Вл. ГУ, ФРЭМТ кафедра биомедицинской инженерии Специальность «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» Дисциплина : «Биотехнические системы и технологии (БТС и Т) 2012/2013 учебный год
БТС и Т. 1. Понятия и определения Из множества определений наиболее близкое к теме БТС: Технология- сочетание квалифицированных навыков, оборудования, инфраструктуры, инструментов и технических знаний, необходимых для осуществления желаемых преобразований в материалах, информации или людях. Исходя из этого определения вводятся понятия : медицинских и биологических технологий (МТ и БТ).
БТС и Т 1. Понятия и определения МТ- последовательность различных мероприятий и методов диагностики, лечения, реабилитации, профилактики (с применением технических средств как условия выполнения этих задач), необходимых для достижения конкретных медицинских результатов: сохранения жизни человека, поддержания его здоровья, обеспечения его трудоспособности и жизненной активности. БТ (биотехнологии)- совокупность и последовательность приемов (операций) по обработке биологического сырья , позволяющих извлечь из него активные вещества в форме, пригодной для практического использования. Совершенствование этих технологий связано с усилением роли наукоемких исследований, позволяющих изучать тонкие механизмы управления организмом и выявлять нарушения работы этих механизмов.
БТС и Т 1. Понятия и определения По аналогии, можно определить биотехнические технологии (БТТ) как любые технологии, обеспечивающие разнообразные потребности живых систем, а также включающие операции с любыми БО с применением технических средств (ТС). В этом случае МТ и БТ – есть разновидность БТТ. Таким образом, БТТ – это все технологии, связанные с задачами, в решении которых участвуют: человек и ТС, включающие приборы, системы, комплексы, наборы прикладных программ, приспособления , расходные материалы, навыки и приемы работы и т. п.
БТС и Т 2. Классификация БТТ • Для решения медико-биологических задач используются следующие типы БТТ: а) БТТ-ДИ – для диагностических исследований; б) БТТ-УО –для управления функциями организма; в) БТТ-О – для обучения ; г) БТТ- ЭК – для экологического контроля состояния среды обитания человека (СОЧ).
БТС и Т 2. Классификация БТТ • Технологии диагностических исследований. Связаны с проведением диагностических мероприятий различного назначения, в т. ч. выявления патологий и конкретных заболеваний. Пример 1. Клинические технологии, используемые в медцентрах, стационарах, больницах, поликлиниках для исследования состояния больного организма. Цель – поиск методик восстановления здоровья и реабилитации БО. Здесь различают: а)технологии выполнения пассивных и активных физиологических исследований (проводятся непосредственно на организме); б)аналитические технологии (изучаются биопробы вещества, взятые из внутренней среды организма).
БТС и Т 2. Классификация БТТ Технологии управления функциями организма (УО) Пример 1. Технологии предупреждения производственного травматизма , управления режимом труда и отдыха (на основе контроля и анализа состояния человека в процессе работы). Пример 2. Технологии дистанционной медицины (телемедицины) , исключающие необходимость прямого контакта врача с пациентом. Достаточно иметь его данные ( «информационную модель» пациента) и можно получить диагностические заключения, провести консилиум известных специалистов, не видя и не зная пациента. Пример3. Технологии управления поведением популяций живых организмов (информационное управление и организация работы конкретного специалиста или коллектива специалистов, принудительное управление поведением животных и др. ).
БТС и Т 2. Классификация БТТ • Технологии обучения Реализуются с применением интеллектуальных технических комплексов (в частности, построенных на основе акусто-визуальных систем), работающих в интерактивном режиме. Такие комплексы способны определить уровень подготовки обучаемого и организовывать процесс обучения с учетом текущего уровня освоения учебного материала. Пример: задачи профотбора и профподготовки и др.
БТС и Т 2. Классификация БТТ • Технология ЭК состояния СОЧ Ориентированы на измерения параметров среды и управления (по возможности)ее состоянием. Для выбора контролируемых параметров и управления средой необходимы знания о реакциях организма на внешние факторы и подверженности природной среды целенаправленным внешним воздействиям. Пример 1. Технический контроль качества воды, воздуха, почвы, т. е фрагментов природы, которыми пользуется человек. Пример 2. Технологии дезактивации этих фрагментов. Пример 3. Проекты «Чистая вода» , «Чистый город» .
