Основы анализа биотехнических систем. Теоретические основы БТС
Покупка
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Год издания: 2011
Кол-во страниц: 526
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3484-8
Артикул: 183606.02.99
Доступ онлайн
В корзину
Приведены основные сведения по теории биотехнических систем. Рассмотрены вопросы практического использования методов системного анализа для решения задач проектирования биомедицинской техники.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.
Для студентов инженерных специальностей медико-технологических, биотехнологических, ветеринарных и агрономических вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 12.03.04: Биотехнические системы и технологии
- 19.03.01: Биотехнология
- ВО - Специалитет
- 06.05.01: Биоинженерия и биоинформатика
- 30.05.02: Медицинская биофизика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
УДК 615.47(075.8) ББК 34.7я7 Е80 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Е.П. Попечителев; д-р фарм. наук, проф. В.А. Попков; д-р техн. наук, проф. И.Н. Спиридонов; канд. техн. наук А.Н. Калиниченко Ершов Ю. А. Е80 Основы анализа биотехнических систем. Теоретические основы БТС : учеб. пособие / Ю. А. Ершов, С. И. Щукин – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 526, [2] с. : ил. – (Био- медицинская инженерия в техническом университете). ISBN 978-5-7038-3484-8 Приведены основные сведения по теории биотехнических сис- тем. Рассмотрены вопросы практического использования методов системного анализа для решения задач проектирования биомеди- цинской техники. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых в Московском государственном техническом универси- тете имени Н.Э. Баумана. Для студентов инженерных специальностей медико-техно- логических, биотехнологических, ветеринарных и агрономических вузов. УДК 615.47(075.8) ББК 34.7я7 Ершов Ю.А., Щукин С.И., 2011 Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-3484-8 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011
1.8. Минимальные принципы в теории упругости 5 ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие «Основы анализа биомедицинских систем» предназначено для студентов старших курсов инженерных специ- альностей медико-технических, биотехнологических, ветеринар- ных и агрономических вузов, приступающих к проектированию различных биотехнических систем (БТС). При этом возникает не- обходимость использования информации по теоретическим дис- циплинам, пройденным на младших курсах. Применительно к биообъектам изложены основные методы количественного описания биологических объектов. Бóльшая часть издания посвящена общим принципам проекти- рования биомедицинской техники и их применению к конкретным БТС: диагностическим, терапевтическим, хирургическим и к ис- кусственным органам и системам жизнеобеспечения. Учебное пособие рекомендовано для студентов старших кур- сов специальностей «Инженерное дело в медико-биологической практике» и «Биомедицинская инженерия», а также может быть использовано при изучении смежных дисциплин. Авторы выражают благодарность доктору фармацевтических наук, академику РАО, профессору В.А. Попкову и доктору тех- нических наук, профессору И.Н. Спиридонову, преподавателям, аспирантам и студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также доктору технических наук, профессору Р.И. Бурлакову и кандидату технических наук, доценту А.В. Самородову, любезно предоставившим материалы, которые были использованы при подготовке учебного пособия к изданию.
