Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К СИНТЕЗУ И АНАЛИЗУ БИОИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Муха Ю.П. 1 Авдеюк О.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»
В настоящей статье сформулирован биоинструментальный подход к созданию информационно-измерительных систем медицинского назначения. Указано, что процесс исследования состояния биообъекта – это специализированный экспериментальный процесс. Отмечено, что биоинструментальная информационно-измерительная система должна способствовать получению врачом достаточно полной и корректной информации для синтеза концептуальной модели состояния пациента и выбора метода лечения и лекарственных средств. Только при этом условии возможно построение достоверной модели пространства состояния и состава диагностических признаков; создание алгоритмов обработки информации в биотехнических измерительно-вычислительных системах и анализа конкретных состояний. Сделан вывод, что решение задач анализа и синтеза биотехнических систем требует чрезвычайно специфических, принципиально новых подходов.
биотехнические системы
биообъект
информационно-измерительная система
1. Ахутин В.М. Биотехнические аспекты синтеза биотехнических систем. – М.: Кибернетика. – 1976. – № 4. – С. 3–26.
2. Ахутин В.М. Биотехнические системы: теория и проектирование: учебное пособие/ В.М. Ахутин, А.П. Немирко, Н.Н. Першин, А.В. Пожаров, Е.П. Попечителев, С.В. Романов. – ГОУ ОГУ, 2008. – 204 с.
3. Биоинструментальные информационно-измерительные системы: монография / Ю.П. Муха, О.А. Авдеюк, Л.Г. Акулов, А.В. Бугров, В.Ю. Наумов, В.М. Мухин; под ред. Ю.П. Мухи.– М.: Радиотехника, 2015. – 309 с.
4. Муха Ю.П. Современные проблемы медицинских измерений: структурируемость, наблюдаемость, измеряемость и управляемость [Электронный ресурс] / Ю.П. Муха, О.А. Авдеюк // Современные проблемы науки и образования: электрон. науч. журнал / РАЕ. – 2015. – № 1. – C. 1–7.
5. Муха Ю.П. Алгебраическая теория синтеза сложных систем: монография / Ю.П. Муха, О.А. Авдеюк, И.Ю. Королева; ВолгГТУ. – Волгоград: РПК «Политехник», 2003. – 320 с.
6. Муха Ю.П. Информационно-измерительные системы с адаптивными преобразованиями. Управление гибкостью функционирования: монография / Ю.П. Муха, О.А. Авдеюк, И.Ю. Королева; ВолгГТУ. – Волгоград, 2010. – 303 с.
7. Муха Ю.П. Общий подход к биомедицинским измерениям / Ю.П. Муха, О.А. Авдеюк // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий (ИНФО-2015): матер. XII междунар. науч.-практ. конф. (г. Сочи, 1–10 окт. 2015 г.) / НИУ ВШЭ [и др.]. – М., 2015. – C. 118–119.

Процесс исследования состояния биообъекта – это специализированный экспериментальный процесс. Как было указано в [3–6], проблема биомедицинских измерений сопряжена с решением последовательных задач, которые можно назвать в следующем порядке: задача структурирования, задача наблюдаемости, задача измеряемости, задача управляемости. Под структурируемостью понимают возможность определения в системе множества функциональных элементов и назначения отношений между ними таким образом, что внешняя функция системы остается неизменной, т.е. независимой от выбора множеств элементов и связей между ними. Под наблюдаемостью понимается возможность выделения в многокомпонентной системе многосвязного типа некоторых фундаментальных параметров, т.е. параметров, входящих во все отображения входных величин в выходные. Под измеряемостью понимаются задачи выбора системы эталонов для (измеряемых) системного параметра (чаще всего вектора) и совокупности алгоритмов обработки измерительной информации, позволяющих осуществить процесс метрологического анализа и выполнить оценку достоверности полученных результатов измерений. Задача управляемости является базой для проведения измерительных испытаний, измерительного эксперимента, для создания измерительной экспериментальной установки. В общем случае, в соответствии с четверкой «структурируемость – наблюдаемость – измеряемость – управляемость», структуру экспериментального процесса можно представить следующим образом:

В [1, 2] приведена блок-схема оперативного врачебного контроля, которая является интерпретацией медицинского эксперимента с помощью биотехнической системы (БТС). Она имеет следующий вид, изображенный на рис. 2.

pic_43.wmf

Рис. 1. Структура эксперимента

pic_44.tif

Рис. 2. Блок-схема БТС оперативного врачебного контроля: МС – мониторинговая система; П – «пациент» (биообъект); УРО-1, УРО-2 – устройства регистрации и отображения физиологических процессов и результатов обработки измерительной информации соответственно; ИУ – исполнительное устройство в контуре управления экспериментом; В – врач (специалист-наблюдатель)

При этом через myha01.wmf обозначается множество состояний пациента, которое считается конечным, достигаемых пациентом или в естественном (начальном) состоянии (i = 1), или под воздействием врача, реализующим myha02.wmf – множество управляющих воздействий на некотором временном интервале. В этом случае L = {fjt(xi)} – множество физиологических процессов на временном интервале наблюдения Δt, вызванных управляющими воздействиями врача на пациента, возникающих при реакции пациента при смене состояний {xi}, а myha03.wmf – множество состояний объекта, представляемых средствами МС. Если L достаточно полно характеризует множество состояний пациента X, т.е. всегда существует отображение L: myha04.wmf, то «задача синтеза идеальной медицинской системы (МС) сводится к построению такого алгоритма обработки множества L, соответствующего некоторому отображению L → S, которое обеспечивает взаимную однозначность отображения S → F. Выбор воздействия fj при данном xi определяется оптимальным планом лечения, который составляется врачом на основании его знания реакции пациента на fj и цели приведения в заданное подмножество состояний X′ ⊂ X, называемых нормальными».

Отмечая высокий уровень сложности описания элементов X, Y (Y – подмножество воздействий F: Y ⊂ F, состоящее из элементов yj ∈ Y, определяющихся в соответствии с выбором оптимального плана лечения) и S и степень трудности представления алгоритмов обработки, реализуемых в МС, авторы [1, 2] обосновывают отказ от изучения поведения пациента в Ln фазовом пространстве и переход к порождающим грамматиком G в L(G): «объект при этом описывается цепочкой символов, каждый из которых может соответствовать некоторому медицинскому понятию. Учет иерархической соподчиненности и логической значимости между признаками, описывающими состояние больного, приводит к синтезу списковых грамматик, посредством которых объект описывается сложным списком».

В этих условиях авторы [1, 2] полагают, что рассмотрение МС как биотехнические системы (БТС) связано с определением следующей совокупности шагов при синтезе МС: формирование множества myha05.wmf, составление множества S, синтез функций myha06.wmf определяющих алгебра-логическое представление условий выбора элементов множества S′ ⊂ S в соответствии с S1, S2, …, Sn – классами патологических состояний организма при обработке на МС. Далее осуществляется проверка взаимной однозначности отображения myha07.wmf: S′ → Y′, и, наконец, синтезируются алгоритмы обработки для получения множества S с учетом вариабельности индивидуальных данных.

Таким образом, очевидно, что решение задач анализа и синтеза БТС требует чрезвычайно специфических, принципиально новых подходов. Действительно, биологические параметры БТС не детерминированы и исключают возможность исследования их методом «черного ящика»; нелинейны и многосвязны, что затрудняет организацию и проведение экспериментов, обладающих высокой достоверностью; осложняет синтез структуры функциональных моделей живого организма.