БТС и Т 2. Классификация БТТ Даже СМИ с развитой системой передачи информации рассматриваются как БТС, реализующие информационную технологию с целью управления населением: его сознанием, ценностными ориентирами, поведением в обществе. Уже существуют технологии, позволяющие проникать в сознание человека, управлять им и т. д. Это определяет появление проблемы ответственности за применение ТС и у разработчиков БТТ и у тех, кто их использует.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т • Влияние человеческого фактора При создании БТС необходимо учитывать их специфические свойства, определяемые наличием в их структуре биоэлементов. К таким свойствам относятся: а)недетерминированность с точки зрения однозначности связей между входом и выходом системы. Отсюда: невозможность их исследования методами «черного ящика» ; б)значительная нелинейность, что не позволяет использовать классические методы теории автоматического регулирования, разработанные для линейных систем; в)многосвязность, что затрудняет постановку «чистого» эксперимента на изолированном органе или системе и создает большие сложности при построении структуры функциональных моделей живого организма.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т • Необходимость учета указанных свойств стимулирует проведение исследований особенностей БО с применением новых методов анализа их характерных особенностей. • Такая же задача стоит и при синтезе БТС, работающих в нестационарной внешней среде, которая может оказывать дезорганизующее и даже разрушающее воздействие на систему. • В связи с этим в качестве модели БТС принимаются модели нервной системы высших позвоночных, и, прежде всего, ЦНС человека. • Это позволило сформулировать ряд рекомендаций, используемых при синтезе БТС.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т • Рекомендации для синтеза БТС: 1. При построении структурно-функциональной схемы БТС используется принцип обработки основных потоков информации специализированными периферическими системами, которые минимизируют объем информации и перекодируют ее в форму, адекватную для восприятия головным мозгом оператора, т. е. осуществляют процедуру оптимальной фильтрации. 2. Периферические системы могут очувствляться, а информация перераспределяется по различным сенсорным воспринимающим входам только по запросам из управляющего центра системы.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т 3. Основные элементы системы обмениваются информацией, что позволяет осуществлять процедуры внешней и внутренней адаптации. 4. В основу адаптивных программ технических органов восприятия, распределителей и преобразователей информации закладываются результаты исследований сенсорных систем организма человека с последующей формализацией их характеристик и построением соответствующих математических моделей. 5. При синтезе эффекторных подсистем БТС реализуются результаты исследований процессов деятельности человека (как управляющего звена), получившие техническое воплощение в адаптивных органах управления.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т 6. Для установления связи между режимами функционирования воспринимающих систем и состоянием организма оператора исследуются психофизиологические корреляты, которые используются при выборе режимов работы ТС. Например: при выборе частотно-временных параметров сигнала и определения оптимальных порогов чувствительности информационных каналов. 7. Используется свойственный живым системам принцип качественных оценок ситуации с последующим уточнением с помощью относительных измерений и сравнения с выбранным эталоном. Применение этих положений позволяет достичь эффекта суперадаптивности БТС, обеспечиваемой наличием двух контуров адаптации: внутреннего и внешнего.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т • Внешний контур позволяет БТС выполнять свою целевую функцию в условиях переменных воздействий внешних факторов (например, стохастических условий ОС). • Внутренний контур (или несколько контуров) позволяет элементам БТС взаимно адаптироваться к изменению состояния друга , вызванного воздействием внешних и внутренних факторов. • Т. о. , наличие биозвеньев придает общим свойствам БТС особую пластичность и улучшает адаптационные характеристики во внешнем контуре адаптации. • В то же время, качество внутренней адаптации, обеспечивающей обмен информацией между техническими и биологическими элементами (ТЭ и БЭ), существенно зависит от возможности ТЭ системы следить за изменением состояния ее биозвеньев и, обмениваясь информацией с БЭ, соответственно изменять свои характеристики.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т • Контур внутренней адаптации решает 2 задачи: а)снабжение живой компоненты БТС информацией, необходимой для ее нормальной жизнедеятельности; б)обеспечение обмена информацией между технической и биологической частями системы. При этом поступающая на биологический элемент (БЭ) информация должна быть представлена в адекватной форме, удобной для восприятия и достаточной для понимания той или иной сложившейся ситуации. Это позволит скорректировать алгоритм или режим работы БЭ или целостного организма, являющегося звеном БТС.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т • Более сложной является задача адаптации технических элементов системы, их совокупности и режима функционирования к состоянию сопряженных с ними систем и органов живого организма. • Путь решения: создание системы непрерывной (текущей) диагностики состояния живого организма. Это может быть самостоятельная автономная система диагностики или подсистема контура диагностики и нормализации состояний (ТСНС). • Результаты диагностики в виде электрических сигналов, становятся управляющими для технических подсистем. • Большинство БТС содержит системы непрерывного контроля состояний ЧО.
БТС и Т 3. Синтез БТС и Т • Отмеченные свойства БТС определяют основные принципы сопряжения технических и биологических элементов (ТЭ и БЭ): 1. Принцип адекватности, требующий согласования основных конструктивных параметров и «управленческих характеристик» БЭ и ТЭ. 2. Принцип единства информационной среды, требующей согласования свойств информационных потоков, циркулирующих между ТЭ и БЭ как в афферентных, так и в эфферентных цепях БТС. 3. Дополнительные принципы, общие для любых технических систем: целеобусловленности, целостности, относительной обособленности, организованности, управляемости, динамичности и др.
БТСи. Т Двухкомпонентная структура организма. • Особенности организации и функционирования живых систем : а) сложность процессов управления, обеспечивающих высокую надежность этих систем, б)способность противостоять различным воздействиям ОС. • Для этого необходимо: снабжение энергией работающих органов и функциональных систем, замена выходящих из строя элементов, удаление шлаков, отмирающих клеток, тепла и отходов процессов жизнедеятельности и др. • С другой стороны, организм должен: а) ориентироваться в ОС, б) оценивать ее параметры, в) строить целенаправленное поведение, обеспечивающее выживание.
БТС и Т • Исходя из этого, структурная схема биосистем представляется в виде двух компонент, взаимодействующих друг с другом: метаболической (МП) и управляющей (УП) подсистем. • МП осуществляет: а) перемещение и переработку веществ, поступающих из ОС (пища +окислитель), в другие вещества и энергию, необходимые для жизнедеятельности; б) удаление отходов переработки и вредных продуктов жизнедеятельности.
БТС и Т • УП выполняет функции, связанные с восприятием, хранением, переработкой и использованием информации и включает в себя взаимосвязанные подсистемы: рецепторную (Рец. П); рефлексивную (Реф. П), в качестве которой выступает ЦНС; эффекторную (ЭП). • Рец. П обеспечивает: доставку в ЦНС сведений, на основе которых формируются поведенческие акты, соответствующие текущим потребностям организма и реализуемые в определенные моменты времени, а также информирует о потребностях организма и стимулирует его поведенческие реакции.
БТС и Т • ЭП включает органы дыхания и движения, органы звуковой сигнализации (у человека- речь), а также все органы, оказывающие воздействия на ВС организма – железы внутренней и внешней секреции, регуляторные механизмы (генетическое и физиологическое управление) и т. п. • Через эффекторы (ЭП) реализуются все поведенческие акты. • Таким образом: ЭП не только обеспечивает функциональную деятельность организма, но и управляет МП, которая, в свою очередь, обеспечивает функционирование УП организма.
БТС и Т • Системы, реализующие функции УП: 1. Сенсорные системы (зрение, осязание, слух и т. п. ); рецепторы ВС (хеморецепторы, барорецепторы, глюкорецепторы и т. п. ) для восприятия информации; 2. ЦНС для обработки информации , принятия решений, формирования программ поведения, регуляции ВС; 3. Эффекторные системы организма (скелетномышечная, нервная, эндокринная, репродуктивная, органы речи или внешней сигнализации) для реализации принятых программ.
БТС и Т Рец. П Реф. П МП ЭП
БТС и Т • УП контролирует процессы, происходящие в МП: определяет, какие процессы и с какой скоростью должны протекать в МП, что (какие вещества и энергия), куда и в каких количествах должно быть доставлено. • При этом вещества и энергия, полученные в МП, поступают как в УП, так и в саму МП, где также требуются затраты их на переработку и удаление шлаков. • МП осуществляет как синтез нужных веществ, так и формирование из них: клеточных структур (мембран и др. элементов), самих клеток и многоклеточных образований, необходимых для жизнедеятельности.
БТС и Т • Процессы в МП выполняются специальными физиологическими системами под действием поступающих с УП сигналов управления. • Тем не менее, первоочередную роль в управлении процессами, происходящими в МП, играют механизмы саморегуляции, сосредоточенные в самой МП.
