ПРЕДМЕТ, ЗАВДАННЯ І МЕТОДИ КІЛЬКІСНОГО ОПИСУ БІОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ

Розробка методів кількісного опису біооб'єктів - один з головних елементів проектування біомедичної техніки.

У цій главі предмет, завдання і методи кількісного опису БТС сформульовані наступним чином: з позицій системного підходу визначаються вимоги до характеристик проектованої БТС; з огляду на специфіку біооб'єкту встановлюється зв'язок цільового призначення і технічних характеристик БТС; розробляються методи кількісного опису біооб'єкту; формулюється завдання аналізу і синтезу даного типу БТС.

Техніка для медицини

Характерна риса технічного розвитку суспільства - прискорене зростання індустрії техніки для медицини (медичної техніки) і біотехнологій (біотехніки).

В якості одного з найбільш поширених прикладів медичної техніки можна навести рентгенівські апарати, широко використовувані для рентгеноскопії (рис. 1.1). Рентгеноскопія є неінвазивний (без втручання в організм) метод технічної діагностики стану внутрішніх органів.

Схема флюорографіческой рентгеноскопії

Мал. 1.1. Схема флюорографіческой рентгеноскопії:

1 - людина (біооб'єкт); 2 - рентгенівська трубка; 3 - блок живлення; 4 - випромінювання; 5 - флуоресцентний екран

Основні елементи рентгенівського апарату - рентгенівська трубка 2, генеруюча випромінювання 4, блок живлення 3, керуючі підсистеми і флуоресцентний екран 5. Принцип дії апарату заснований на проходженні через тканини тіла людини 1 та поглинання ними випромінювання від рентгенівської трубки.

В результаті на флуоресцентного екрані отримують зображення (тіньові проекції внутрішніх органів), використовуючи яке можна судити про стан організму, т. Е. Ставити діагноз.

У розглянутому випадку людина - це біооб'єкт, а рентгенівський апарат - технічний пристрій.

Ще один приклад сучасної медичної техніки для функціональної діагностики - реограф, службовець для оцінки стану системи кровообігу. Принцип дії реографа (рис. 1.2) заснований на залежності електричної провідності живої тканини від протікають в ній фізіологічних процесів.

Зміни імпедансу Z ділянки тканини між вимірювальними електродами, викликані коливаннями кровонаповнення судин, перетворюються в зміни напруги U на виході схеми. Потім ці зміни посилюються, детектируются і реєструються у вигляді кривих - реограмм, на основі аналізу яких лікар ставить діагноз - дає оцінку стану системи кровообігу на досліджуваній ділянці тіла.

При реографии біоб'ект - це досліджувану ділянку тіла, а електроди разом з вимірювальними і реєструючими підсистемами є технічний пристрій.

Мал. 1.2. Схема проведення реографії:

1 - верхні вимірювальні електроди; 2 - рівень мечоподібного відростка; 3 - центр верхніх вимірювальних електродів; 4 - нижні вимірювальні електроди; 5 - нижній струмовий електрод; б-ліва нижня кінцівка; 7 - рівень фіксації вимірювальних електродів; 8 - верхній струмовий електрод

Пристрій для аероіонотерапії - аероіонізатор (люстра Чижевського) - відноситься до класу фізіотерапевтичної апаратури і призначений для збагачення повітря негативно зарядженими супероксідіонамі О2 (аероіонами) (рис. 1.3). Проникаючи через легені в кров, аероіони взаємодіють з тканинами. Малі дози аероіонів надають оздоровчу дію на організм людини. Крім того, при взаємодії аероіонів з повітрям відбувається осадження пилу, шкідливих аерозольних часток і знищення мікроорганізмів.

Принципова схема аероіонізатора і розміщення пацієнтів під час сеансів аероіонотерапії

Мал. 1.3. Принципова схема аероіонізатора і розміщення пацієнтів під час сеансів аероіонотерапії:

1 - випромінювач (люстра Чижевського); 2 - високовольтний кабель; 3 - пульт управління; 4 - з'єднувальний провід; 5 - перетворювач; б - пацієнт

У аероіонотерапії технічним пристроєм є люстра Чижевського з блоком живлення і елементами управління, біооб'єктами - організм людини в цілому, а також мікроорганізми в атмосфері і в легких.

