Кибернетика
I
Кибернетика
в медицине. Кибернетика — наука об общих законах управления в системах любой природы — биологической, технической, социальной. Основной объект исследования в К. — кибернетические системы, рассматриваемые вне зависимости от их материальной природы. Методы К. развиваются вместе с общей теорией систем, теорией автоматического управления, методами математического моделирования и др. Общие законы управления и обобщенные характеристики систем применяются к конкретным областям: биологические объекты исследуются в биокибернетике, медицинские системы и методы управления состоянием организма — в медицинской кибернетике и т.д.
Исторический очерк. Проникновение кибернетических методов в биологию и медицину началось после выхода в 1948 г. книги американского математика Н. Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», ознаменовавшего появление кибернетики как науки. В этой книге впервые была выявлена общность процессов в природе и технике, причем ряд исходных концепций К. базировался на наблюдениях за биологическими объектами. В нашей стране развитие К. было необоснованно заторможено, она была объявлена буржуазной лженаукой, хотя независимо от этого прикладное направление К. — разработка отечественных ЭВМ и первых кибернетических систем — велась под руководством академика С.А. Лебедева с 1949 года. В конце 50-х гг. справедливое положение К. в системе наук было восстановлено, и в 1959 г. усилиями академика А.И. Берга при Президиуме АН СССР был создан научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика». Одним из важных направлений работы совета стало развитие биологической и медицинской К. Важную роль в становлении биологической и медицинской кибернетики в СССР сыграли В.В. Ларин и Н.М. Амосов.
В нашей стране в 60-х гг. уже работали экспериментальные автоматизированные медицинские системы. Первая в СССР диагностическая система на основе ЭВМ была создана в 1964 г. в лаборатории кибернетики Института хирургии им. А.В. Вишневского. Эта система автоматически устанавливала диагноз врожденных пороков сердца. В 1969 г. в Институте сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева была разработана система автоматической диагностики поражения клапанов сердца.
В 1970 г. в НИИ социальной гигиены и организации здравоохранения им. Н.А. Семашко были созданы первые автоматизированные системы управления (Автоматизированная система управления), а в 1972 г. в рамках системы АСУ «Больница» была принята в эксплуатацию первая в СССР АСУ медицинского назначения «Аптека». К середине 70-х гг. были разработаны автоматизированные системы для использования в клинике (мониторно-компьютерная система «Симфония» для слежения за состоянием больного во время хирургической операции — 1973 г., автоматизированная система обеспечения решений врача АСОРВ — 1974 г.).
С 1969 г. в ряде медицинских институтов читался факультативный курс «Основы медицинской кибернетики», а в 1979 г. медико-биологический факультет 2-го Московского медицинского института им. Н.И. Пирогова выпустил первых в СССР врачей-кибернетиков.
С середины 80-х гг. кибернетические методы в медицине и здравоохранении получают все большее распространение. Появляются автоматизированные центры диагностики, системы диспансеризации и медицинских осмотров населения. В крупных больницах создаются автоматизированные системы обработки медицинских данных, осуществляется компьютерный учет коечного фонда, в приемных отделениях журнал приема больных ведется на основе ЭВМ.
К концу 80-х гг. только в Москве прямой доступ к ЭВМ получили несколько тысяч врачей и медработников. Например, в Институте сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева, где разработана и функционирует система автоматизированного ведения историй болезни, в 1988 г. с компьютерами работало более 400 врачей.
В последние годы роль и место К. в системе наук изменились. Отпочкование от нее информатики (см. Информатика, в качестве самостоятельной научной и практической области деятельности, вобравшей в себя проблемы создания и использования средств вычислительной техники, вернуло К. в ее классическое русло — науки об общих законах управления.
Основные понятия кибернетики. К. исследует процессы управления, протекающие в живой природе, технических, социальных и других объектах. Главным предметом изучения является система — совокупность элементов, образующих определенную структуру, которая функционирует для достижения какой-либо цели.
Кибернетика изучает общие свойства систем, прежде всего с точки зрения способов управления ими. Особую роль в биологических и медицинских применениях К. играют динамические системы, в которых с течением времени происходят существенные изменения. Элементы системы и связи между ними образуют ее структуру. Внешнее проявление присущих системе свойств, характерные для нее процессы являются функцией системы. Способность систем сохранять свою структуру и функцию в меняющихся условиях характеризуется понятиями надежности и устойчивости. Под устойчивостью системы понимают ее способность с течением времени возвратиться к исходному (или близкому к нему) состоянию после какого-либо возмущения.
На ранних этапах развития К. для описания систем использовался метод черного ящика — описание систем в виде преобразователя входных сигналов в выходные со скрытой внутренней структурой. Понятие черного ящика оказалось неудовлетворительным для описания динамических систем, т.к. оно не учитывает важнейшее их свойство: характер преобразования входных сигналов в выходные меняется в зависимости от текущего внутреннего состояния системы. Поэтому широкое распространение в К. получил метод так называемого пространства состояний, в котором система представлена не только входом и выходом, а тремя характеристиками — входом, состоянием, выходом (см. Математические методы).
Сохранение неизменности состояния системы при действии возмущении называется гомеостазом. Наиболее широко понятие гомеостаза применяется при анализе физиологических систем. В отличие от обычной устойчивости (возвращение системы к исходному состоянию после снятия возмущения) гомеостаз означает сохранение исходного (или близкого к нему) состояния системы и во время действия возмущающих факторов.
Одной из важнейших функций систем является управление. Целями управления могут быть сохранение структуры, поддержание гомеостаза, реализация различного рода программ. При синтезе систем в К. используются и другие термины, по смыслу близкие к понятию управление, например регуляции (в частности, физиологическая) и регулирование (простые формы управления, в основном в технических системах).
Управление может осуществляться либо полностью без участия человека — автоматическое, либо человеком с использованием технических средств (например, вычислительной техники) — автоматизированное (см. Автоматизированные системы управления (Автоматизированная система управления)). Общие свойства управляемых систем, в т.ч. и автоматических систем управления, изучаются методами теории управления.
Ведущим понятием К., широко используемым в медицине и биологии, является обратная связь. Если в какой-нибудь системе удается выделить направление «прямой» передачи сигнала, т.е. от входа системы к ее выходу, то любая передача сигналов в противоположном направлении (от выхода ко входу) называется обратной связью. В биологических и медицинских системах, как правило, можно выделить множество прямых и обратных связей. Поэтому в целях упрощения в системе анализируют лишь главную (иногда рассматриваемую в качестве единственной) цепь обратной связи. Обратная связь может быть положительной (когда поступающий обратно с выхода на вход сигнал увеличивает эффект входного воздействия) или отрицательной (когда этот эффект уменьшается). Положительная обратная связь обычно способствует потере устойчивости в системе, а отрицательная повышает устойчивость и обеспечивает поддержание гомеостаза.
В биологических системах, в частности в организме, отрицательная обратная связь встречается в различных формах, а механизмы ее реализации имеют различную природу — гуморальную, нервную и др.
Простейшей формой отрицательной обратной связи в К. является обратная связь по рассогласованию (рис. 1). Прямой канал представлен цепочкой вход — регулятор — объект — выход, обратная связь — передача выходного сигнала V с выхода системы ко входу. Если входной сигнал равен Х (любое постоянное значение входного сигнала называется установкой), а выходной сигнал Y ему не равен, то в системе возникает сигнал рассогласования Σ = Х — Y. Этот сигнал усиливается регулятором и преобразуется в сигнал управления Ц, который поступает на вход объекта, изменяя его состояние до тех пор, пока рассогласование не исчезнет. В этом случае достигается желаемое соотношение Y — X. Если на систему действует возмущение V, то это соотношение нарушится, и механизм обратной связи снова заработает, возвращая изменившееся значение к заданному уровню.
Примером анализа управления с применением отрицательной обратной связи в организме может быть процесс прицеливания у стрелка (X — положение центра мишени, Y — положение мушки, регулятор — ц.н.с., объект управления — рука стрелка с оружием). Такие или подобные им отрицательные обратные связи характерны для управления движением вообще.
Другой распространенной формой отрицательной обратной связи в системах любой природы является параметрическая обратная связь, когда выходной сигнал изменяет какие-либо свойства (параметры) одного из звеньев прямого канала — регулятора (рис. 2). Примером такого рода отрицательной обратной связи может служить один из механизмов ауторегуляции в биохимических циклах — подавление конечным продуктом реакции синтеза одного из предшественников.
Биологическая и медицинская кибернетика. Приложение кибернетических методов к анализу биологических систем реализуется в рамках биокибернетики, а весь круг задач, связанных с управлением процессами в организме (включая задачи автоматизации диагностики и лечения, внедрения компьютерных методов в работу медицинского персонала) и в социально-экономических системах охраны здоровья населения, решается в рамках медицинской К. Вопросы компьютеризации медицины, связанные с обработкой биомедицинской информации, в настоящее время относят к информатике (Информатика).
Биокибернетические исследования ведутся в двух основных направлениях. Во-первых, разрабатываются и используются все более совершенные методы обработки информации при измерении биологических сигналов и получении других данных о состоянии биосистем. Широко применяются методы статистической обработки (корреляционный анализ, методы автоматической классификации и т.п.). Эти методы используют и для анализа больших объемов информации, которые получаются в результате медико-биологических экспериментов, при решении задач дифференциальной диагностики, в медицинской статистике (см. Математические методы).
Во-вторых, развитие методов биокибернетики идет по пути создания формализованных описаний биологических систем, т.е. построения их моделей (математических или логических). Так, широкое распространение получило математическое моделирование динамических систем с помощью дифференциальных уравнений. Термин «моделирование» используется в К. для описания двух связанных между собой областей исследования систем. Под моделированием понимается процесс разработки математического описания объекта. Известны, например, модели системы кровообращения Гайтона, модель терморегуляции Столвийка и др. Созданы модели практически всех физиологических систем организма, многих патологических процессов, модели экологических систем, поведения человеческих популяций и систем охраны здоровья.
