые системыинформируемые системы, имеющие хотя бы один , имеющие хотя бы один информационный вход;информационный вход;

2) 2) информирующие системыинформирующие системы, имеющие хотя бы один , имеющие хотя бы один информационный выход;информационный выход;

3) 3) информационные системыинформационные системы, имеющие некоторое количество , имеющие некоторое количество информационных входов и выходов .информационных входов и выходов .

Классификация систем по характеристикам Классификация систем по характеристикам

элементов: элементов: линейные, нелинейные и гистерезисные системылинейные, нелинейные и гистерезисные системы Классификация систем по типу связей между Классификация систем по типу связей между

элементами: элементами: замкнутые, разомкнутые, замкнутые, разомкнутые,

с непосредственными и опосредованными связями, прямыми и с непосредственными и опосредованными связями, прямыми и

обратными связями.обратными связями.

Способы описания системСпособы описания систем Морфологическое описание системыМорфологическое описание системы

Система

Связи СтруктураСостав

элементов

Подсистема первогоуровня


элементов


элементов

Подсистемаi-го уровня

Способы описания системСпособы описания систем

Морфологическое описаниеМорфологическое описание начинается с характеристики начинается с характеристики элементного состава, который может быть элементного состава, который может быть гомогенным гомогенным (содержать (содержать однотипные элементы), однотипные элементы), гетерогеннымгетерогенным (содержать разнотипные (содержать разнотипные элементы), элементы), смешаннымсмешанным..

Затем исследуются Затем исследуются свойства элементовсвойства элементов:: по содержаниюпо содержанию (информационные, энергетические, вещественные (информационные, энергетические, вещественные

смешанные);смешанные); по степени специализациипо степени специализации (для однотипных функций, для близких (для однотипных функций, для близких

(смежных) функций, для разнотипных функций);(смежных) функций, для разнотипных функций); по степени свободыпо степени свободы (программные, адаптированные и (программные, адаптированные и

инициативные);инициативные);

по времени действияпо времени действия (регулярные, непрерывные, нерегулярные). (регулярные, непрерывные, нерегулярные). Характеристика связейХарактеристика связей между элементами внутри системы и между между элементами внутри системы и между

системой и средой: системой и средой: информационные, энергетические, информационные, энергетические,

вещественные, смешанныевещественные, смешанные


Структурные свойства систем определяются характером отношений Структурные свойства систем определяются характером отношений между элементами системы:между элементами системы:

иерархическиеиерархические

многосвязныемногосвязные

смешанныесмешанные


Пример: Пример: При количестве элементов h =20 полное число связей между При количестве элементов h =20 полное число связей между

элементами системы h (h-1) = 380, число вариантов системы 2. элементами системы h (h-1) = 380, число вариантов системы 2. Если эта система разделена на К=4 подсистемы h=5 элементов в Если эта система разделена на К=4 подсистемы h=5 элементов в

каждый, а для всех к подсистем h (h –1)К=80. Число связей между каждый, а для всех к подсистем h (h –1)К=80. Число связей между подсистемой К (К-1)=12. подсистемой К (К-1)=12.

Т.о. общее число связей 80+12=92 вместо 380.Т.о. общее число связей 80+12=92 вместо 380.

Различают следующие типы подсистем (элементов):Различают следующие типы подсистем (элементов): эффекторныеэффекторные, способные преобразовывать управляющие , способные преобразовывать управляющие

воздействия и воздействовать веществом, энергией или воздействия и воздействовать веществом, энергией или информацией на другие подсистемы, соседние системы и среду;информацией на другие подсистемы, соседние системы и среду;

рецепторныерецепторные, способные преобразовывать внешние воздействия в , способные преобразовывать внешние воздействия в информационные сигналы;информационные сигналы;

рефлексивныерефлексивные, способные воспроизводить внутри себя процессы , способные воспроизводить внутри себя процессы воздействия на информационном уровне;воздействия на информационном уровне;

неопределенныенеопределенные, которые не могут быть точно отнесены ни к , которые не могут быть точно отнесены ни к одному из перечисленных типов.одному из перечисленных типов.


Функциональное описание системыФункциональное описание системы

ЭффективностьЗона внешнегофункциониро-

вания системы

Система1, 2, 3

Показателикачества

Зона внешнегофункциониро-


1-й уровень1, 2, 3




2-й уровень1, 2, 3




i-й уровень1, 2, 3

Среда


Функциональное описание исходит из целевых функций (одной Функциональное описание исходит из целевых функций (одной или нескольких) системы:или нескольких) системы:

пассивное существование в качестве материала для других пассивное существование в качестве материала для других систем;систем;

обслуживание систем более высокого порядка;обслуживание систем более высокого порядка; противостояние другим системам и среде (выживания);противостояние другим системам и среде (выживания); поглощение или подавление других систем;поглощение или подавление других систем; преобразование других систем и среды.преобразование других систем и среды.

Информационное описание системы позволяет оценить Информационное описание системы позволяет оценить организованность системы, характеризует циркулирующие в организованность системы, характеризует циркулирующие в системе информационные потоки, определяет упорядоченность системе информационные потоки, определяет упорядоченность системы и выражает способность системы предсказывать свое системы и выражает способность системы предсказывать свое будущее поведение, дает перспективу.будущее поведение, дает перспективу.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫБИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Рассмотрение организма с позиций системного анализа Рассмотрение организма с позиций системного анализа 1. Существование организма как целостной системы в условиях частых 1. Существование организма как целостной системы в условиях частых

изменений физико-химических свойств внешней среды связано со изменений физико-химических свойств внешней среды связано со значительными энергозатратами. На первом месте на всех уровнях значительными энергозатратами. На первом месте на всех уровнях биологической организации выступает экономичность обмена веществ. биологической организации выступает экономичность обмена веществ. При этом высшие организмы переходят к более энергоемким При этом высшие организмы переходят к более энергоемким продуктам питания (от растительной пищи продуктам питания (от растительной пищи кк животной). животной).

2. Сравнения низших и высших форм показывает, что простейшие 2. Сравнения низших и высших форм показывает, что простейшие одноклеточные организмы находятся в негативных условиях, с одной одноклеточные организмы находятся в негативных условиях, с одной стороны вследствие несовершенства форм преобразования энергии стороны вследствие несовершенства форм преобразования энергии питательных веществ (основной процесс преобразования - брожение), питательных веществ (основной процесс преобразования - брожение), а с другой, в результате большей площади контакта с внешней средой а с другой, в результате большей площади контакта с внешней средой по отношению к объему организма, что приводит к значительным по отношению к объему организма, что приводит к значительным удельным энергозатратам. У высших форм более совершенны удельным энергозатратам. У высших форм более совершенны клеточные преобразования энергии (окислительное клеточные преобразования энергии (окислительное фосфорилирование).фосфорилирование).

3. На более высоких уровнях развития клетки, объединенные в одном 3. На более высоких уровнях развития клетки, объединенные в одном организме, изолируют себя от управляющей внешней среды, создавая организме, изолируют себя от управляющей внешней среды, создавая промежуточную, более регулируемую внутреннюю среду.промежуточную, более регулируемую внутреннюю среду.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫБИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Рассмотрение организма с позиций системного анализаРассмотрение организма с позиций системного анализа 4. Появление внутренней среды, необходимость поддержания 4. Появление внутренней среды, необходимость поддержания

параметров этой среды на условиях нормального функционирования параметров этой среды на условиях нормального функционирования организма приводит организма приводит кк появлению специализированных систем появлению специализированных систем регулирования параметров внутренней среды (температуры, регулирования параметров внутренней среды (температуры, кислотности, давления и т.д.). На уровне отдельных слоев организма кислотности, давления и т.д.). На уровне отдельных слоев организма принцип экономичности принимает формы минимизации расхода принцип экономичности принимает формы минимизации расхода энергии.энергии.

5. У высших форм организмов постоянный контроль за работой 5. У высших форм организмов постоянный контроль за работой отдельных органов и систем обеспечивается разветвлением отдельных органов и систем обеспечивается разветвлением рецепторной подсистемой.рецепторной подсистемой.

6. Происходит обособление восприятия и обработки информации от 6. Происходит обособление восприятия и обработки информации от двигательной деятельности, формируется нервная система, функции двигательной деятельности, формируется нервная система, функции которой не производительной, а целиком управленческие, которой не производительной, а целиком управленческие, организующие. организующие.

7. Выполнение функций может происходить под влиянием сразу 7. Выполнение функций может происходить под влиянием сразу нескольких подсистем, а само влияние выражается в различных нескольких подсистем, а само влияние выражается в различных физико-химических способах передач управляющих сигналов: физико-химических способах передач управляющих сигналов: гидродинамическом, гуморальном, нервном и т.д.гидродинамическом, гуморальном, нервном и т.д.


Некоторые принципы организации управления, действующие в Некоторые принципы организации управления, действующие в биологических системах. биологических системах.

1. Анализ результатов физиологических исследований позволяет легко 1. Анализ результатов физиологических исследований позволяет легко обнаружить иерархическую организацию этих подсистем. обнаружить иерархическую организацию этих подсистем.

2. Органы и подсистемы организма, управляемые нервными центрами, 2. Органы и подсистемы организма, управляемые нервными центрами, решают отдельные частные задачи регулирования в соответствии со решают отдельные частные задачи регулирования в соответствии со своей сложно организованной внутренней структурой. своей сложно организованной внутренней структурой.

3. Иерархичность структуры организма приводит к тому, что 3. Иерархичность структуры организма приводит к тому, что взаимодействие нервной системы с органами и подсистемами взаимодействие нервной системы с органами и подсистемами строится на принципе последовательности уровней.строится на принципе последовательности уровней.

4. Для нормального функционирования всего организма необходим 4. Для нормального функционирования всего организма необходим обмен информацией между уровнями как с верху вниз, так и снизу обмен информацией между уровнями как с верху вниз, так и снизу

вверх.вверх.


Упрощенная схема многоуровневого управленияУпрощенная схема многоуровневого управления

Кора больших полушарий

Подкорковые и спинальные узлы

Промежуточные нервные узлы

Органы и подсистемы

Клеточные структуры

Среда


Зависимость функционального уровня организма от режима Зависимость функционального уровня организма от режима воздействиявоздействия

1. 1. Совокупность существенных переменныхСовокупность существенных переменных, описывающих физико-, описывающих физико-химические свойства внутренней среды организма и физические химические свойства внутренней среды организма и физические характеристики характеристики определяет функциональный уровень организмаопределяет функциональный уровень организма..

2. В состоянии режима покоя, или слабых воздействий каждая 2. В состоянии режима покоя, или слабых воздействий каждая подсистема организма работает по принципу наименьшего подсистема организма работает по принципу наименьшего взаимодействия. взаимодействия.

3. При сильных внешних воздействиях на организм принцип 3. При сильных внешних воздействиях на организм принцип наименьшего взаимодействия нарушается, возникают эффекты наименьшего взаимодействия нарушается, возникают эффекты непосредственного возмущающего воздействия одних подсистем на непосредственного возмущающего воздействия одних подсистем на другие - эффекты иерархических влияний, доминирования, другие - эффекты иерархических влияний, доминирования, конкурентных отношений.конкурентных отношений.

4. Попадая в экстремальные условия организм стремиться поддержать 4. Попадая в экстремальные условия организм стремиться поддержать постоянство наиболее важных показателей в ущерб менее постоянство наиболее важных показателей в ущерб менее ответственным, т.е. действует принцип поддержания постоянства ответственным, т.е. действует принцип поддержания постоянства внутренней среды. внутренней среды.


Организация выполнения функций управленияОрганизация выполнения функций управления 1. В организации выполнения функций у высших организмов 1. В организации выполнения функций у высших организмов

принимает участие сразу несколько уровней управления. При этом принимает участие сразу несколько уровней управления. При этом регулирующий фактор может передаваться разными путями: регулирующий фактор может передаваться разными путями: нервными, гормональными, гидродинамическими, биохимическими и нервными, гормональными, гидродинамическими, биохимическими и пр. пр.