Слід мати на увазі, що підвищені концентрації аероіонів можуть пошкодити тканини. У аероіонотерапії, рентгеноскопії, так само як і в загальному випадку використання медичної техніки, необхідно строго дозувати вплив технічного пристрою на біооб'єкт (принцип біоадекватності).

До апаратурі для життєзабезпечення при хірургічних втручаннях відносяться спеціальні апарати штучної вентиляції легенів (ШВЛ). Штучна вентиляція легенів - найбільш ефективний (а іноді і єдиний) метод лікування небезпечного для життя повного або часткового порушення дихання, що виникає внаслідок важких інфекційних захворювань, серйозної патології нервової системи і органів дихання, при травмах, пораненнях і ураженнях електричним струмом.

За допомогою апарату ШВЛ в легені пацієнта ритмічно вводиться певний обсяг газу (рис. 1.4). В даному випадку Біооб'єкти є система зовнішнього дихання, а пневматичні механізми разом з вимірювальними і реєструючими підсистемами є технічний пристрій.

а - вдих; б - видих; р пп - тиск плеври; р л - тиск в легенях; V / - швидкість вдування; v E - швидкість відкачки; R, r - опір трахеї

Мал. 1.4. Фази ШВЛ:

Примусове введення обсягу газу зі швидкістю v / створює в легких позитивний тиск р я = V // C 0 ( С 0 - загальна розтяжність легенів і грудної клітини), необхідне для розтягування еластичних структур легенів і грудної клітини. При цьому має місце істотна відмінність біомеханіки самостійної вентиляції і ШВЛ. Зворотне співвідношення внутрілегочного і внутрішньогрудних тиску може несприятливо вплинути на серце і мале коло кровообігу.

Способи ШВЛ класифікують на зовнішні і внутрішні. При зовнішньому способі (рис. 1.5, а-в ) повітря надходить в легені під дією розрідження, створюваного в камері, в якій знаходиться пацієнт або частина його грудної клітини. В цьому випадку біомеханіка ШВЛ багато в чому аналогічна біомеханіки самостійної вентиляції. До зовнішніх способам також відносять метод гойдання тіла пацієнта навколо поперечної осі з частотою вентиляції (див. Рис. 1.5, в). Електростимуляція дихальної мускулатури, і в першу чергу діафрагми, за своєю біомеханіки теж є варіантом зовнішнього способу ШВЛ (рис. 1.5, Е).

Способи ШВЛ

Мал. 1.5. Способи ШВЛ:

а - «залізні легені»; б - апарат з кірасою; в - коливається ліжко; - вдування; д - електростимуляція; е - зовнішні коливання тиску; ж - осциляторний вентиляція

При внутрішньому способі для реалізації вдиху газ примусово вдувається в легені, тому під час вдиху створюється позитивний тиск. Біоадекватность внутрішніх способів ШВЛ привела до того, що практично всі наявні на ринку апцарати реалізують саме ці способи. При цьому несприятливий вплив на гемодинаміку і деякі інші показники життєдіяльності успішно нейтралізується.

Перераховані приклади ілюструють той факт, що у всіх зразках медичної техніки (технічних систем) має місце взаємодія технічного пристрою з біооб'єктів: при поглинанні рентгенівського випромінювання тканинами організму (рентгеноскопія), взаємодії негативно заряджених аероіонів з легкими (аероіонотерапія), взаємодії нагнітається при ШВЛ повітря з легкими.

Технічною системою називають технічний пристрій, що складається з двох і більше знаходяться у взаємних зв'язках і відносинах частин. Єдиний комплекс, в якому цілеспрямовано реалізуються взаємодії технічного пристрою з біооб'єктів, називають біотехнічної системою.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >