Современные принципы конструирования аппаратуры для медико-биологических исследований.

 

Проблема создания современного электронного биомедицинского прибора или системы носит многоплановый характер и имеет ряд аспектов:

1) информационно-биологическое обоснование физического метода (ФМ) положенного в основу работы прибора,

2) приемы технической реализации ФМ,

3) методы преобразования и обработки биоэлектрических сигналов,

4) инженерно-технические приемы конструктивного отделения прибора;

Необходимость учета при проектировании особенностей человека требуют системного подхода к проектированию как биотехнической информационно измерительной системе (БТС).

При системном подходе к созданию медицинского прибора или комплекса необходимо выполнять два основных принципов синтеза БТС:

1. Принцип адекватности.

2. Принцип идентификации.

С точки зрения структуры БТС можно классифицировать на:

1) одноканальные (например, для ЭКС или КГР) с одним из долее электрическим выходом (отведения ЭЭГ) автономные измерительные системы с первичной обработкой для выделения полезной информации;

2) инддиоционно-регистрационные управляющие (замкнутые) комплексы со специализ. или серийных управляющими мини-ЭВМ или микро-ЭВМ в целях управления приборами активного вмешательства.

Примеры: аппарат искусственное сердце-лечение, аппарат искусственного кровообращения, наркозный аппарат и др.

3) полипараметрические системы дискретного экспресс-анализа состояния организма человека. В БТС этого типа использубт отдельные электрофизиологические каналы (ЭКГ, ЭГ и др.) с первичной обработкой на микропроцессоре.

Пример: предполетные осмотр пилотов, шоферов, массовы профилактический осмотр населения идр.

4) полипараметрические системы непрерывного контроля за текущим состоянием организма.

5) многофункциональные автомат. комплексы больших медицинских лечебниц и н/иссл. центров.

6) Специализированные автоматизир. комплексы для обработки электрофизиологической информации.

Несмотря на различие структур МБА общим при их разработке является системный подход. Этот подход практически реализуется в последовательном выполнении следующих этапов синтеза.

Этап I – предварительный. Он включает в себя: медико-биологический анализ; инженерно-экономический; патентный анализ; анализ аналогов БТС.

Результат: разработка предварительного медико-технического задания (МТЗ).

Этап II – установление связей между внутренними и внешними параметрами F(x, y) формализация МТЗ, разработка требований к методике и техническое обеспечение эксперимента.

Этап III – разработка и изготовление экспериментальной установки (макета БТС). Проведение экспериментальных исследований.

Этап IV – обработка экспериментальных данных, корректировка моделей и МТЗ.

Этап V – разработка технической документации и изготовление опытного образца (ОО) БТС.

Этап VI – лабораторные испытания ОО. Натуральные (клинические) испытания ОО. Корректирование техн. и эксплуатационной документации.

Этап VII – внедрения БТС. Корректировка документации.

Этап VIII – изготовление опытной партии БТС.

 

Понятие «система» и способы ее описания.

 

При выполнении всех этапов медицинский диагностический комплекс рассматривается и синтезируется как единая многосвязная биотехническая система целевого назначения, характеризуемая некоторым единым критерием эффективности.

Система – совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой для выполнения заданных целевых функций.

С позиций теоретико-множественного подхода система определяется некоторым классом множеств

S={Mⁱ_s, L^j_s, K^h_s},

где Mⁱ_s – подкласс множеств элементов системы S;

L^j_s – подкласс множеств, образующихся в результате деления элементов системы S на под элемент;

K^h_s – подкласс таких множеств, в которые рассматриваемая система S сама входит в качестве элемента.

Элемент – некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий рядом важных свойств, но внутреннее строение (содержание) которого при данном рассмотрении не детализируется, т.е. безотносительно, к цели рассмотрения.

Обозначим его М. Вся совокупность элементов М обозначим некоторым множеством {M}, т.е. M {M}.

Связь – обмен между элементами веществом, энергией, информацией, важный для целей рассмотрения.

Например: единичный акт связи выступает воздействия х₁₂ и х₂₁ х₁₂

М1 ММ1

М2

.

х₂₁

Системой – называем совокупность элементов, обладающих следующими признаками:

а) связями, которые позволяют посредством переходов по ним от элемента к элементу соединить два любых элемента совокупностью;

б) свойством (назначением, функцией), отличной от свойств отдельных элементов совокупности.

Применяя так называемое “кортежное” определение системы можно записать

S: {{M}, {X}, F},

где: - такая, что; {M} – совокупностей элементов, F – функция системы (назначение), {X} – совокупность связи.

Системы и их элементы могут быть:

1) физическими (техническими), механическими, электрическими, гидравлическими, термодинамическими, акустическими и т.д.;

2) химическими;

3)
биологическими;

4) смешанными (например, биотехническими).

Любая система характеризуется наличием:

1) входов x_i и выходов y_i;

2) элементный состав и структура;

3) набор параметров, описывающие внутреннее состояние;

4) закон поведения – реакция выхода на вход.

Закон поведения Y_j=f_j (x₁, x₂, …,x_n, u₁, u₂, …,u_i), где u_i – определяющие параметры системы.

Состояние системы определяется значениями ее характеристических параметров, параметров ее элементов, положением системы в пространстве, а также значением ее производных. При производных отличных от “0”, система, способная изменять состояние под влиянием воздействий, становится динамической.

Различные описания системы позволяют выявить и отобразить упорядоченность, структурную и функциональную организованность системы.

Выделяют следующие виды описаний:

- морфологическое;

- функциональное;

- информационное.

Морфологическое описание – сведения о строении системы, т.е. о составе (наборе) элементов, связях и структуре системы.

При разработки МА одним из первых шагов ее морфологического описания является разработка структурной схемы аппарата или системы. При этом под структурной схемой понимается схема, отражающая состав всех элементов, множество всех возможных отношений (связей) между элементами внутри данной системы, а также конфигурацию (пространственное расположение элементов и геометрические свойства) системы.

Функциональное описание – сведения о функциональном назначении системы и ее элементов, функциональных связях элементов и их изменениях в процессе функционирования.

Функциональная схема разрабатываемого прибора представляет собой детальное изображение элементов и их функциональных связей между собой и системы в целом в отношении других систем. При этом основное внимание уделяется связям системы и ее реакции на внешние воздействия, воздействиями между элементами внутри системы и т.д.

Информационное описание (ИО) – позволяет оценить циркуляцию информационных потоков в системе и степень ее упорядоченности (организованности). ИО тесно связано с функциональным.

Принципы системного подхода:

1) принцип конечной цели (глобальный) – абсолютный приоритет КЦ;

2) принцип единства – совм. рассмотрение системы как целого и как совокупность элементов;

3) принцип связности – рассмотрение любого элемента или части совместно с окр-ми связями.;

4) принцип модельного построения – полезно выделять модули в системе и рассматривать ее как совокупность модулей;

5) принцип иерархии – полезно выделять иерархии частей (элементов) и (или) их ранжирования;

6) принцип функциональности – совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом функции над структурой;

7) принцип развития – учет изменяемости системы, ее способность к развитию;

8) принцип децентрализации – сочетание принципов централизации и децентрализации в принцип решения и управления;

9) принцип неопределенности – учет неопределенностей и случайностей в системе.