БТС и Т • Метаболические функции организма: • .
ПТ БМИ: Новые технологии КТ • Пример: ЭКМ - электроимпедансный компьютерный маммограф. • Позволяет проводить: обследования подростков, женщин любого возраста, беременных и кормящих женщин; диагностику предраковых состояний, рак молочной железы, мастопатию, маститы; оценку функции лактации; контроль состояния молочных желез при лечении мастопатии и других патологий.
ПТ БМИ: Новые технологии КТ • При использовании прибора в качестве скринингового средства для обнаружения опухолей молочной железы его чувствительность составляет около 76 % ( не хуже рентгеновского маммографа) при полной безвредности. • Электроимпедансный компьютерный маммограф (МЭИК) защищен патентами РФ и США, получил золотую медаль на Всеирной выставке в Брюсселе. • Рекомендован к серийному производству и применению в медицинской практике.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • К перспективным областям применения относятся следующие виды излучений: УЗ, лазерное, СВЧ (1 -30 ГГц), КВЧ (30 -300 ГГц). • Биофизика взаимодействия ВЧ полей с живым веществом. 1. Структура используемых и возможных вариантов воздействия ВЧ ЭМП на БО: Воздействие а). Тепловой интенсивности – лечебное (гипертермия), б). Нетепловой интенсивности – лечебное (корректирующее) и диагностическое (исследовательское).
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • Тепловое – наиболее простое по механизму лечебного воздействия и наиболее изученное. • Например: известно, что жизнеспособность опухолевых клеток резко снижается при действии температуры 40 -42 (по Цельсию), в то время, как в здоровой ткани в течении определенного времени отсутствуют необратимые изменения при температуре до 43 -46 (по Цельсию).
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • Нетепловое – по механизму воздействия является биоэнергоинформационным. • По назначению подразделяется на: а) лечебное (корректирующее)- при создании аппаратуры, в основном, используется механизм взаимодействия ЭМП с собственными ЭМП клеток организма; б) диагностическое или/и исследовательское – предполагает регистрацию отклика организма на облучение. Различают два основных типа регистрации отклика: косвенный (по цепям обратной связи) и прямой (отклик собственных ЭМП клеток), который несет более достоверную информацию. Однако, мощность КВЧ-излучения клетки при типичной частоте 40 ГГц составляет 10 Е-23 Вт. Вывод: измерительная аппаратура должна иметь сверхнизкий уровень собственных шумов
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО Вывод: измерительная аппаратура должна иметь сверхнизкий уровень собственных шумов (основные тракты должны работать при температуре жидкого азота), что технически затруднительно. • Исследование отклика организма то или иное воздействие является актуальной задачей как для совершенствования методов диагностики, так и для оптимизации выбора набора частот для построения лечебной аппаратуры.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • В настоящее время недостаточно исследованным является сочетание воздействия КВЧ (СВЧ)-излучений и других излучений (лазерного, магнитного поля 50 -200 Гц и др. ), а также их взаимная модуляция. • Требуется создание и реализация комплексной медико-биологической и медико -технической программы долгосрочных исследований в области лечебнодиагностического применения СВЧ ЭМП.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО 1. Ультразвуковое (УЗ) воздействие 1. 1. Биологическое действие УЗ. • Известно, что при действии УЗ на БО: а) в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер; б) колебательное движение частиц в УЗ-поле характеризуется малой амплитудой и большим ускорением. Пример: при проведение УЗ-терапии с интенсивностью излучения I = 2 Вт/см 2 с f= 0, 88 МГц частицы ткани, через которые проходит УЗ, колеблются с амплитудой 3, 5*10 Е-7 см/с2. На частицы действует переменное акустическое давление, величина которого может достигать 3 атм.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • Результат интенсивного воздействия – разнообразные биологические эффекты (изменения в жизнедеятельности и структурах БО), физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопровождающих распространение УЗ в среде. • Степень воздействия = f (интенсивность УЗ и длительность облучения). Поэтому воздействие УЗ на жизнедеятельность организмов может быть как положительным, так и отрицательным.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО Пример: 1. При сравнительно небольших (до 1 -2 Вт/см 2) интенсивностях УЗ возникают механические колебания частиц -своеобразный микромассаж тканей. Результат- улучшается обмен веществ и снабжение тканей кровью и лимфой. 2. Повышение интенсивности УЗ может привести к возникновению в биологической среде акустической кавитации, которая сопровождается механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биосреде газовые пузырьки).