Пример: На низших уровнях используется биохимический и гидродинамический Пример: На низших уровнях используется биохимический и гидродинамический пути. На высших уровнях используется гормональный и нервный пути. На высших уровнях используется гормональный и нервный (нейрогуморальный). (нейрогуморальный).

2. Скорость протекания процессов при различных способах передачи 2. Скорость протекания процессов при различных способах передачи сигналов различна. Поэтому для одновременного функционирования сигналов различна. Поэтому для одновременного функционирования всех уровней целостного организма характерен принцип всех уровней целостного организма характерен принцип разновременности процессов.разновременности процессов.

Пример: Время запаздывания б передаче управляющих сигналов нервным путем Пример: Время запаздывания б передаче управляющих сигналов нервным путем достигает 0,3 сек., химическим путем - 3 сек, нейрогуморальным - 3 мин., достигает 0,3 сек., химическим путем - 3 сек, нейрогуморальным - 3 мин., гормональном - 7 мин. кванты поведения и погрешности созревания гормональном - 7 мин. кванты поведения и погрешности созревания составляют соответственно 10 и 30 дней, а жизненные процессы и составляют соответственно 10 и 30 дней, а жизненные процессы и процессы деградации - 15 и 70 лет. Первые 4 показателя (0,3сек,-7мин.) процессы деградации - 15 и 70 лет. Первые 4 показателя (0,3сек,-7мин.) соответствует гомеостатическим механизмам регуляции, а остальные соответствует гомеостатическим механизмам регуляции, а остальные адаптивным процессам и генетическим эффектам.адаптивным процессам и генетическим эффектам.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМАФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА

Общая схема функциональной системыОбщая схема функциональной системы

КПЭ -конечный полезный эффект, ПОЧ - подсистема органов чувств, РП - рецепторные КПЭ -конечный полезный эффект, ПОЧ - подсистема органов чувств, РП - рецепторные подсистемы. ЦФ - целевая функция, ВС - внутренняя среда. ЭП - эффекторные подсистемы. ЦФ - целевая функция, ВС - внутренняя среда. ЭП - эффекторные

подсистемы, ПС - параметры внешней среды, С - внешняя среда, ЦНС - центральная подсистемы, ПС - параметры внешней среды, С - внешняя среда, ЦНС - центральная

нервная система.нервная система.

ПОЧ

ЦНС ЦФ ЭП ВС КПЭ РП ПС

С

эфферентные связи

афферентные связи


Система внешнего дыханияСистема внешнего дыхания

ЦНС ЦФ

Система двига-тельных нервов

Система кров-ообращения

Биохимия крови

Система регу-лятивного сосу-дистого тонуса

Системакроветворения

КПЭрО 2-рСО 2

ХеморецепторыИнтерроре-

цепторытканевых

окислительныхпроцессов

Дыхательныйцентр

РП

ЭП


Система терморегуляцииСистема терморегуляции

ЦНС - центральная ЦНС - центральная нервная система,нервная система,

М - мышцы, М - мышцы, ВО - внутренние органы. ВО - внутренние органы. Д - дыхание. Д - дыхание. П - потоотделение,П - потоотделение, К - изменение К - изменение

интенсивности интенсивности кровотока.кровотока.

ЦНС

ВО

М П

К

Д

Оболочка телахолодовые

тепловыерецепторы


Функциональная схема системы терморегуляцииФункциональная схема системы терморегуляции

ЦНС - центральная нервная система, ЦФ - целевая функция, СДН -система ЦНС - центральная нервная система, ЦФ - целевая функция, СДН -система двигательных нервов, СК - система кровообращения, ВНС -вегетативная двигательных нервов, СК - система кровообращения, ВНС -вегетативная

нервная система. ЭП - эффекторные подсистемы, нервная система. ЭП - эффекторные подсистемы, М -М -мышцы. СД - система мышцы. СД - система дыхания, К - кровоток, П - потоотделение, РП - рецепторные подсистемы.дыхания, К - кровоток, П - потоотделение, РП - рецепторные подсистемы.

ЦНС СКЦФ

СДН

ВНС

М

СД

К

П

Биохимические

процессы

ТвнКПЭ

ТрРП

ЭП


В качестве конечного полезного эффекта (КПЭ) выступает В качестве конечного полезного эффекта (КПЭ) выступает ТТвнутрвнутр.. Основной переносчик тепла - кровь.Основной переносчик тепла - кровь. Передача тепла внутри организма осуществляется путем конвекции, Передача тепла внутри организма осуществляется путем конвекции,

обеспечиваемой кровообращением.обеспечиваемой кровообращением. Регулирующие воздействия, оказывающих влияние на температуру Регулирующие воздействия, оказывающих влияние на температуру

тела:тела: теплопродукция определяется процессами окисления в мышцах теплопродукция определяется процессами окисления в мышцах (М)(М) и и

внутренних органах (ВО)',внутренних органах (ВО)', теплоотдача определяется изменением величины поверхности тела, теплоотдача определяется изменением величины поверхности тела,

учащенным дыханием (Д), потоотделением (П), изменением учащенным дыханием (Д), потоотделением (П), изменением интенсивности кровотока (К).интенсивности кровотока (К).

Конвекцией удаляется 15% тепла путем нагревания молекул воздуха, Конвекцией удаляется 15% тепла путем нагревания молекул воздуха, соприкасающихся с поверхностью организма, 25% теплоотвода соприкасающихся с поверхностью организма, 25% теплоотвода составляет испарение влаги, присутствующей на коже почти 60% составляет испарение влаги, присутствующей на коже почти 60% тепла удаляется в результате излучения. тепла удаляется в результате излучения.


Система регуляции сахара в кровиСистема регуляции сахара в крови

Всасываниеглюкозы в

клетке

Содержаниеглюкозы в

крови

Запас гликогенав тканях(печень,мышцы)

Почки

Поджелудочнаяжелеза

Мозговой слойнадпочечников

Физиологическоеиспользование

Адреналин

Глюкогон

Инсулин

Глюкокортекоиды


Система регуляции сахара в крови - система клеточного обмена, Система регуляции сахара в крови - система клеточного обмена, поддерживающие содержание глюкозы в крови. поддерживающие содержание глюкозы в крови.

Отличительной особенностью системы является гормональный Отличительной особенностью системы является гормональный механизм управления. механизм управления.

Важнейшим источником энергии для организма служит сахар, Важнейшим источником энергии для организма служит сахар, который находится в крови в виде глюкозы. который находится в крови в виде глюкозы.

Различают несколько процессов, регулирующих уровень глюкозы в Различают несколько процессов, регулирующих уровень глюкозы в крови.крови.

1. Увеличение поступление глюкозы в кровь обусловлено 1. Увеличение поступление глюкозы в кровь обусловлено всасыванием сахара в тонком кишечнике (под воздействием всасыванием сахара в тонком кишечнике (под воздействием глюкокортикоидов, вырабатываемых корой надпочечников): глюкокортикоидов, вырабатываемых корой надпочечников): распадом гликогена в печени и мышцах до глюкозы (усиливается под распадом гликогена в печени и мышцах до глюкозы (усиливается под действием адреналина и гликогена и замедляется под действием действием адреналина и гликогена и замедляется под действием инсулина и глюкокортикоидов) образованием сахара из белков и инсулина и глюкокортикоидов) образованием сахара из белков и жиров в печени (усиливается глюкокортикоидами и ослабляется жиров в печени (усиливается глюкокортикоидами и ослабляется инсулином).инсулином).

2. Понижение уровня сахара происходит в результате распада 2. Понижение уровня сахара происходит в результате распада глюкозы в мышцах и нервных клетках (усиливается под действием глюкозы в мышцах и нервных клетках (усиливается под действием инсулина и тироксина) образование гликогена из глюкозы инсулина и тироксина) образование гликогена из глюкозы (усиливается под действием инсулина и глюкортикоидов) этот (усиливается под действием инсулина и глюкортикоидов) этот процесс ведет к аккумулированию углеводов в печени и мышцах процесс ведет к аккумулированию углеводов в печени и мышцах образованию жиров из глюкозы.образованию жиров из глюкозы.


Система регуляции сахара в кровиСистема регуляции сахара в крови

ЦНС ЦФ

ЭПТонкий

кишечник

Печень

Мышцы

Нервныеклетки

Жироваяткань

Почки

Всасывание сахара

Распад гликогена доглюкозы

Образование сахараиз белков и жиров

Поджелудочная железа

Мозговойслой надпо-

чечников

Распад глюкозы

Образование жиров изглюкозы

Образование гликогенаиз глюкозы

АдреналинГликоген

Глюкокортекоиды

Выводсахара

Уровеньсахара в

крови

КПЭ

ГлюкорецепторыРП

0

ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. Любая биологическая система необычайно сложна, включает 1. Любая биологическая система необычайно сложна, включает множество разнообразных подсистем с многообразными и множество разнообразных подсистем с многообразными и подвижными связями и функциями, что приводит к большому подвижными связями и функциями, что приводит к большому количеству возможных состояний.количеству возможных состояний.

2. При изучении биологической системы приходится считаться с 2. При изучении биологической системы приходится считаться с непрерывно изменяющимся комплексом множества факторов, активно непрерывно изменяющимся комплексом множества факторов, активно воздействующих на систему или на подсистему.воздействующих на систему или на подсистему.

3. Состояния биологической системы описывается набором 3. Состояния биологической системы описывается набором физиологических процессов и большим количеством разнородных физиологических процессов и большим количеством разнородных медико-биологических показателей, число которых окончательно не медико-биологических показателей, число которых окончательно не установлено. При этом процессы и показатели неоднозначно установлено. При этом процессы и показатели неоднозначно определяют состояние системы.определяют состояние системы.

4. Для биосистем характера качественная неоднородность, 4. Для биосистем характера качественная неоднородность, проявляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной проявляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной системы совместно и слажено работают разнородные подсистемы с системы совместно и слажено работают разнородные подсистемы с разными постоянными времени, с качественно различными разными постоянными времени, с качественно различными управляющими сигналами (химическими, физическими, управляющими сигналами (химическими, физическими, информационными).информационными).

5. Большое число параметров, описывающих биологическую систему, -5. Большое число параметров, описывающих биологическую систему, -затрудняет, а иногда и исключает возможность их одновременного затрудняет, а иногда и исключает возможность их одновременного фиксирования для получения представления о мгновенном состоянии фиксирования для получения представления о мгновенном состоянии системы. системы.


6. Отсутствие количественных характеристик состояния и функций 6. Отсутствие количественных характеристик состояния и функций биологической системы приводит к тому, что результат внешних биологической системы приводит к тому, что результат внешних управляющих воздействий на нее не может быть предсказан управляющих воздействий на нее не может быть предсказан однозначно.однозначно.

7. Неоднозначность реакции на один и тот же набор сигналов внешней 7. Неоднозначность реакции на один и тот же набор сигналов внешней среды или смежных иерархических уровней указывает так же на среды или смежных иерархических уровней указывает так же на нестационарность самих биосистем. нестационарность самих биосистем.

8. Изменчивость и индивидуальность параметров приводит к широкому 8. Изменчивость и индивидуальность параметров приводит к широкому использованию в медицине и биологии методов математической использованию в медицине и биологии методов математической статистики (биометрии) статистики (биометрии)

9. Большие трудности возникают при измерении параметров 9. Большие трудности возникают при измерении параметров внутренней среды биологических систем без нарушения их внутренней среды биологических систем без нарушения их целостности, без внесения искажений в измеряемый параметр из-за целостности, без внесения искажений в измеряемый параметр из-за физиологичности эксперимента.физиологичности эксперимента.

10. Сложность измерений связана так же со сравнительно малыми 10. Сложность измерений связана так же со сравнительно малыми абсолютными значениями измеряемых величин при больших уровнях абсолютными значениями измеряемых величин при больших уровнях шумов. шумов.