Кроме того, термин «моделирование» означает процесс исследования системы с помощью математических моделей (эквивалентным по содержанию является понятие вычислительного эксперимента). Сущность вычислительного эксперимента состоит в том, что с помощью ЭВМ многократно решают математические уравнения, описывающие свойства биологического объекта в различных условиях и его реакции на внешние воздействия, а результаты различных вариантов решения представляются в удобном для исследователя виде. Полученные в результате вычислительных экспериментов данные анализируются специалистами точно так же, как и результаты обычных медико-биологических экспериментов.
Целями моделирования являются формулировка и обоснование предположений о свойствах биологических объектов (выдвинутые гипотезы в дальнейшем могут проверяться экспериментально); прогноз и оценка действия различных внешних и внутренних факторов на биологические системы (прогноз действия лекарств, оценка эффективности применения гипотетических или реальных технических средств, например искусственных органов); отработка моделей для включения в компьютеризованные системы медицинского назначения (например, построение математической модели определенных физических процессов в тканях при действии излучения для использования в компьютерных томографах).
К биокибернетике примыкает ряд научных направлений: бионика — наука, исследующая свойства организмов с целью их воспроизведения в технических системах; инженерная психология, занимающаяся созданием технических систем, наилучшим образом согласованных с психологическими способностями и возможностями человека, управляющего ими; инженерная физиология, имеющая целью создание технических систем для поддержания жизнедеятельности и работоспособности организма или отдельных физиологических систем.
Медицинская К. занимается разработкой и использованием систем управления а медицине и здравоохранении. В ее рамках создаются методы диагностики и коррекции жизненных процессов в организме (компьютерная диагностика и лечение, способы управления аппаратами и устройствами медицинской техники), ведутся разработка и реализация методов контроля и управления состоянием здоровья на популяционном уровне (управление профилактическими и противоэпидемическими мероприятиями), ставятся и решаются организационные проблемы охраны здоровья населения и задачи управления здравоохранением.
Одним из путей использования кибернетических методов в медицине является разработка автоматизированных систем управления (АСУ). Автоматизированные системы медицинского назначения повышают результативность и эффективность работы врачей и другого медперсонала. Получают распространение компьютеризованные системы доврачебного осмотра и опроса населения, методы компьютерной диагностики, ведение журналов поступления больных и учета коечного фонда медицинских учреждений, разрабатываются и внедряются системы автоматизированного ведения историй болезни. Благодаря внедрению АСУ медицинские учреждения (больницы, поликлиники, лечебные центры) переходят на новые информационные технологии: вся обработка медицинской информации в пределах учреждения производится в безбумажной форме. Медперсонал прямо со своих рабочих мест вводит информацию в ЭВМ, получает на экране дисплея результаты ее обработки, имея доступ к общей базе данных. На бумагу (получение так называемых твердых копий) информация выводится только в необходимых случаях, например при выдаче на руки больному выписок или документов, для составления некоторых форм отчетности.
Рабочее место медработника, на котором установлена персональная ЭВМ или терминал единой сети ЭВМ, позволяющие получать доступ к информационным базам данных и работать с ними, называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) врача. Разработка АРМ ориентируется на создание интеллектуального помощника врача, поэтому ЭВМ выступает не только как средство хранения и вывода нужной информации, но и берет на себя многие функции, возлагавшиеся ранее на человека (например, выписка рецептов с автоматической проверкой совместимости лекарств). Для более сложных ситуаций существуют специальные системы, использующие знания и опыт экспертов. Экспертные системы позволяют получать врачебные рекомендации и логические выводы даже в том случае, когда алгоритм решения задачи неизвестен, а при необходимости объясняют причины принятия решений и рекомендаций на языке, понятном пользователю.
Перспективы. Основным средством внедрения кибернетических методов в медицину являются ЭВМ и соответствующее программное обеспечение. Развитие и удешевление средств вычислительной техники, повышение их надежности, распространение персональных компьютеров, растущая сложность применяемых в медицинской практике средств и методов являются причинами алгоритмизации многих областей медицины и использования в них ЭВМ. Компьютеризованные методы широко применяются в ряде научно-исследовательских и клинических центров Москвы, Ленинграда, Киева, Барнаула и других городов.
Библиогр.: Воробьев Е.И. и Китов А.И. Медицинская кибернетика, М., 1983; Инженерная физиология и моделирование систем организма, под ред. В.Н. Новосельцева, Новосибирск, 1987; Новосельцев В.Н. Теория управления и биосистемы, М., 1978; Основы инженерной психологии, под ред. Б.Ф. Ломова, М., 1986; Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. и Тимонов А.А. Математические задачи компьютерной томографии, М., 1987.
Рис. 1. Схема отрицательной обратной связи по рассогласованию: Х — входной сигнал; Y — выходной сигнал; V — возмущение; ε — сигнал рассогласования, U — сигнал управления. Рис. 2. Схема параметрической обратной связи: X — входной сигнал; Y — выходной сигнал; V — возмущение, U — сигнал управления.
II
Кибернетика (греч. kybernētikē искусство управления)
наука об управлении и переработке информации в любых системах: биологических, технических, экономических, в коллективах людей и т.д.