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО 3. При поглощении УЗ в БО происходит преобразование акустической энергии в тепловую. • Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности БО – повышает интенсивность обмена веществ. • Более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биоструктур и их разрушению (денатурация белков и др. ).
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • УЗ повышает проницаемость биомембран и, как следствие, ускоряет процессы обмена веществ из-за диффузии. • Упругие колебания УЗ-диапазона создают высокий градиент звукового давления, что вызывает значительные сдвиговые напряжения в разных биотканях. • Все вышеперечисленные факторы действуют на БО в том или ином сочетании. Поэтому трудно раздельно исследовать процессы , имеющие разную физическую природу.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО 2. Применение. 2. 1. УЗ-хирургия (применение УЗ-инструментов). • Различают 2 разновидности, связанные с: а)разрушением биотканей с помощью фокусированного УЗ (частота порядка 1 -10 МГц); б) наложением УЗ-колебаний (частота 20 -75 к. Гц и амплитуда 10 -50 мкм) на хирургический инструмент. • УЗ-инструменты используются для рассечения мягких и костных тканей, что позволяет существенно уменьшить усилие резания, кровопотери и болевые ощущения.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО 2. 2. Современные технологии УЗ-исследований. • Трехмерная УЗ-визуализация – цифровая широкополосная технология формирования и обработки УЗ- луча с использованием нескольких тысяч приемо-передающих каналов с высоким быстродействием. Пример: фирма «Filips» , 2003 г. , уникальная кардиологическая УЗ-система с трансдъюсером, фазированная решетка которого имела более 5000 пьезоэлементов, что позволило получить цветное трехмерное изображение сердца в реальном масштабе времени.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • Цветное картирование скорости потока крови в реальном времени. Ведущие фирмы – изготовители УЗ-диагностических систем разработали еще в 1992 г. технологию получения цветовой картограммы (Colour Doppler), обеспечивающей кодирование как скорости движения частиц, так и их энергии. Причем, частицы, движущиеся к УЗпреобразователю, кодируются одной цветовой гаммой (красной), а от УЗ-преобразователя –другой (синей). Чем выше скорость частиц, тем ярче цвет.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • Энергетическое картирование. В случае кодирования энергии отраженного сигнала (Energetic Doppler) в каждый момент времени: а) происходит разложение составляющих допплеровского спектра по количеству частиц, б)вычисляется площадь под кривой распределения частиц, в)значение площади кодируется на цветовой шкале. Чем больше площадь, тем более интенсивным цветом отображается данный спектр.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • Особенность: при энергетическом картировании получаемое изображение мало зависит от скорости и направления частиц, а также угла между УЗ-лучом и продольной осью сосуда. • Достоинство: кодирование по энергии отличается высокой чувствительностью к низкоскоростным потокам крови и по диагностической значимости сравнимо с контрастной ангиографией.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • Триплексное сканирование. Это есть – сочетание: получения изображения в реальном масштабе времени (В-режим), цветовой картограммы потока крови и спектрального анализа кровотока в импульсном и постоянном режиме. Кроме исследования потоков крови, метод Допплера применяется для изучения кинетики миокарда, движения которого также кодируются цветом. При этом: высокоскоростные потоки крови отсекаются, а оцениваются скорость и направление движения миокарда, ускорение исследуемой области и энергия сигнала, отраженного от движущихся тканей. Потенциальные области применения- исследования нарушений сократимости, электрической активности и диастолической функции сердца.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • Нативная тканевая гармоника. Относится к перспективным разработкам. Суть технологии - использование 2 -ой гармоники. Известно, что при проведении УЗисследования у пациентов с «плохим УЗокном» для увеличения проникающей способности используются низкие частоты, но при этом снижается детальное разрешение.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО • При использовании 2 -ой гармоники: для увеличения проникающей способности система посылает УЗ на низкой частоте (например, 2 МГц), а принимает сигнал на удвоенной (4 МГц) частоте. Специальные фильтры на приеме и передаче выделяют полезные сигналы. Результат: сохранение пространственного, детального разрешения при глубоком проникновении лучей.
ПТ БМИ: Воздействие ЭМП на БО 3. Лазерное воздействие.
Скачать презентацию Вл ГУ ФРЭМТ кафедра биомедицинской инженерии Специальность Биотехнические
БТС 1м_24.09.12.pptx