Схема потоков энергии и информации в организме Схема потоков энергии и информации в организме

МС - метаболическая система, Р - блок регуляторных механизмов, Э -блок МС - метаболическая система, Р - блок регуляторных механизмов, Э -блок эффектов, Субстраты - исходные и промежуточные продукты обмена эффектов, Субстраты - исходные и промежуточные продукты обмена

веществ (метаболитов) веществ (метаболитов)

МС

Р

ЭРеакции

ОтбросыСубстраты

Возмущения

Управление

Энергоснабжение

Энергетическаяпотребность

Метаболиты

Организм

Метаболическаясистема

Стимулы


Представления биологической системы в виде двух Представления биологической системы в виде двух взаимодействующих компонент (энергетической и взаимодействующих компонент (энергетической и управляющей) представляет собой основу системного подхода управляющей) представляет собой основу системного подхода к анализу структуры биологической системы. к анализу структуры биологической системы.

Энергетическая компонента биологической системы Энергетическая компонента биологической системы обеспечивается метаболической системой (МС), а обеспечивается метаболической системой (МС), а управляющая компонента представлена в виде блока управляющая компонента представлена в виде блока регуляторных механизмов (Р) (генетическое и физиологическое регуляторных механизмов (Р) (генетическое и физиологическое управление) и блока эффекторов (Э)управление) и блока эффекторов (Э)

Метаболизм - совокупность химических реакций, протекающих Метаболизм - совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста и размножения.энергией для его жизнедеятельности, роста и размножения.

Метаболиты - это продукты внутриклеточного обмена, Метаболиты - это продукты внутриклеточного обмена, подлежащие окончательному распад и удалению из организма. подлежащие окончательному распад и удалению из организма.


Механизм генетического управленияМеханизм генетического управления

Генетическая система, получая от остальных систем энергию и информацию в Генетическая система, получая от остальных систем энергию и информацию в виде метаболитов (продуктов обмена веществ) или в виде гормонов роста в виде метаболитов (продуктов обмена веществ) или в виде гормонов роста в период становления организма, управляет процессами синтеза необходимых период становления организма, управляет процессами синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма. веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма.

Генетическоеуправление

Метаболическаясистема

Прочиесистемы

Энергия

Информация

Вещество


Система физиологического управленияСистема физиологического управления

Поведенческие реакции организма осуществляются системой физиологического Поведенческие реакции организма осуществляются системой физиологического управления. Функционирование эффекторных и других систем, потребляющих управления. Функционирование эффекторных и других систем, потребляющих энергию: мышцы, органы обоняния, органы осязания, работающие ткани энергию: мышцы, органы обоняния, органы осязания, работающие ткани внутренних органов, приводит к увеличению расхода вещества и энергии, внутренних органов, приводит к увеличению расхода вещества и энергии, который должен компенсироваться увеличением темпов синтеза вещества и который должен компенсироваться увеличением темпов синтеза вещества и энергии в метаболической системе.энергии в метаболической системе.

На этом уровне физиологическое управление обеспечивает адекватное На этом уровне физиологическое управление обеспечивает адекватное управление и снабжение всех подсистем в соответствии с возникающими управление и снабжение всех подсистем в соответствии с возникающими потребностями: генетическая система образует структуру биологической потребностями: генетическая система образует структуру биологической системы, а физиологические процессы в системах осуществляют ее функцию системы, а физиологические процессы в системах осуществляют ее функцию (устойчивости и подвижности). (устойчивости и подвижности).

Реафферентация

Физиологическоеуправление

Эффекторы

Стимулы

Ионы, молекулы, импульсы


При описании живых систем используются два типа величин При описании живых систем используются два типа величин характеризующих функционирование или состояния той или иной характеризующих функционирование или состояния той или иной системы. Один из них связан с количеством веществ. Эти величины, системы. Один из них связан с количеством веществ. Эти величины, называются называются уровнямиуровнями..

Пример: уровень сахара в крови,Пример: уровень сахара в крови, концентрация различных субстратов или концентрация различных субстратов или ферментов в клетках, содержание гемоглобина в крови, температура тела, ферментов в клетках, содержание гемоглобина в крови, температура тела, содержание биомассы в некотором объеме, количество животных данного содержание биомассы в некотором объеме, количество животных данного вида на единице площади и т.д.вида на единице площади и т.д.

Другой тип переменных связан с изменением уровней, Другой тип переменных связан с изменением уровней, характеризующих динамику процессов. Эти величины, называются характеризующих динамику процессов. Эти величины, называются темпамитемпами. .

Пример: темп синтеза ферментов, темп поступления кислорода в ткани, Пример: темп синтеза ферментов, темп поступления кислорода в ткани, темпы роста популяции данного вида и т.д.темпы роста популяции данного вида и т.д.

УровниУровни отражают достигнутое состояние системы, а отражают достигнутое состояние системы, а темпытемпы - ее - ее

активность, интенсивность протекания в ней процессов.активность, интенсивность протекания в ней процессов.

ГОМЕОСТАЗ И РЕГУЛЯЦИЯ ПАРАМЕТРОВГОМЕОСТАЗ И РЕГУЛЯЦИЯ ПАРАМЕТРОВ

Сохранительные свойства биологических систем связаны с Сохранительные свойства биологических систем связаны с поддержанием гомеостаза, обеспечивающим постоянство поддержанием гомеостаза, обеспечивающим постоянство существенных для жизнедеятельности системы переменных при существенных для жизнедеятельности системы переменных при наличии возмущений во внешней среде.наличии возмущений во внешней среде.

Гомеостаз организма является результатом одновременного действия Гомеостаз организма является результатом одновременного действия многочисленных и сложно организованных регуляторных механизмов, многочисленных и сложно организованных регуляторных механизмов, что предполагает наличие в организме целого набора "биологических" что предполагает наличие в организме целого набора "биологических" приборов (термостатов» регуляторов давления и т. п.), что и приборов (термостатов» регуляторов давления и т. п.), что и составляет гомеостатический механизм. составляет гомеостатический механизм.

Гомеостаз обеспечивает:Гомеостаз обеспечивает: во-первых, состояние равновесия в живых организме, относящееся к во-первых, состояние равновесия в живых организме, относящееся к

различным функциям и химическому составу жидкостей и тканей;различным функциям и химическому составу жидкостей и тканей; во-вторых, осуществляется процесс, посредством которого во-вторых, осуществляется процесс, посредством которого

поддерживается это равновесия.поддерживается это равновесия.

В живых системах имеет место иерархия трех уровней. В живых системах имеет место иерархия трех уровней.


Иерархия целей в биологической системеИерархия целей в биологической системе

q

h

s

p

V1

V2


Иерархия целей в биологической системеИерархия целей в биологической системе Если сигналы и рассматривать как постоянные возмущения, то на Если сигналы и рассматривать как постоянные возмущения, то на

плоскости (плоскости (vv11, v, v22) можно выделить область ) можно выделить область SS регуляторные регуляторные механизмы биосистемы обеспечивают существование стационарных механизмы биосистемы обеспечивают существование стационарных режимов и меньшую область режимов и меньшую область hh, в которой поддерживается гомеостаз. , в которой поддерживается гомеостаз. Наконец, условно можно выделить еще более узкую область Наконец, условно можно выделить еще более узкую область qq, для , для которой характерно наиболее высокое качество функционирования которой характерно наиболее высокое качество функционирования биосистемы.биосистемы.

По мере ухудшения условий в системе происходит "отказ" от По мере ухудшения условий в системе происходит "отказ" от иерархически менее важных целей, связанных с получением иерархически менее важных целей, связанных с получением "оптимальных характеристик" (область "оптимальных характеристик" (область qq). Дальнейшее ухудшение ). Дальнейшее ухудшение условий приводит к потере гомеостатических свойств (выход условий приводит к потере гомеостатических свойств (выход изображающей точки за пределы области изображающей точки за пределы области hh), а затем и потере ), а затем и потере способности системы обеспечить стационарный режим при выходе за способности системы обеспечить стационарный режим при выходе за пределы области пределы области SS..

В этом случае жизнедеятельность системы может поддерживаться В этом случае жизнедеятельность системы может поддерживаться лишь некоторое ограниченное время за счет запасов вещества и лишь некоторое ограниченное время за счет запасов вещества и энергии, имеющихся в системе, и расход которых временно позволяет энергии, имеющихся в системе, и расход которых временно позволяет сохранять равенство темпов расходования веществ в местах их траты сохранять равенство темпов расходования веществ в местах их траты и скорости поступления веществ к этим местам из "дело" внутри и скорости поступления веществ к этим местам из "дело" внутри системы (область системы (область pp,).,).


Простой внешний контур активного управления и внутренний Простой внешний контур активного управления и внутренний механизм пассивного управления в метаболической системе механизм пассивного управления в метаболической системе

S -S - чувствительный элемент; чувствительный элемент; D -D - эффект; эффект; ММ - устройство обработки - устройство обработки информации; информации; ААВ -В - изменение реакции х, изменение реакции х, у -у - соответствие входной и выходной соответствие входной и выходной потоки вещества.потоки вещества.

A B

S

R

D

M

yx

v


Простой автоматический регулятор по отклонению с Простой автоматический регулятор по отклонению с отрицательной ОС отрицательной ОС

Регулятор Объект регулирования+-

Вход E

y Обратная связьЗадающий сигнал,

установка

Выход


Общая схема механизма регулирования темпа поступления Общая схема механизма регулирования темпа поступления кислорода в тканикислорода в ткани

Орган (объект регулирования) потребует кислород с темпом Орган (объект регулирования) потребует кислород с темпом uu, а целью , а целью регулирования является обеспечение поступления кислорода с тем же темпом регулирования является обеспечение поступления кислорода с тем же темпом (выходная величина) (выходная величина) уу..

Сигнал рассогласования поступает на вход регулятора, который вырабатывает Сигнал рассогласования поступает на вход регулятора, который вырабатывает управляющий сигнал управляющий сигнал EE==ww-у,-у, поступающий на вход объекта регулирования, поступающий на вход объекта регулирования, подверженный внешнему возмущающему воздействию подверженный внешнему возмущающему воздействию v=p0v=p022 (градиент (градиент напряжения кислорода между тканями и артериальной кровью). напряжения кислорода между тканями и артериальной кровью).

Регулятор Объект регулирования+-

uw yE

V=рО 2возмущение

y


Схема пассивной регуляции темпа поступления Схема пассивной регуляции темпа поступления кислорода в тканикислорода в ткани

Разность между темпами потребления и поступления, накапливаясь, дает Разность между темпами потребления и поступления, накапливаясь, дает напряжение кислорода в тканяхнапряжение кислорода в тканях

где где x0 -x0 - исходное значение концентрации кислорода (при исходное значение концентрации кислорода (при tt=0);=0);V-V- объем тканевого резервуара. объем тканевого резервуара.

К+-

w yE

V- возмущения

y

1V

Резервуар

+-x

Темп оттока крови

T

xdtwyV

x0

,0)(1

ГОМЕОСТАЗ И РЕГУЛЯЦИЯ ПАРАМЕТРОВГОМЕОСТАЗ И РЕГУЛЯЦИЯ ПАРАМЕТРОВСхема моделирования дыхательного хемостата Гродинза Схема моделирования дыхательного хемостата Гродинза

Выходными сигналами модели являются уровни вещества. Выходными сигналами модели являются уровни вещества. М-М- темп выделения CO2 в процессе метаболизма ( темп выделения CO2 в процессе метаболизма (M=consM=constt););h-h- вспомогательная константа; вспомогательная константа;а. а. bb, с, d, g-, с, d, g- коэффициенты, определяемые структурой дыхательной системы. коэффициенты, определяемые структурой дыхательной системы.В схеме хемостата имеются два интегратора, с выходными переменными. В схеме хемостата имеются два интегратора, с выходными переменными.

d

+c

d

B

b

Mh

+

++- -

ПРИНЦИПЫ СИНТЕЗА БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМПРИНЦИПЫ СИНТЕЗА БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Определение и общие свойства БТСОпределение и общие свойства БТС

Биотехническая система (БТС)Биотехническая система (БТС) представляет собой совокупность представляет собой совокупность биологических и технических элементов, объединенных в единую биологических и технических элементов, объединенных в единую функциональную систему целенаправленного поведения.функциональную систему целенаправленного поведения.