ВВЕДЕНИЕ Единый комплекс, в котором целенаправленно реализуются взаимодействия технического устройства с биологическим объектом, называют биотехнической системой (БТС). Таким образом, техника для медицины (медицинская техника) и биотехнологии (биотехника) – составные части разнообразных БТС. Дисциплина «Теоретические основы БТС» входит в цикл профилирующей подготовки студентов и формирует методологическую основу системного подхода к решению задач анализа и синтеза БТС на основе рационального сопряжения элементов живой и неживой природы. Основная цель дисциплины – научить студента ориентироваться в современных методах анализа и синтеза БТС и разрабатывать методы диагностики (контроля), терапии, хирургии и жизнеобеспечения для управления состоянием организма в норме и при па- тологии с использованием моделирования процессов, протекающих в биологических и технических компонентах БТС. В соответствии с задачей дисциплины особое внимание в учебном пособии уделено формированию умений и навыков специалиста в области биомедицинской инженерии по следующим видам деятельности: классификация разрабатываемой БТС по таким признакам, как медицинское назначение, тип структурной схемы, физико- химические эффекты и технические решения, лежащие в основе функционирования подсистем; изучение свойств биологического объекта; создание базы медико-биологических данных о свойствах биологического объекта и анализ этих данных; разработка и активное использование вербальных, физических, аналоговых, математических моделей биологического компонента БТС; формирование критериев эффективного функционирования БТС и оптимизация параметров биомедицинской техники, входя-
щей в состав БТС, на основе этих критериев, конструирование целевой функции разрабатываемой модели; регуляризация модели биомедицинской техники, выбор метода регистрации наблюдений и обработки регистрируемых дан- ных о биологическом объекте; выбор, оценка и расчет параметров; описание структуры выбранного варианта биомедицинской техники; сравнительный анализ технических решений, обеспечиваю- щих работоспособность выбранного варианта биомедицинской техники в заданном диапазоне значений параметров. В настоящее время известно много разновидностей меди- цинской техники, приборов и аппаратов. Каталог медицинской техники, составленный в соответствии с Общероссийским клас- сификатором Минздрава, включает в себя более 12 тыс. наиме- нований. Активное внедрение достижений техники в теорию и практи- ку исследования функций живых организмов и биологических систем – отличительная черта современных медицины, ветерина- рии, агрономии, экологии и биологии. В связи с этим особую роль в обучении инженера, работающего в перечисленных облас- тях, приобретают знания основ биофизики, биохимии и систем- ного анализа. Эти знания служат фундаментом последующего изучения методов проектирования биомедицинской техники. Существует множество научных работ по БТС, в том числе монографий, обзоров и оригинальных статей, однако учебная ли- тература по данному направлению представлена слабо. Изданы лишь различные методические разработки, малодоступные для студентов. В учебном пособии изложены вопросы проектирования биоме- дицинской техники в пределах программ по медицинской инжене- рии для студентов технического университета, ранее не изучавших основ теории взаимодействия технических систем с биологиче- скими объектами. При проектировании и эксплуатации медицинской техники и биотехники особенно важна количественная сторона рассматри- ваемых закономерностей. С этой целью в тексте приведены гра- фики и таблицы, чтобы студенты при изучении курса получили
представление о величинах и их изменениях в зависимости от условий. Иллюстрации и примеры носят медико-биологический характер. Книга состоит из двух частей. В части I (гл. 1–10) в сжатой фор- ме изложены основы количественных методов описания биологиче- ских объектов разных уровней сложности. Часть II (гл. 11–15) по- священа теоретическим основам проектирования биомедицинской техники различных классов: диагностической, терапевтической, хирургической и искусственных органов и систем жизнеобеспечения. Приведены примеры использования методов системного анализа для решения конкретных задач создания медицинской техники и биотехники. С позиций современной теории биологических систем проанализированы результаты многочисленных исследований и использования техники в практической, экспериментальной медицине и фармации. Показаны пути оптимизации традиционных методов и возможности применения новых технических методов в диагностике, клинической аналитике, терапии, хирургии и системах жизнеобеспечения. Рассмотрены задачи прикладной биотехнологии и фармации, а также возможности решения этих задач с помощью современной техники.
Светлой памяти Владимира Ивановича Лощилова – друга и учителя ЧАСТЬ I МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПИСАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 1 ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПИСАНИЯ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Разработка методов количественного описания биообъектов – один из главных элементов проектирования биомедицинской техники. В настоящей главе предмет, задачи и методы количественного описа- ния БТС сформулированы следующим образом: с позиций системного под- хода определяются требования к характеристикам проектируемой БТС; с учетом специфичности биообъекта устанавливается связь целевого на- значения и технических характеристик БТС; разрабатываются методы количественного описания биообъекта; формулируется задача анализа и синтеза данного типа БТС. 1.1. Техника для медицины Характерная черта технического развития общества – ускорен- ный рост индустрии техники для медицины (медицинской техни- ки) и биотехнологий (биотехники). В качестве одного из наиболее распространенных примеров медицинской техники можно привести рентгеновские аппара- ты, широко используемые для рентгеноскопии (рис. 1.1). Рент- геноскопия представляет собой неинвазивный (без вмешатель- ства в организм) метод технической диагностики состояния внутренних органов.