В [1, 2] авторы предложили метод поэтапного моделирования биологического объекта как к ограниченно-детерминированному при условии стабилизации процессов во внешней среде. Ясно, что метод не является всеобщим, но позволяет решать конкретные задачи. Он предусматривает поэтапный переход от смешанной биотехнической модели к математической модели БТС за счет накопления экспериментальных данных биообъекта. Несмотря на то, что в каждом конкретном случае модель модифицируется, можно выделить некоторые этапы, которые каждый раз повторяются. Они состоят в следующем.

Подготовительный этап (этап I)

В рамках этого этапа «разрабатывается структурно-функциональная схема БТС, конкретизируется ее целевая функция и возможные режимы работы. Определяется биологический объект и предварительный алгоритм его функционирования в БТС. На основании априорных данных создается модель БТС с математической моделью биологического элемента».

Управленческое согласование характеристик элементов БТС (этап II)

«Осуществляются итерационные процедуры согласования характеристик элементов БТС в едином контуре управления». В этом случае осуществляется моделирование на ЭВМ всех технических элементов, все воздействующие внешние факторы, и используется модель биологического звена. За счет комплексного исследования БТС осуществляется оптимизирующий подбор характеристик технических звеньев, что позволяет определить комплекс характеристик-требований для биологического звена при условии нормального функционирования БТС в заданном диапазоне режимов.

Информационное согласование (этап III)

«Исследуются информационные процессы, обеспечивающие соблюдение принципов адекватности и идентификации информационной среды». Для БТС с человеком-оператором в качестве управляющего звена на этом этапе осуществляется исследование возможностей минимизации входной осведомительной информации, создание методов ее преобразования и представления для формирования концептуальной модели, на основании которой можно сформировать правильное решение. Выполняются статистические испытания на откорректированной модели. Уточняются решающие правила о состоянии биологического объекта. Разрабатываются требования к согласующим устройствам связи между технической и биологической частями БТС.

Заключительный этап (этап IV)

«Проводится исследование БТС в полунатурных (модельных) и натурных условиях». На основе обработки экспериментальных данных совершается окончательная корректировка математической модели. Формируется техническое задание на создание БТС.

Структурная схема [1, 2] современных диагностических медицинских и исследовательских БТС может быть представлена следующим образом (рис. 3).

pic_45.tif

Рис. 3. Структурная схема измерительно-информационной БТС-М. Здесь приняты следующие обозначения:

ДПИ МИП – датчики-преобразователи информации медленно изменяющихся процессов; БУ – блок усиления; БП – блок преобразования; ААС – автоматический анализатор состояния; БР – блок регистрации; СОИ – система отображения информации; БСИ – блок сжатия информации; БВИП – блок выделения информативных признаков; П – пациент; В – врач; ДП – блок долговременной памяти; ОП – блок оперативной памяти; ДПИБИП – датчики-преобразователи информации быстроизменяющихся процессов; ЛС – лекарственные средства

Блок-схема медицинской информационно-измерительной и управляющей медицинской биотехнической системы, представленная на рис. 3, – это типичная схема. Она используется при разработке систем для решения многих прикладных задач, связанных с поддержанием работоспособности человека-оператора в сложных экстремальных условиях; с осуществлением стимуляции отдельных физиологических систем или органов для устранения различной патологии в их деятельности; с компенсацией вредных воздействий внешней среды; с использованием технических устройств в рамках систем временного замещения функций физиологических систем организма.

Таким образом, биоинструментальная информационно-измерительная система должна способствовать получению врачом достаточно полной и корректной информации для синтеза концептуальной модели состояния пациента и выбора метода лечения и лекарственных средств. Только при этом условии возможно построение достоверной модели пространства состояния и состава диагностических признаков; создание алгоритмов обработки информации в биотехнических измерительно-вычислительных системах и анализа конкретных состояний.


Библиографическая ссылка

Муха Ю.П., Авдеюк О.А. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К СИНТЕЗУ И АНАЛИЗУ БИОИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 3-2. – С. 268-271;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35732 (дата обращения: 24.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674