Основным свойством БТС является Основным свойством БТС является суперадаптивностьсуперадаптивность, обусловленная , обусловленная наличием двух контуров адаптации - внешнего и внутреннего.наличием двух контуров адаптации - внешнего и внутреннего.

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

Внутренний контурВнутренний контур (или многие контуры) позволяет элементам БТС взаимно (или многие контуры) позволяет элементам БТС взаимно адаптироваться к изменению состояния друг друга, вызванного воздействием адаптироваться к изменению состояния друг друга, вызванного воздействием внешних или внутренних факторов. внешних или внутренних факторов.

Т.о., в БТС наличие биологических звеньев позволяет придать общим Т.о., в БТС наличие биологических звеньев позволяет придать общим свойствам системы особую пластичность, улучшить адаптивные характеристики свойствам системы особую пластичность, улучшить адаптивные характеристики во внешнем контуре адаптации (особенно в системах типа "человек" - "машина" во внешнем контуре адаптации (особенно в системах типа "человек" - "машина" - "окружающая среда").- "окружающая среда").


Основные принципы сопряжения технических и Основные принципы сопряжения технических и биологических элементовбиологических элементов

1.1. Принцип адекватности, требующий согласования основных Принцип адекватности, требующий согласования основных конструктивных параметров и "управленческих конструктивных параметров и "управленческих характеристик" биологических и технических элементов БТС.характеристик" биологических и технических элементов БТС.

2.2. Принцип единства информационной среды, требующий Принцип единства информационной среды, требующий согласования свойств информационных потоков, согласования свойств информационных потоков, циркулирующих между техническими и биологическими циркулирующих между техническими и биологическими элементами как в афферентных, гак и в эффекторных цепях элементами как в афферентных, гак и в эффекторных цепях БТС.БТС.


Принципы бионического подходаПринципы бионического подхода

1. При построении структурно-функциональной схемы БТС 1. При построении структурно-функциональной схемы БТС используется принцип обработки основных потоков используется принцип обработки основных потоков информации специализированными периферическими информации специализированными периферическими системами. системами.

2. Периферические системы могут "очувствляться", а 2. Периферические системы могут "очувствляться", а информация может перераспределяться по различным информация может перераспределяться по различным сенсорным воспринимающим входам.сенсорным воспринимающим входам.

3. Основные элементы системы обмениваются информацией, 3. Основные элементы системы обмениваются информацией, что позволяет осуществлять процедуры внешней и внутренней что позволяет осуществлять процедуры внешней и внутренней адаптации. адаптации.

4. Используется свойственный живым организмам принцип 4. Используется свойственный живым организмам принцип качественных оценок ситуации с последующим уточнением с качественных оценок ситуации с последующим уточнением с помощью относительных измерений и сравнение с выбранным помощью относительных измерений и сравнение с выбранным эталонным порогом.эталонным порогом.

5. Вводится специальный контур системы регенерации (контур 5. Вводится специальный контур системы регенерации (контур нормализации состояния оператора), управляемый системой нормализации состояния оператора), управляемый системой текущей диагностики. текущей диагностики.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В БТСОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В БТС

Общие вопросы теории моделирования БТСОбщие вопросы теории моделирования БТС В области естественных наук наиболее распространенными являются два вида В области естественных наук наиболее распространенными являются два вида

моделирования:моделирования: физическоефизическое;; математическоематематическое.. Процесс физического моделирования состоит в изучении посредством анализа Процесс физического моделирования состоит в изучении посредством анализа

некоторого макета, сохраняющего физическую природу системы.некоторого макета, сохраняющего физическую природу системы. Пример: модель метательного аппарата, исследуемая в аэродинамической трубе, Пример: модель метательного аппарата, исследуемая в аэродинамической трубе,

искусственное сердце, искусственные легкие и т. д. искусственное сердце, искусственные легкие и т. д.

Модели физического типа имеют органическую сферу применения, т.к. не для Модели физического типа имеют органическую сферу применения, т.к. не для всяких явлений и объектов могут быть построены физические аналоги. Это всяких явлений и объектов могут быть построены физические аналоги. Это привело к распространению математического моделирования объектов и привело к распространению математического моделирования объектов и процессов. Динамика функционирования различных по физической природе процессов. Динамика функционирования различных по физической природе систем зачастую описывается однотипными математическими зависимостями.систем зачастую описывается однотипными математическими зависимостями.

Математическую модель строят на основе законов и закономерностей, Математическую модель строят на основе законов и закономерностей, выявленных фундаментальными науками. выявленных фундаментальными науками.

Пример: одними и теми же уравнениями может быть описан электрический Пример: одними и теми же уравнениями может быть описан электрический колебательный контур и пружинный маятник. Математическое моделирование колебательный контур и пружинный маятник. Математическое моделирование основано на том факте, что различные изучаемые явления могут иметь одинаковое основано на том факте, что различные изучаемые явления могут иметь одинаковое математическое описание. математическое описание.


Классификация математических моделей Классификация математических моделей Одномерные вероятностные модели :Одномерные вероятностные модели : параметрические;непараметрические. параметрические;непараметрические. При построении параметрической модели распределение случайных величин При построении параметрической модели распределение случайных величин

аппроксимируется известным вероятными законами распределения (чаще всего аппроксимируется известным вероятными законами распределения (чаще всего нормальным законом). нормальным законом).

Пример: когда в справочнике указано, что у здорового человека в состоянии покоя объем Пример: когда в справочнике указано, что у здорового человека в состоянии покоя объем вдыхаемого воздуха составляет 400-800 мл, это значит, что распределение величины вдыхаемого воздуха составляет 400-800 мл, это значит, что распределение величины объема моделируются равномерным законом. объема моделируются равномерным законом.

Непараметрическими моделями называются те, у которых закон распределения Непараметрическими моделями называются те, у которых закон распределения случайных величин неизвестен. случайных величин неизвестен.

Многомерные вероятностные моделиМногомерные вероятностные модели Представляют собой многомерные описания состояния биотехнических систем Представляют собой многомерные описания состояния биотехнических систем

и процессов в них протекающих, к признакам этих систем относят существенные и процессов в них протекающих, к признакам этих систем относят существенные параметры, характеризующие определенные единицы наблюдения. параметры, характеризующие определенные единицы наблюдения.

Двухмерное пространство признаков, образованное двумя Двухмерное пространство признаков, образованное двумя переменными, содержит скопление точек на плоскости.переменными, содержит скопление точек на плоскости.

Трехмерное пространство, образованное тремя переменными Трехмерное пространство, образованное тремя переменными содержит облака точек - наблюдений. содержит облака точек - наблюдений.

Пример: геометрические размеры и биохимические характеристики клетки, Пример: геометрические размеры и биохимические характеристики клетки, интервалы между зубцами ЭКГ и т. д. интервалы между зубцами ЭКГ и т. д.


Детерминированные моделиДетерминированные модели

а) С непрерывным пространством и временем представляют а) С непрерывным пространством и временем представляют собой функциональные или аналитические зависимости. Эти собой функциональные или аналитические зависимости. Эти модели чаще всего отображают процессы, а не состояния.модели чаще всего отображают процессы, а не состояния.

Пример: в фармакологии при описании зависимости "доза-Пример: в фармакологии при описании зависимости "доза-эффект" при описании физиологических процессов: обмена эффект" при описании физиологических процессов: обмена веществ, роста и развития и т. п.веществ, роста и развития и т. п.

б) С дискретным пространством и временем (так называется б) С дискретным пространством и временем (так называется логические). Используются при решении ряда комбинаторных логические). Используются при решении ряда комбинаторных задач. задач.


Модели процессов управленияМодели процессов управления

Управления в БТС может осуществляться с использованием Управления в БТС может осуществляться с использованием обратной связи и без нее. В соответствие с этим модели обратной связи и без нее. В соответствие с этим модели процессов управления могут быть разделены на группы:процессов управления могут быть разделены на группы:

- модели с незамкнутыми контурами;- модели с незамкнутыми контурами; - модели с замкнутыми контурами.- модели с замкнутыми контурами. В модели с незамкнутыми контурами отсутствует ОС, т.е. это В модели с незамкнутыми контурами отсутствует ОС, т.е. это

открытая система, которой свойственно регулирование по открытая система, которой свойственно регулирование по возмущению. При этом учитывается только информация о возмущению. При этом учитывается только информация о величине возмущения, но не о результатах регулирования.величине возмущения, но не о результатах регулирования.

Пример: использование глюкозы для подкормки организма в Пример: использование глюкозы для подкормки организма в период его ослабления.период его ослабления.

В моделях с замкнутыми контурами управления В моделях с замкнутыми контурами управления осуществляется регулирование по отклонению, в величине осуществляется регулирование по отклонению, в величине которого за счет обратной связи учитывается информация о которого за счет обратной связи учитывается информация о результатах регулирования. Это замкнутые системы результатах регулирования. Это замкнутые системы управления и саморегулирующиеся.управления и саморегулирующиеся.

Пример; введение лекарственных препаратов, снижающих Пример; введение лекарственных препаратов, снижающих уровень сахара в крови, больному сахарным диабетом.уровень сахара в крови, больному сахарным диабетом.


Основные этапы моделированияОсновные этапы моделирования 1. Постановка цели моделирования1. Постановка цели моделирования Для одной и той же системы можно составить множество моделей. Они будут Для одной и той же системы можно составить множество моделей. Они будут

отличаться степенью детализации и учета тех или иных особенностей системы и отличаться степенью детализации и учета тех или иных особенностей системы и режимов ее функционирования. режимов ее функционирования.

2.Создание концептуальной модели2.Создание концептуальной модели Концептуальная (или содержательная) модель – это словесное описание системы – ее Концептуальная (или содержательная) модель – это словесное описание системы – ее

состав и структура, свойства входящие в нее элементов и причинно – следственные состав и структура, свойства входящие в нее элементов и причинно – следственные связи. связи.

3. 3. Формирование информационного обеспечения моделиФормирование информационного обеспечения модели При создании концептуальной модели определяются качественные и количественные При создании концептуальной модели определяются качественные и количественные

параметры БТС и внешних воздействий на нее. К качественным параметрам относят параметры БТС и внешних воздействий на нее. К качественным параметрам относят те, которые нельзя оценить в каких- то единицах измерений. Для количественных те, которые нельзя оценить в каких- то единицах измерений. Для количественных параметров необходимо определить их конкретные значения, которые будут параметров необходимо определить их конкретные значения, которые будут использованы в виде исходных данных при моделировании. использованы в виде исходных данных при моделировании.

4. Разработка математической модели4. Разработка математической модели 5. Выбор метода моделирования5. Выбор метода моделирования Разработанная математическая модель может быть исследована различными Разработанная математическая модель может быть исследована различными

методами: аналитическими; имитационными.методами: аналитическими; имитационными.


Основные этапы моделированияОсновные этапы моделирования

6. 6. Технические средства моделированияТехнические средства моделирования 7. Корректировка модели7. Корректировка модели При выявлении недопустимого рассогласования модели и системы возникает При выявлении недопустимого рассогласования модели и системы возникает

необходимость в корректировке модели. При этом могут быть выделены следующие необходимость в корректировке модели. При этом могут быть выделены следующие типы изменений:типы изменений:

глобальные (требуют для устранения разработки новой модели);глобальные (требуют для устранения разработки новой модели); локальные (требуют частичного изменения математической модели);локальные (требуют частичного изменения математической модели); параметрические (изменения некоторых параметров (калиброванных).параметрические (изменения некоторых параметров (калиброванных).

8. Проверка адекватности модели8. Проверка адекватности модели 9. Планирование экспериментов с моделью9. Планирование экспериментов с моделью а) Стратегическое планирование. а) Стратегическое планирование. б) Тактическое планирование. б) Тактическое планирование.

10. Обработка измерений имитационного эксперимента10. Обработка измерений имитационного эксперимента 11. Использование результатов моделирования11. Использование результатов моделирования


Метод поэтапного моделирования Метод поэтапного моделирования

Подготовительный (этап 1)Подготовительный (этап 1) Разрабатывается структурно – функциональная схема БТС, Разрабатывается структурно – функциональная схема БТС,

конкретизируются её целевая функция (ЦФ) и возможные режимы работы. конкретизируются её целевая функция (ЦФ) и возможные режимы работы. Определяется биологический объект и предварительный алгоритм его Определяется биологический объект и предварительный алгоритм его функционирования в БТС. функционирования в БТС.