Рис. 1.1. Схема флюорографической рентгеноскопии: 1 – человек (биообъект); 2 – рентгеновская трубка; 3 – блок питания; 4 – излуче- ние; 5 – флуоресцентный экран Основные элементы рентгеновского аппарата – рентгеновская трубка 2, генерирующая излучение 4, блок питания 3, управляю- щие подсистемы и флуоресцентный экран 5. Принцип действия аппарата основан на прохождении через ткани тела человека 1 и поглощения ими излучения от рентгеновской трубки. В результате на флуоресцентном экране получают изображе- ние (теневые проекции внутренних органов), используя которое можно судить о состоянии организма, т. е. ставить диагноз. В рассмотренном случае человек – это биообъект, а рентге- новский аппарат – техническое устройство. Еще один пример современной медицинской техники для функ- циональной диагностики – реограф, служащий для оценки состояния системы кровообращения. Принцип действия реографа (рис. 1.2) ос- нован на зависимости электрической проводимости живой ткани от протекающих в ней физиологических процессов. Изменения импеданса Z участка ткани между измерительными электродами, вызванные колебаниями кровенаполнения сосудов, преобразуются в изменения напряжения U на выходе схемы. Затем эти изменения усиливаются, детектируются и регистрируются в виде кривых – реограмм, на основе анализа которых врач ставит диагноз – дает оценку состояния системы кровообращения на исследуемом участке тела. При реографии биобъект – это исследуемый участок тела, а электроды вместе с измерительными и регистрирующими подсистемами представляют собой техническое устройство.
Рис. 1.2. Схема проведения реографии: 1 – верхние измерительные электроды; 2 – уровень мечевидного отростка; 3 – центр верхних измерительных электродов; 4 – нижние измерительные электроды; 5 – нижний токовый электрод; 6 – левая нижняя конечность; 7 – уровень фиксации измерительных электродов; 8 – верхний токовый электрод Устройство для аэроионотерапии – аэроионизатор (люстра Чижевского) – относится к классу физиотерапевтической аппаратуры и предназначено для обогащения воздуха отрицательно заряженными супероксидионами 2 О (аэроионами) (рис. 1.3). Проникая через легкие в кровь, аэроионы взаимодействуют с тканями. Малые дозы аэроионов оказывают оздоровительное действие на организм человека. Кроме того, при взаимодействии аэроионов с воздухом происходит осаждение пыли, вредных аэрозольных частиц и уничтожение микроорганизмов. Рис. 1.3. Принципиальная схема аэроионизатора и размещение пациентов во время сеансов аэроионотерапии: 1 – излучатель (люстра Чижевского); 2 – высоковольтный кабель; 3 – пульт управления; 4 – соединительный провод; 5 – преобразователь; 6 – пациент
В аэроионотерапии техническим устройством является люстра Чижевского с блоком питания и элементами управления, био- объектами – организм человека в целом, а также микроорганизмы в атмосфере и в легких. Следует иметь в виду, что повышенные концентрации аэроионов могут повредить ткани. В аэроионотерапии, рентгеноскопии, так же как и в общем случае использования медицинской техники, необходимо строго дозировать воздействие технического устройства на биообъект (принцип биоадекватности). К аппаратуре для жизнеобеспечения при хирургических вмеша- тельствах относятся специальные аппараты искусственной вентиля- ции легких (ИВЛ). Искусственная вентиляция легких – наиболее эффективный (а иногда и единственный) метод лечения опасного для жизни полного или частичного нарушения дыхания, возникаю- щего вследствие тяжелых инфекционных заболеваний, серьезной патологии нервной системы и органов дыхания, при травмах, ране- ниях и поражениях электрическим током. С помощью аппарата ИВЛ в легкие пациента ритмично вво- дится определенный объем газа (рис. 1.4). В данном случае био- объектом является система внешнего дыхания, а пневматические механизмы вместе с измерительными и регистрирующими подсис- темами представляют собой техническое устройство. Рис. 1.4. Фазы ИВЛ: а – вдох; б – выдох; рпл – давление плевры; рл – давление в легких; vI – скорость вдувания; vЕ – скорость откачки; Rtr – сопротивление трахеи
Доступ онлайн
В корзину