Биотехнические системы

Биотехни́ческие системы

(БТС)

сложные системы, включающие биологические и технические подсистемы, которые функционируют совместно для достижения общей цели.

Элементами БТС могут быть различные биологические объекты — бактерии или дрожжи в системах микробиологического синтеза, биодатчики в системах контролирования или поддержания параметров среды обитания, человек, управляющий сложными техническими устройствами, и др. Для медицины наибольший интерес представляют системы человек — машина (СЧМ), иногда называемые БТС технической ориентации, или человеко-машинными комплексами, которые позволяют наилучшим способом согласовать и использовать возможности человека для управления техническими устройствами, а также системы медико-биологической ориентации (инженерно-физиологические системы), предназначенные для создания и поддержания определенных условий функционирования организма, отдельных физиологических систем или органов.

По назначению системы человек — машина весьма разнообразны: управляющие, обслуживающие, обучающие, информационные, исследовательские, экспертные и др. Их разработка ведется с привлечением результатов медицинских исследований (антропометрических, физиологических, психофизиологических), что позволяет улучшить организацию рабочего места (выбор формы управляющего пульта, расположение на нем средств отображения информации и органов управления, устранение отвлекающей информации). По мере развития автоматизированных систем управления (Автоматизированная система управления) в организации рабочего места возникают новые проблемы, связанные с компьютеризацией и организацией программной поддержки различных элементов деятельности оператора. Переход к новым информационным технологиям во многих случаях переносит центр тяжести работы человека в СЧМ от простых действий к реализации функций управления более широкого плана. Это относится, в частности, к проблеме автоматизации рабочего места врача, где характер работы специалиста с информационными массивами определяется не только аппаратными и программными возможностями ЭВМ, но и психологическими особенностями человека. Изучение проблем создания СЧМ с учетом анатомических, физиологических, интеллектуальных и социально-психологических качеств оператора или группы операторов, рассматриваемых в качестве элемента БТС технической ориентации, является задачей инженерной психологии (эргономики).

Инженерно-физиологические БТС подразделяют на системы, восстанавливающие функции целостного организма, и системы, поддерживающие жизнедеятельность отдельных систем и органов. Среди первых можно выделить системы коррекции информационных потоков (протезирование зрения, слуха); вспомогательные системы и системы управления естественными органами (пейсмекеры, электростимуляторы, вспомогательные системы дыхания и кровообращения, системы индивидуальной тепловой защиты); технические устройства и аппараты, заменяющие естественные органы и системы (биопротезы, искусственная почка и т.д.).

Создание БТС помощи рецепторным системам связано с успехами микроэлектроники, позволяющими конструировать протезы сенсорных систем. Ранее попытки вернуть человеку утраченное зрение или слух были направлены на разработку технических средств, заменяющих функции неработающего анализатора другими, работающими нормально (например, путем перевода зрительных сигналов в тактильные ощущения). В последние годы были выполнены научные программы по восстановлению утраченных функций без перевода одной модальности сигналов в другую. Наибольший прогресс достигнут в области протезирования слуха — разработаны системы, вызывающие звуковые ощущения с помощью стимулирования окончаний слухового нерва фокусированным ультразвуком или электрическим током. Создание систем реабилитации двигательного аппарата и некоторых других функций с помощью технических средств визуализации информации ведется на принципах биологической обратной связи. Ускорение процесса восстановления нормальных двигательных или иных навыков после различного рода нарушений в нервно-мышечном аппарате осуществляется путем перевода сигналов управления в организме, отражаемых, например, миограммой, в зрительные образы, которые с помощью дисплея ЭВМ предъявляются больному. Пробуя разные способы управления движениями, пациент сравнивает получающиеся миограммы с идеальной и стремится ее воспроизвести. Это позволяет быстро найти и освоить наиболее удобные для конкретного человека способы управления мышцами. Системы типа биологической обратной связи используют и здоровые люди для скорейшей выработки двигательных или других навыков (например, спортсмены при отработке навыков выполнения сложных комплексов движений).

Наибольшее распространение в медицине получили БТС, облегчающие функционирование естественных органов или стимулирующие их работу. К этому типу БТС кроме массажеров и систем электростимуляции органов относятся системы принудительной вентиляции легких, искусственного кровообращения, внепочечного очищения крови, а также системы жизнеобеспечения и средства индивидуальной защиты, используемые при работе человека в экстремальных условиях — под водой, в открытом космосе и т.п.

Среди БТС, заменяющих естественные органы или утраченные функции, наиболее известны биоуправляемые аналоги органов движения, разрабатываемые с конца 50-х гг. 20 в., но они еще не вышли за рамки экспериментальных образцов. Искусственные внутренние органы представляют собой чаще всего системы типа насосов, доставляющие в организм необходимые для жизнедеятельности вещества (искусственное сердце, искусственная поджелудочная железа) или выводящие из организма продукты обмена.

Главным направлением инженерной физиологии как научной дисциплины является анализ процессов взаимодействия физиологических систем организма с техническими устройствами и системами, т.е. анализ процессов обеспечения жизни в техносфере. Основными методами анализа являются математическое моделирование поведения систем организма при взаимодействии с техническим окружением и вычислительные эксперименты (см. Математические методы в медицине). Важной задачей разработки БТС является проблема согласования биологических объектов с техническими компонентами — выбор алгоритмов управления техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем.

Прогресс в конструировании и применении БТС биомедицинского направления обусловлен как достижениями биологии, физиологии и кибернетики в понимании сущности жизненных процессов, так и успехами микроэлектроники и компьютерной техники как средств использования накопленных знаний для медицинских целей.

Библиогр.: Биотехнические системы, под ред. В.М. Ахутина, Л., 1981; Инженерная физиология и моделирование систем организма, под ред. В.Н. Новосельцева, Новосибирск, 1987; Микрокомпьютерные медицинские системы, под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэбстера, пер. с англ., М., 1983; Основы инженерной психологии, под ред. Б.Ф. Ломова, М., 1986.