На основании априорных данных создается модель БТС с математической На основании априорных данных создается модель БТС с математической моделью биологического элемента.моделью биологического элемента.

Управленческое согласование характеристик элементовУправленческое согласование характеристик элементов БТС БТС (этап 2)(этап 2)

Осуществляются итерационные процедуры согласования характеристик Осуществляются итерационные процедуры согласования характеристик элементов БТС в едином контуре управления. элементов БТС в едином контуре управления.

Практическое значение результатов этого этапа заключается в том, что Практическое значение результатов этого этапа заключается в том, что можно отобрать операторов для БТС эргатического типа или подобрать можно отобрать операторов для БТС эргатического типа или подобрать прямой биологический аналог человеческому организму при экспериментах.прямой биологический аналог человеческому организму при экспериментах.


Метод поэтапного моделирования Метод поэтапного моделирования Информационное согласование (этап 3)Информационное согласование (этап 3) Исследуются информационные процессы, обеспечивающие соблюдение Исследуются информационные процессы, обеспечивающие соблюдение

принципов адекватности и идентификации информационной среды.принципов адекватности и идентификации информационной среды. Корректируются решающие правила, заложенные в виде программ в системы Корректируются решающие правила, заложенные в виде программ в системы

обработки информации о состоянии биологического объекта;обработки информации о состоянии биологического объекта; Разрабатываются специальные требования к техническим устройствам, Разрабатываются специальные требования к техническим устройствам,

согласующим информационные и управленческие характеристики согласующим информационные и управленческие характеристики технической и биологической частей БТС, получившие названия логических технической и биологической частей БТС, получившие названия логических фильтров – преобразователей (ЛФП).фильтров – преобразователей (ЛФП).

Заключительный (этап 4)Заключительный (этап 4) Проводится исследование БТС в полунатурных (модельных) и натурных Проводится исследование БТС в полунатурных (модельных) и натурных

условиях.условиях. Идет обработка данных эксперимента и окончательная корректировка Идет обработка данных эксперимента и окончательная корректировка

математической модели.математической модели. Подготавливаются задания на инженерную разработку БТС. Подготавливаются задания на инженерную разработку БТС.

КЛАССИФИКАЦИЯ БТСКЛАССИФИКАЦИЯ БТС

По характеру основной целевой функции БТС разделены на По характеру основной целевой функции БТС разделены на

3 группы:3 группы: - БТС медицинского назначения (БТС – М);- БТС медицинского назначения (БТС – М); - БТС эргатического типа (БТС – Э) с человеком – оператором в - БТС эргатического типа (БТС – Э) с человеком – оператором в

качестве управляющего звена;качестве управляющего звена; - БТС целенаправленного управления поведением целостного - БТС целенаправленного управления поведением целостного

организма (БТС – У).организма (БТС – У).

В настоящее время к этим группам дополнительно относятся:В настоящее время к этим группам дополнительно относятся: БТС лабораторного анализа (БТС-ЛА);БТС лабораторного анализа (БТС-ЛА); Мониторные системы (МС);Мониторные системы (МС); БТС искусственного жизнеобеспечения.БТС искусственного жизнеобеспечения.

БТС медицинского назначения (БТС – М)БТС медицинского назначения (БТС – М) БТС-М предназначены для использования в медицинских БТС-М предназначены для использования в медицинских

целях, главным из которых являютсяцелях, главным из которых являются: :

1) Диагностика состояния живого организма (текущая), 1) Диагностика состояния живого организма (текущая), проводимая в реальном масштабе времени, и проводимая в реальном масштабе времени, и дифференциальная, осуществляемая в процессе дифференциальная, осуществляемая в процессе апостериорной медико-биологической информации.апостериорной медико-биологической информации.

2) Управление состоянием организма для его нормализации 2) Управление состоянием организма для его нормализации (методами дискретной или непрерывной коррекции).(методами дискретной или непрерывной коррекции).

3) Временная или длительная компенсация утраченных 3) Временная или длительная компенсация утраченных функций органов или физиологических систем живого функций органов или физиологических систем живого организма.организма.

4) Протезирование и коррекция функций сенсорных систем 4) Протезирование и коррекция функций сенсорных систем или двигательного аппарата.или двигательного аппарата.

5) Различные медико-биологические исследования и лечебные 5) Различные медико-биологические исследования и лечебные процедуры, связанные с применением приборов активного процедуры, связанные с применением приборов активного вмешательства, сочлененных с живым организмом в единую вмешательства, сочлененных с живым организмом в единую БТС.БТС.

БТС медицинского назначения (БТС – М)БТС медицинского назначения (БТС – М)

Вся медико-биологическая информация разделяется на Вся медико-биологическая информация разделяется на медленно изменяющиеся процессы (МИП)медленно изменяющиеся процессы (МИП) и и быстроизменяющиеся процессы (БИП).быстроизменяющиеся процессы (БИП). При этом к При этом к МИПМИП относят процессы, частота изменения которых ниже 1 Гц, а относят процессы, частота изменения которых ниже 1 Гц, а мгновенные значения могут быть выражены цифрой.мгновенные значения могут быть выражены цифрой.

Пример:Пример: частота сердечных сокращений;частота сердечных сокращений; частота дыхания;частота дыхания; температура тела и др.температура тела и др. К К БИПБИП относятся, главным образом, электрофизические относятся, главным образом, электрофизические

процессы, характеризуемые изменением электрических процессы, характеризуемые изменением электрических потенциалов на поверхности кожи или на отдельных локальных потенциалов на поверхности кожи или на отдельных локальных участках организма под ее покровами.участках организма под ее покровами.

Пример:Пример: электрокардиосигнал (ЭКС) (ЭКГ);электрокардиосигнал (ЭКС) (ЭКГ); электроэнцефалограмма (ЭЭГ);электроэнцефалограмма (ЭЭГ); электромиограмма (ЭМГ) и др.электромиограмма (ЭМГ) и др. Частотные спектры БИП находятся в диапазоне 0,1…1000 Гц. Частотные спектры БИП находятся в диапазоне 0,1…1000 Гц.


Схема получения медико-биологической информацииСхема получения медико-биологической информации

Биообъект

ДПИ

МИП БИП

Блок предварительнойобработки

Передатчик ЛФИ


Структурная схема измерительно-информационной БТС – МСтруктурная схема измерительно-информационной БТС – М

БУ БПДПИ-МИП

П

БУ БСИДПИ-БИП

БВИП

ЛС

ААС

1 2 3

СОИ

В

ДП БР

ОП

Биотехнические системы эргатического типа (БТС – Э)Биотехнические системы эргатического типа (БТС – Э)

В подобных системах (БТС – Э) или (по общепринятой В подобных системах (БТС – Э) или (по общепринятой терминологии) в системах “человек-машина” биологическое терминологии) в системах “человек-машина” биологическое звено представлено человеком-оператором, выполняющим звено представлено человеком-оператором, выполняющим различные функции в замкнутом контуре управления различные функции в замкнутом контуре управления технической системой. технической системой.

В процессе анализа и синтеза БТС – Э практически приходится В процессе анализа и синтеза БТС – Э практически приходится иметь дело с моделированием на четырех уровнях:иметь дело с моделированием на четырех уровнях:

тканевом (в случае моделирования процессов метаболизма при тканевом (в случае моделирования процессов метаболизма при определении энергозатрат организма человека в процессе определении энергозатрат организма человека в процессе деятельности);деятельности);

органном (при бионических исследованиях органов восприятия органном (при бионических исследованиях органов восприятия для оптимального сопряжения их с техническими элементами для оптимального сопряжения их с техническими элементами информационных каналов);информационных каналов);

организменном (при исследовании поведения оператора в организменном (при исследовании поведения оператора в процессе управления динамическими процессами);процессе управления динамическими процессами);

популяционном (про разработке методов управления популяционном (про разработке методов управления популяцией живых организмов с целью организации их популяцией живых организмов с целью организации их целенаправленного поведения). целенаправленного поведения).


Техническая реализация метода поэтапного моделирования Техническая реализация метода поэтапного моделирования воплощается в тренажерно – моделирующем комплексе воплощается в тренажерно – моделирующем комплексе (ТМК). ТМК является многоцелевой универсальной системой, (ТМК). ТМК является многоцелевой универсальной системой, предназначенной для:предназначенной для:

учета человеческого фактора на ранних стадиях синтеза БТС учета человеческого фактора на ранних стадиях синтеза БТС – Э;– Э;

оптимизация режима работы оператора, выработки оптимизация режима работы оператора, выработки количественных оценок эффективности их деятельности на количественных оценок эффективности их деятельности на пультах управления различных конструкций и разработки пультах управления различных конструкций и разработки инженерных рекомендаций по усовершенствованию инженерных рекомендаций по усовершенствованию существующих систем управления эргатического типа;существующих систем управления эргатического типа;

получение априорной информации с целью обоснования получение априорной информации с целью обоснования модели идеального оператора применительно к системе модели идеального оператора применительно к системе данного типа;данного типа;

разработки методик профотбора, обучения и тренировок разработки методик профотбора, обучения и тренировок операторов, а так же для подготовки операторов методов операторов, а так же для подготовки операторов методов стадийной тренировки;стадийной тренировки;

тренировки операторов комплексов и систем в период их тренировки операторов комплексов и систем в период их разработки задолго до их воплощения в действующие –разработки задолго до их воплощения в действующие –конструкции.конструкции.


Структурная схема тренажерно – моделирующего комплексаСтруктурная схема тренажерно – моделирующего комплекса

Моделирование внешнейобстановки

СредаОбъект

воздействия

Рабочее место оператора

Моделированиединамики объекта

управления

Анализ деятельностиоператора

Анализпсихофизиологического

состояния оператора

Оценка стоимостирезультата

Рабочее место инструктора

Управлениеобстановкой

Блокпрограмм

Индикация

Управлениеобъектом

Управлениережимами

Регистрация


Структурная схема адаптивной БТС – ЭСтруктурная схема адаптивной БТС – Э

С

ОбУ

СУС

ЛФП1

ПУ

ИП

ОУ

О

НСО

СОДО

МИП

БИП

БВИП

ЛФП2

МА

КС ААС

МС

Биотехнические системы управления (БТС-У)Биотехнические системы управления (БТС-У)

Экстракорпоральный искусственный органЭкстракорпоральный искусственный орган

ММbb- биологический организм, - биологический организм, FiFi-искусственный орган, -искусственный орган, FciFci-управляющий процессор, -управляющий процессор, FdiFdi-исполнительный процессор, -исполнительный процессор, ФФcici-управляющая среда, -управляющая среда, ФФdidi-управляемая среда-управляемая среда

Фс i

Фd i

Fd iF c i

Mb

F i

Фb i


Интракорпоральный искусственный органИнтракорпоральный искусственный орган

Mb

F i

Фс i

Фd i

Fd iF c i


Искусственный орган Mbi

Управляющее воздействие органа

Управляющий процессор Fci Исполнительный процессор Fdi

Сердце Экстракорпоральный

Интракорпональный

Не лимитированный источник энергииНеимплантированный или имплантированный источник энергии

Неимплантированный насос

Имплантированный насос

Легкое Экстракорпоральный


Источник газов(баллоны с О2,СО2 и воздухом)

Аппарат искусственного дыхания

Оксигенатор

Легкие

Почка Экстракорпоральный


Источник нестерильного диализатаИсточник стерильного диализата

Диализатор

Брюшная полость организма

Поджелудоч-наяжелеза

Экстракорпоральный


Неимплантированный дозатор инсулина

Неимплантированный или имплантированный дозатор инсулина

Магистраль экстракорпоральной кровопроводящей системыСосуд сердечно-сосудистой системы организма


Биотехнический организмБиотехнический организм

МаМа - биотехнический организм - биотехнический организм, , KdKd - исполнительный канал связи - исполнительный канал связи

F c i

F c m

K d

Fd i

Fdm

Mb

Кровь

F c m+1

F c n

Fdm+1

Fdn

Ma


Методы управления в БТС-УМетоды управления в БТС-УДецентрализованное управлениеДецентрализованное управление

МаМа – биотехнический организм, – биотехнический организм, МоМо – оператор, – оператор, МсМс – процессор, – процессор, КсКс – управляющий канал связи – управляющий канал связи

M o

F c 1

F c h

K c M c

M a


Методы управления в БТС-УМетоды управления в БТС-УУправление с пульта универсального процессораУправление с пульта универсального процессора

M o

F c 1

F c i

F c h

K c M c

M a


Методы управления в БТС-УМетоды управления в БТС-УОбъединенное управление в центральном процессореОбъединенное управление в центральном процессоре

M o

F c 1

F c h

K c M c

M a


Системы для замещения функций органов Системы для замещения функций органов выделения и внутренней секрециивыделения и внутренней секреции Общие сведения о гемодиализеОбщие сведения о гемодиализе

Гемодиализ основан на обмене веществ через Гемодиализ основан на обмене веществ через полупроницаемую мембрану, омываемую с одной стороны полупроницаемую мембрану, омываемую с одной стороны постоянным током крови, с другой - диализирующего раствора. постоянным током крови, с другой - диализирующего раствора. При этом путем диффузии и ультрафильтрации происходят При этом путем диффузии и ультрафильтрации происходят удаление из крови вредных и поступление нужных веществ. удаление из крови вредных и поступление нужных веществ. Корректируя состав диализирующего раствора, тип Корректируя состав диализирующего раствора, тип диализатора (метод подачи крови и диализирующего раствора, диализатора (метод подачи крови и диализирующего раствора, тип и площадь поверхности мембраны) и режим диализа тип и площадь поверхности мембраны) и режим диализа (частоту и длительность сеансов), можно замещать функцию (частоту и длительность сеансов), можно замещать функцию почек и поддерживать удовлетворительное состояние больных. почек и поддерживать удовлетворительное состояние больных.

Аппараты для гемодиализа состоят из трех компонентов: Аппараты для гемодиализа состоят из трех компонентов: устройства для подачи крови, устройства для приготовления и устройства для подачи крови, устройства для приготовления и подачи диализирующего раствора и диализатора. подачи диализирующего раствора и диализатора.


Факторы, определяющие параметры гемодиализаФакторы, определяющие параметры гемодиализа


Схема гемодиализаСхема гемодиализа


Об адекватности диализа судят по кинетике выведения мочевины. Об адекватности диализа судят по кинетике выведения мочевины. Для этого используют так называемый коэффициент выделения Для этого используют так называемый коэффициент выделения мочевины (КВМ) : мочевины (КВМ) :

КВМ = ((1-АМК после диализа):(АМК до диализа))х100%, КВМ = ((1-АМК после диализа):(АМК до диализа))х100%, а также безразмерную величину а также безразмерную величину Kt/V, Kt/V, где где К - клиренс мочевины, К - клиренс мочевины, t - длительность диализа и t - длительность диализа и V - объем распределения мочевины. V - объем распределения мочевины. Коэффициент выведения мочевины должен быть не менее 65%, Коэффициент выведения мочевины должен быть не менее 65%,

что эквивалентно что эквивалентно Kt/V = 1 - 1,2. Kt/V = 1 - 1,2.


Структурная схема искусственной почкиСтруктурная схема искусственной почки




Формула расчета скорости выделения воды Формула расчета скорости выделения воды искусственной почкойискусственной почкой

Q=A*L*(Q=A*L*(ΔΔP-P-ΔΔp)p)

Q - количество выделяемой воды (мл/час);Q - количество выделяемой воды (мл/час); A - площадь мембраны (м2);A - площадь мембраны (м2); L - индекс ультрафильтрации (мл/генри*м2*мм рт ст)(обычно 3 - 15);L - индекс ультрафильтрации (мл/генри*м2*мм рт ст)(обычно 3 - 15); ΔΔPP- разность гидростатического давления через мембрану (обычно 140 мм рт - разность гидростатического давления через мембрану (обычно 140 мм рт

ст);ст); ΔΔpp- разность осмотического давления через мембрану (обычно 25 мм рт ст) - разность осмотического давления через мембрану (обычно 25 мм рт ст)


Структура аппарата для гемодиализа Структура аппарата для гемодиализа

МоМо – оператор, – оператор, F F CC11 - диализный блок, - диализный блок, ММbb– организм пациента, – организм пациента,

F F CC22 – перфузионный блок, – перфузионный блок, FFC3C3 - измеритель физиологических параметров, - измеритель физиологических параметров,

Fd1 Fd1 – диализатор, – диализатор, Fd2 Fd2 - разделительные камеры магистралей, - разделительные камеры магистралей,

Кd Кd - трубопроводы кровопроводящих магистралей - трубопроводы кровопроводящих магистралей

Mo

F c1

F c 2

K d

Fd1

Fd2

Mb

F c 3

Кровь

Механическая энергия

Давление, пульс, температура


БТС экстракорпорального искусственного очищения крови БТС экстракорпорального искусственного очищения крови

ИСС ‑ искусственная «сердечно-сосудистая система»; М ‑ кровопроводящие ИСС ‑ искусственная «сердечно-сосудистая система»; М ‑ кровопроводящие магистрали; БП ‑ блок перфузионный; ИО ‑ искусственный орган; ИЭ – магистрали; БП ‑ блок перфузионный; ИО ‑ искусственный орган; ИЭ – исполнительный элемент; УЭ – управляющий элемент исполнительный элемент; УЭ – управляющий элемент


Диализные аппараты с регенерацией диализатаДиализные аппараты с регенерацией диализата

а ‑ РЕНАРТ-10-РГ; б ‑ РЕHAPT-1000-РГ а ‑ РЕНАРТ-10-РГ; б ‑ РЕHAPT-1000-РГ М – кровопроводящие магистрали; Н ‑ насос; УБП – универсальный перфузионный блок с М – кровопроводящие магистрали; Н ‑ насос; УБП – универсальный перфузионный блок с

измерителем давления, УФ – ультрафильтрат, ГД- графический дисплей; БДР -блок измерителем давления, УФ – ультрафильтрат, ГД- графический дисплей; БДР -блок рециркуляции диализата; БРГ-блок регенерации диализатарециркуляции диализата; БРГ-блок регенерации диализата

ОХРАННАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫХ ФУНКЦИЙ ОХРАННАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫХ ФУНКЦИЙ ЧЕЛОВЕКАЧЕЛОВЕКА

КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИКОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ


БТС индивидуальной защиты физиологических функций

Обращение к врачу

Заблаговременный прием лекарств

Уменьшение нагрузкиС

воев

рем

енна

я м

едец

инск

ая

пом

ощь

Контролируемые жизненно важные физиологические

функции

Физиологический параметр

Портативный микропроцессор для охранной сигнализации

Дат

чики

Верхняя граница нормы

Нижняя граница нормы

Уровень индивидуальной

нормы

Бл

ок и

ндик

ации

Человек


БТС ПРОБУЖДЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА В ОПТИМАЛЬНУЮ ФАЗУ СНАБТС ПРОБУЖДЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА В ОПТИМАЛЬНУЮ ФАЗУ СНА

Физиологические параметры

Биологическая обратная связь

- повышение устойчивости к стрессу

- увеличение работоспособности

- предотвращение невротических и

психосоматических нарушений

Портативный микропроцессор

Дат

чики

Время пробуждения

Фаза сна фиксированная

для пробуждения

Выявление фазы сна Б

лок

и

нди

кац

ии

1. Сон

2. Естественное пробуждение в

оптимальную для психоэмоциональног

о состояния фазу сна

Человек

Проектирование БТС акустического воздействияПроектирование БТС акустического воздействия

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ


Физиологические механизмы действия микровибраций Физиологические механизмы действия микровибраций

на организм человека на организм человека


СХЕМА ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯСХЕМА ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ


ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Виброакусти-ческий к анал Канал О С


СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КАНАЛА ОССТРУКТУРНАЯ СХЕМА КАНАЛА ОС

Ген ер а т о рВЧ

Регист р.уст ройст воД ет ект о р

И ссл едуе-м ы й объ ект

У си ли т ельВЧ

М о ст о ва ясхем а


Генераторлинейно

изменяющегосянапряжения

Генераторуправляемыйнапряжением

Источникопорного

напряжения

Управляемыйделитель


Регулируемыйаттенюатор

Усилительмощности

Амплитудныйдетектор

Согласующийтрансформатор

Согласующийтрансформатор

Преобразователь 2

Преобразователь 1

ЖКиндикатор

АЦП

Источникпитания

Генератор ВЧ

Гальваническаяразвязка

Предварительный

усилитель


Системаэлектродов 1

Системаэлектродов 2

Проектирование БТС для аудиометрииПроектирование БТС для аудиометрии

Строение уха человекаСтроение уха человека Область слышимых звуковОбласть слышимых звуков

абсолютный порог слышимости от абсолютный порог слышимости от 10 мкПа10 мкПа

болевой порог до 100 Паболевой порог до 100 Па опорный уровень давления 20,4 мкПаопорный уровень давления 20,4 мкПа


Пример построения тональной аудиограммыПример построения тональной аудиограммы

Проектирование БТС для аудиометрии Проектирование БТС для аудиометрии

Классификация множества качественных характеристик порогов слухаКлассификация множества качественных характеристик порогов слуха N Характеристика ПС Значения характеристики

1 Проводимость тонов = Потери слуха (ПС)

полностью сохранена В норме ПС=Н

укорочена (слегка / значительно) ПС > НПС >> Н

укорочена резко Большие ПС

понижена (резко выражено) ПС большие

2 Восприятие тонов а) всех тонов, б) неравномерноев) плохо НЧ, (сохранены ВЧ)г) плохо ВЧ, (сохранены НЧ)д) плохо СЧ, (сохр.НЧ и ВЧ)е) плохо НЧ, ВЧ, (сохр. СЧ)

а) ровныеб) зигзагообразныев) восходящаяг) нисходящаяд) вогнутаяе) выпуклая

3 Соотношение проведений

а) близка к нормеб) возможно переслушивание

а) КВИ >=10б)КВИ = 0 или < 0

Проектирование БТС для аудиометрии Проектирование БТС для аудиометрии

Типовая схема аудиометра Типовая схема аудиометра

11 — микрофон, — микрофон, 22 — генератор синусоидальных колебаний, — генератор синусоидальных колебаний, 33 — генератор белого шума, — генератор белого шума, 4 — 4 — регулятор громкости (L), регулятор громкости (L), 55 — регулятор громкости (R), — регулятор громкости (R), 6 — 6 — блок коммутации (L-R), блок коммутации (L-R), 7 — 7 — сстереофонический усилитель, тереофонический усилитель, 8,9 — 8,9 — головные телефоны воздушной проводимости (L-R) головные телефоны воздушной проводимости (L-R)

1

2

3

4

5

6 7

8

9

Микрофон дополнительн.

Предварительный усилитель

ФВЧ ФНЧ

Микрофон основной

Предварительный усилитель

Коммутатор режима речевых

сигналов ФВЧ ФНЧ

АЦП

Коммутатор режима

обработки

Микро-процессор TDA 7551

ПЗУ ОЗУ

Блок аналоговой обработки речевых сигналов

ЦАП левого канала

ЦАП правого канала

Тактовый генератор

Интерфейс внешнего

устройства

Блок адаптивной обработки речевых сигналов

Клавиатура

FLASH - память

Принтер

Управляющий микро

контролер

ЖК - индикатор

Интерфейс внешних

устройств

Блок управления и регистрации

ПФ2550-

2700Гц

ПФ1200-

900Гц

ПФ31100-

2950Гц

Детектор нулевых

пересечений





Устройство объединения

сигналов

Селекторимп.

τ < 50 мкс


τ > 100мкс


τ > 800мкс

Буферный каскад

Счетчик импульсов



PIC - контролер

Головные телефоны

Излучатели костной

проводимост.

Кнопка пациента

Коммутатор тестовых режимов

Усилитель левого канала

Усилитель правого канала

Коммутатор тестовых сигналов

Генератор шума

Генератор тона

Источник управляющего


Блок нелинейного преобразования речевого сигнала

Блок тестов

Блок пациента



Блок-схема микросхемы TDA755XБлок-схема микросхемы TDA755X


Блок схема системы распознавания речиБлок схема системы распознавания речи


Блок схема системы идентификации голоса Блок схема системы идентификации голоса


Блок схема системы синтеза речи Блок схема системы синтеза речи

Проектирование БТС ультразвуковой доплерометрииПроектирование БТС ультразвуковой доплерометрии

Доплерометрия в диагностике состояния человекаДоплерометрия в диагностике состояния человека Эффект ДоплераЭффект Доплера - зависимость наблюдаемой частоты - зависимость наблюдаемой частоты

периодического колебания от любого изменения расстояния между периодического колебания от любого изменения расстояния между источником колебания и наблюдателем. Этот эффект появляется если источником колебания и наблюдателем. Этот эффект появляется если наблюдатель или источник движутся или если излучение от наблюдатель или источник движутся или если излучение от неподвижного источника к неподвижному приходит, отражаясь от или неподвижного источника к неподвижному приходит, отражаясь от или рассеиваясь от движущегося объекта. рассеиваясь от движущегося объекта.

Наблюдаемая частота для доплеровского смещения Наблюдаемая частота для доплеровского смещения

ViVi и и VnVn- скорость источника и наблюдателя,- скорость источника и наблюдателя, ƒƒii, — частота колебаний источника, , — частота колебаний источника, С С — скорость распространения — скорость распространения

ii

nnid f

Vc

Vcfff

1)(


Доплерометрия в диагностике состояния человекаДоплерометрия в диагностике состояния человека При измерении сердцебиения ультразвук рассеивается на При измерении сердцебиения ультразвук рассеивается на

флуктуациях плотности и сжимаемости, и принятый сигнал можно флуктуациях плотности и сжимаемости, и принятый сигнал можно вычислить как сумму сигналов от исследуемых элементов на пути вычислить как сумму сигналов от исследуемых элементов на пути ультразвукового пучка. ультразвукового пучка.

θθii, и θ, и θnn - углы между вектором скорости и направлениями излучения и - углы между вектором скорости и направлениями излучения и приема; приема;

ƒƒii - частота излучения - частота излучения

iii

nnd f

Vc

Vcf

cos

cos1


Соотношение типов потока и скоростей при локальном сужении Соотношение типов потока и скоростей при локальном сужении сонной артерии сонной артерии


Прохождение УЗ луча через границу раздела двух средПрохождение УЗ луча через границу раздела двух сред

контактная

α

β

поверхность

полистерол

мягкие ткани

С =2350м/с1

С =1550м/с2


Прохождение УЗ лучей сквозь тело пациентаПрохождение УЗ лучей сквозь тело пациента

сердце

β

γ

дальняя зона

пластина

контактнаяповерхность

УЗ излучениеβ

приемнаяпьезокерамическая

пластина

α

ближняя зона

излучающаяпьезокерамическая

α


Непрерывно-волновой (а) и импульсный (б) УЗ доплеровские Непрерывно-волновой (а) и импульсный (б) УЗ доплеровские датчикидатчики


Непрерывно-волновой доплеровский прибор со звуковой Непрерывно-волновой доплеровский прибор со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотокаиндикацией без выделения информации о направлении кровотока

1 – 1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 – задающий генератор, 5 УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 – задающий генератор, 5 – синхронный детектор, 6 – кварцевый резонатор, 7 – полосовой фильтр, 8 – – синхронный детектор, 6 – кварцевый резонатор, 7 – полосовой фильтр, 8 – УНЧ, 9 – громкоговоритель УНЧ, 9 – громкоговоритель


Импульсный УЗ доплеровский прибор со звуковой индикацией без Импульсный УЗ доплеровский прибор со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотокавыделения информации о направлении кровотока

1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 - формирователь импульсов 1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 - формирователь импульсов разрешения передачи, 5 – селектор передачи, 6 – селектор приема, 7 - формирователь разрешения передачи, 5 – селектор передачи, 6 – селектор приема, 7 - формирователь импульсов разрешения приема (линия задержки), 8 - задающий генератор, 9 – синхронный импульсов разрешения приема (линия задержки), 8 - задающий генератор, 9 – синхронный детектор, 10 – УВХ, 11 – кварцевый резонатор, 12 – полосовой фильтр, 13 – УНЧ, 14 – детектор, 10 – УВХ, 11 – кварцевый резонатор, 12 – полосовой фильтр, 13 – УНЧ, 14 – громкоговоритель громкоговоритель


Схема квадратурного демодулятораСхема квадратурного демодулятора

Квадратурный сигналКвадратурный сигнал

)2

cos(2

1)

2cos(

2

1)(

~ twAtwAtQ fff


Выделение сигналов прямого и обратного кровотока в фазовой Выделение сигналов прямого и обратного кровотока в фазовой областиобласти

)2

cos()( fff twAtF)cos()( twAtR


Непрерывно-волновой доплеровский прибор с выделением Непрерывно-волновой доплеровский прибор с выделением информации о направлении скорости кровотокаинформации о направлении скорости кровотока

1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 – задающий генератор, 5 – 1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 – задающий генератор, 5 – синхронный детектор и схема формирования квадратурных сигналов, 6 – кварцевый синхронный детектор и схема формирования квадратурных сигналов, 6 – кварцевый резонатор, 7 – полосовой фильтр и схема выделения сигналов прямого и обратного резонатор, 7 – полосовой фильтр и схема выделения сигналов прямого и обратного кровотока, 8 – УНЧ, 9 – громкоговорителикровотока, 8 – УНЧ, 9 – громкоговорители


Спектрограмма сигнала при наличии Спектрограмма сигнала при наличии отклонения сдвига фаз опорного отклонения сдвига фаз опорного сигнала квадратурного детекторасигнала квадратурного детектора

Спектрограмма сигнала при наличии Спектрограмма сигнала при наличии отклонения сдвига фаз опорного отклонения сдвига фаз опорного сигнала квадратурного детекторасигнала квадратурного детектора

030err 00err


Структурная схема аппаратной реализации доплеровского Структурная схема аппаратной реализации доплеровского спектрального индикатора скорости кровотокаспектрального индикатора скорости кровотока


Допплерограммы ВСА и НСА Допплерограммы ВСА и НСА

Искусственные нейронные сети (ИНС)Искусственные нейронные сети (ИНС)

Схема биологического нейронаСхема биологического нейрона


АРХИТЕКТУРА НЕЙРОННОЙ СЕТИ АРХИТЕКТУРА НЕЙРОННОЙ СЕТИ


Пример обучения ИНС методом соревнованияПример обучения ИНС методом соревнования

(а) перед обучением; ((а) перед обучением; (bb) после обучения) после обучения

Искусственные нейронные сети (ИНС)Искусственные нейронные сети (ИНС) Алгоритмы обучения ИНСАлгоритмы обучения ИНС

Обучающее правило

Архитектура Алгоритм обучения

Задача

Хебб Многослойная прямого распространения

Линейный дискриминантный анализ

Анализ данныхКлассификация

образов

Соревнование Соревнование Векторное квантование

Категоризация внутри класса

Сжатие данных

Сеть ART АРТМар Классификация образов

Хебб Прямого распространения или соревнование

Анализ: главных компонентов

Анализ данныхСжатие данных

Сеть Хопфилда Обучение ассоциативной памяти

Ассоциативная память

Соревнование Соревнование Векторное квантование

КатегоризацияСжатие данных

SOM Кохонена SOM Кохонена КатегоризацияАнализ данных


Сеть Хопфилда Сеть Хопфилда


СХЕМЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ИНССХЕМЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ИНС

Алгоритмические модели БТСАлгоритмические модели БТС

Агрегативные модели БТСАгрегативные модели БТС

Кусочно-линейный агрегат (КЛА)Кусочно-линейный агрегат (КЛА)

КЛА функционирует во времени КЛА функционирует во времени ttТ[0,Т[0,]] воспринимает входные сигналы воспринимает входные сигналы ххХ,Х, выдает выходные сигналы выдает выходные сигналы yyY Y и находится в каждый момент и находится в каждый момент времени в некотором состоянии времени в некотором состоянии zzZ.Z.

Zx y


Схема системы мозгового кровообращенияСхема системы мозгового кровообращения

1 – черепномозговые нервы, 2 – спиномозговые нервы, 3 – желудочковая система, 4 – мягкая, 5 1 – черепномозговые нервы, 2 – спиномозговые нервы, 3 – желудочковая система, 4 – мягкая, 5 – твердая, 6 – паутинная мозговые оболочки, 7 – Визельев круг, 9 – диафрагма, 10 – – твердая, 6 – паутинная мозговые оболочки, 7 – Визельев круг, 9 – диафрагма, 10 – visera. visera. далее используется трехбуквенное обозначение: на первом месте — переменная далее используется трехбуквенное обозначение: на первом месте — переменная (w(w — — объем, объем, р •—р •— давление), на втором — принад лежность переменной ( давление), на втором — принад лежность переменной (аа — артерии, — артерии, v —v — вены, вены, ll — — ликвор, ликвор, т —т — мозг мозг),), на третьем — принадлежность переменной к определенной на третьем — принадлежность переменной к определенной подсистеме (подсистеме (сс — череп, — череп, ссii — — мелкие артерии и вены в полости черепа, мелкие артерии и вены в полости черепа, s1s1 — краниаль ная, — краниаль ная, s2s2 — каудальпая части полости позвоночника, — каудальпая части полости позвоночника, jj — верхняя полая вена) — верхняя полая вена)


Кружки- Кружки- входные и выходные входные и выходные переменные, переменные,

квадраты -квадраты - КЛА, КЛА, штриховая линия штриховая линия композиция композиция

КЛА.КЛА. q - q - интенсивность кровотока; интенсивность кровотока; Аа, AАа, All, Aq, А, Aq, Аvv, А, Аzz, Ay, As —, Ay, As — КЛА КЛА wwac-аac-артериальный объемртериальный объем рас- рас- артериальное давлениеартериальное давление wvcwvc - объем венозной системы - объем венозной системы

полости черепаполости черепа ррvvсс -давление крови в венах -давление крови в венах plplсс-- давление ликвора в полости давление ликвора в полости

черепачерепа wvswvs --объем венозной системы объем венозной системы

полости позвоночникаполости позвоночника pvspvs --давлениями крови в венах давлениями крови в венах ppllss --давление ликвора вдавление ликвора в полости полости

позвоночника позвоночника градиент давлений на входе градиент давлений на входе

артерий артерий рас рас и выходе вен и выходе вен ррvvсс

Модель системы внутричерепного Модель системы внутричерепного кровообращения в виде композиции кровообращения в виде композиции

КЛАКЛА


Сеть ПетриСеть Петри

Событие представляет собой некоторое действие, происходящее в Событие представляет собой некоторое действие, происходящее в системе, которое изменяет состояние системы.системе, которое изменяет состояние системы.

Для того, чтобы в системе произошло определенное событие, Для того, чтобы в системе произошло определенное событие, необходимо выполнение соответствующих условий. необходимо выполнение соответствующих условий.

В сетях Петри условия моделируются В сетях Петри условия моделируются позициями позициями pp,, а события – а события – переходамипереходами t t..

p1 t1 p2 t2


Сеть ПетриСеть Петри

. .

Сеть Петри процесса подкожной инъекции содержит следующие позиции и Сеть Петри процесса подкожной инъекции содержит следующие позиции и переходы:переходы:

P1 - кожа протерта ватой, пропитанной спиртом; Р2 - шприц приготовлен к P1 - кожа протерта ватой, пропитанной спиртом; Р2 - шприц приготовлен к выполнению операции: выполнению операции: tt1 - подготовлен шприц и протерта кожа спиртом;1 - подготовлен шприц и протерта кожа спиртом;

рз - кожа захвачена левой рукой в складку; р4 - шприц взят в правую руку; рз - кожа захвачена левой рукой в складку; р4 - шприц взят в правую руку; tt22 - - медсестра взяла в одну руку шприц, другой захватила кожу; p5 - делается медсестра взяла в одну руку шприц, другой захватила кожу; p5 - делается укол; укол; tt3 - выполнен прокол; p6 - вводят раствор; 3 - выполнен прокол; p6 - вводят раствор; tt4 - введено лекарство; 4 - введено лекарство; pp7 - к 7 - к месту инъекции прикладывается тампон;месту инъекции прикладывается тампон;

t5 - тампон приложен к месту инъекции', p8 - вынимается игла; t5 - тампон приложен к месту инъекции', p8 - вынимается игла; tt6, - вынута игла.6, - вынута игла.

t1 p4 t2 p5 t3 p6 t4 p7 t5 p8 t6

p1 p3

p2

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФОВМЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФОВ


Основные функции сердцаОсновные функции сердца Функция автоматизма заключается в способности сердца спонтанно Функция автоматизма заключается в способности сердца спонтанно

активироваться и вырабатывать электрические импульсы активироваться и вырабатывать электрические импульсы Функция проводимости — это способность к проведению возбуждения, Функция проводимости — это способность к проведению возбуждения,

возникающего в каком-либо участке сердца, к другим отделам возникающего в каком-либо участке сердца, к другим отделам сердечной мышцы сердечной мышцы

Функция возбудимости. Возбудимость – это свойство сердца Функция возбудимости. Возбудимость – это свойство сердца возбуждаться под влиянием различных раздражителей. Она возбуждаться под влиянием различных раздражителей. Она выражается в способности активироваться электрически выражается в способности активироваться электрически

Функция рефрактерности. Возбудимость сердечной клетки изменяется Функция рефрактерности. Возбудимость сердечной клетки изменяется в отдельные периоды сердечного цикла в отдельные периоды сердечного цикла

Функция сократимости. Сократимость – это способность сердечной Функция сократимости. Сократимость – это способность сердечной мышцы сокращаться в ответ на возбуждение. Этой функцией в мышцы сокращаться в ответ на возбуждение. Этой функцией в основном обладает сократительный миокард, осуществляющий основном обладает сократительный миокард, осуществляющий насосную функцию сердца насосную функцию сердца


Проводящая система сердца Проводящая система сердца


Проводящая система сердцаПроводящая система сердца Клетки синоатриального узла (СА-узла) и проводящей системы сердца: Клетки синоатриального узла (СА-узла) и проводящей системы сердца:

атриовентрикулярного соединения (АВ-соединения), проводящей системы атриовентрикулярного соединения (АВ-соединения), проводящей системы предсердий и желудочков обладают функцией автоматизма предсердий и желудочков обладают функцией автоматизма

В норме СА-узел вырабатывает электрические импульсы с частотой около 60—В норме СА-узел вырабатывает электрические импульсы с частотой около 60—80 в минуту80 в минуту

Возбуждение распространяется из правого предсердия по межпредсердному Возбуждение распространяется из правого предсердия по межпредсердному пучку на левое предсердие. Электрический импульс далее распространяется по пучку на левое предсердие. Электрический импульс далее распространяется по АВ-соединению через атриовентрикулярный узел (АВ-узел) в пучок Гиса АВ-соединению через атриовентрикулярный узел (АВ-узел) в пучок Гиса

При нарушениях проводящих путей на этом участке АВ-соединение становится При нарушениях проводящих путей на этом участке АВ-соединение становится центром автоматизма второго порядка и вырабатывает импульсы с частотой 40 центром автоматизма второго порядка и вырабатывает импульсы с частотой 40 – 60 в минуту. По ветвям пучка Гиса электрические импульсы поступают к – 60 в минуту. По ветвям пучка Гиса электрические импульсы поступают к волокнам Пуркинье волокнам Пуркинье

В АВ-узле и между АВ-узлом и пучком Гиса происходит значительная задержка В АВ-узле и между АВ-узлом и пучком Гиса происходит значительная задержка электрических импульсов электрических импульсов

В случае нарушения проведения импульсов на каком-либо участке, роль В случае нарушения проведения импульсов на каком-либо участке, роль водителя ритма берет на себя нижележащий участок. Нарушение проведения водителя ритма берет на себя нижележащий участок. Нарушение проведения импульсов называют блокадой проводящих путей импульсов называют блокадой проводящих путей


Отображение электрических процессов в сердце на ЭКГ Отображение электрических процессов в сердце на ЭКГ


Наименование Наименование параметра параметра Значение параметра элементов ЭКГ Значение параметра элементов ЭКГ

зубцазубца

Р Р

интервала интервала PQPQ

комплекса комплекса QRSQRS

интервала интервала QTQT

сегмента сегмента STST

зубца зубца

TT

Амплитуда, Амплитуда, мВ мВ

0-0,25 0-0,25 0,3-5,0 0,3-5,0 0,4-1,0 0,4-1,0

Длительность, Длительность, с с

0,07-0,07-0,11 0,11

0,12-0,20 0,12-0,20 0,06-0,10 0,06-0,10 0,35-0,44 0,35-0,44 0,06-0,15 0,06-0,15 0,10-0,25 0,10-0,25


Форма кривой ЭКГ зависит от анатомических особенностей организма Форма кривой ЭКГ зависит от анатомических особенностей организма и способа съема ЭКС. При наличии сердечных патологий форма ЭКГ и способа съема ЭКС. При наличии сердечных патологий форма ЭКГ может быть сильно изменена может быть сильно изменена

Нормальная ЭКГ состоит из нескольких зубцов и комплекса колебаний, Нормальная ЭКГ состоит из нескольких зубцов и комплекса колебаний, которые Эйнтховен назвал которые Эйнтховен назвал РР, , QRSQRS и и ТТ. Небольшой зубец . Небольшой зубец РР отражает отражает электрическую активность предсердий, а быстрый высокоамплитудный электрическую активность предсердий, а быстрый высокоамплитудный комплекс комплекс QRSQRS и более медленный зубец и более медленный зубец ТТ - электрическую активность - электрическую активность желудочков. желудочков.


Как интерпретируется ЭКГ Как интерпретируется ЭКГ В норме электрические импульсы автоматически генерируются в небольшой В норме электрические импульсы автоматически генерируются в небольшой

группе клеток, расположенных в предсердиях и называемых синоатриальным группе клеток, расположенных в предсердиях и называемых синоатриальным узлом. Поэтому нормальный ритм сердца называется синусовым узлом. Поэтому нормальный ритм сердца называется синусовым

Когда электрический импульс, возникая в синусовом узле, проходит по Когда электрический импульс, возникая в синусовом узле, проходит по предсердиям на электрокардиограмме появляется зубец предсердиям на электрокардиограмме появляется зубец PP

Дальше импульс через атриовентрикулярный (АВ) узел распространяется на Дальше импульс через атриовентрикулярный (АВ) узел распространяется на желудочки по пучку Гиса. Клетки АВ-узла обладают более медленной скоростью желудочки по пучку Гиса. Клетки АВ-узла обладают более медленной скоростью проведения и поэтому между зубцом P и комплексом, отражающим проведения и поэтому между зубцом P и комплексом, отражающим возбуждение желудочков, имеется промежуток. Расстояние от начала зубца Р возбуждение желудочков, имеется промежуток. Расстояние от начала зубца Р до начала зубца Q называется интервал до начала зубца Q называется интервал PQPQ. Он отражает проведение между . Он отражает проведение между предсердиями и желудочками и в норме составляет 0,12-0,20 сек.предсердиями и желудочками и в норме составляет 0,12-0,20 сек.

Потом электрический импульс распространяется по проводящей системе Потом электрический импульс распространяется по проводящей системе сердца, состоящей из правой и левой ножек пучка Гиса и волокон Пуркинье, на сердца, состоящей из правой и левой ножек пучка Гиса и волокон Пуркинье, на ткани правого и левого желудочка. На ЭКГ это отражается несколькими ткани правого и левого желудочка. На ЭКГ это отражается несколькими отрицательными и положительными зубцами, которые называются комплексом отрицательными и положительными зубцами, которые называются комплексом QRSQRS. В норме длительность его составляет до 0, 09 сек. Далее кривая вновь . В норме длительность его составляет до 0, 09 сек. Далее кривая вновь становится ровной, или как говорят врачи, находится на изолинии становится ровной, или как говорят врачи, находится на изолинии

Затем в сердце происходит процесс восстановления исходной электрической Затем в сердце происходит процесс восстановления исходной электрической активности, называемый реполяризацией, что находит отражение на ЭКГ в виде активности, называемый реполяризацией, что находит отражение на ЭКГ в виде зубца зубца TT и иногда следующего за ним небольшого зубца U. Расстояние от и иногда следующего за ним небольшого зубца U. Расстояние от начала зубца Q до конца зубца Т называется интервалом начала зубца Q до конца зубца Т называется интервалом QTQT. Он отражает так . Он отражает так называемую электрическую систолу желудочков. называемую электрическую систолу желудочков.


Системы отведений для Системы отведений для электрокардиографииэлектрокардиографии

Эйнтховен предложил также три точки Эйнтховен предложил также три точки тела, на которые следует тела, на которые следует накладывать электроды. При этомнакладывать электроды. При этом

при положении электродов на при положении электродов на правой и левой руках образуется правой и левой руках образуется отведение I, отведение I,

на правой руке и левой ноге - на правой руке и левой ноге - отведение II, отведение II,

на левой руке и левой ноге - на левой руке и левой ноге - отведение III. отведение III.

Эти три отведения образуют Эти три отведения образуют равносторонний треугольник, и по равносторонний треугольник, и по их параметрам можно определить их параметрам можно определить угол, под которым сердце угол, под которым сердце расположено в грудной клетке. расположено в грудной клетке.

Согласно закону Эйнтховена, сумма Согласно закону Эйнтховена, сумма потенциалов в отведении I и III потенциалов в отведении I и III равна потенциалу в отведении II. равна потенциалу в отведении II.


Гольдбергер предложил еще три отведения, назвав их усиленными. Гольдбергер предложил еще три отведения, назвав их усиленными. При регистрации этих отведений одним из электродов служит одна из конечностей, При регистрации этих отведений одним из электродов служит одна из конечностей,

а другим - объединенный электрод от двух других (индифферентный электрод). а другим - объединенный электрод от двух других (индифферентный электрод). разница потенциалов, измеренная между правой рукой и объединенными левой разница потенциалов, измеренная между правой рукой и объединенными левой

рукой и левой ногой, называется отведением aVR, рукой и левой ногой, называется отведением aVR, между левой рукой объединенными правой рукой и левой ногой - отведением между левой рукой объединенными правой рукой и левой ногой - отведением

aVL и aVL и между левой ногой и объединенными руками - отведением aVF между левой ногой и объединенными руками - отведением aVF


Система отведений по Небу Система отведений по Небу Точки грудных отведений Точки грудных отведений


Система отведений электрокардиосигнала по Вильсону Система отведений электрокардиосигнала по Вильсону

Y3

Y2

Y1

R L

F

RC RC

RC


Медицинская схема ЭКГ монитора Медицинская схема ЭКГ монитора


Типовая структура электрокардиографаТиповая структура электрокардиографа

Блок управления

Формирователькалибровочного

стгнала

Система электродов

Коммутатор

АЦПРегистрирующе

еАЦП

Блок усилениябиопотенциалов

Ограничительот перенапря-

жений

Переключательрежимаработы

Переключательотведений


Блок измерениямежэлектродныхсопротивлений

Контроллер

Устройствосопряжения

с ЭВМ

ОЗУ ПЗУ

Печатающееустройство

ЭВМ


Примеры представления ЭКГ-информацииПримеры представления ЭКГ-информации


Инфаркт миокарда неопределенной давности. Стандартная Инфаркт миокарда неопределенной давности. Стандартная электрокардиография электрокардиография


Сложное нарушение ритма и проводимости. Стандартная Сложное нарушение ритма и проводимости. Стандартная электрокардиография электрокардиография


Общий вид современного электрокардиографаОбщий вид современного электрокардиографа


Общий вид портативного электрокардиографаОбщий вид портативного электрокардиографа

Documents

ТЕОРИЯ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