Основы анализа биотехнических систем. Теоретические основы БТС

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. – (Биомедицинская инженерия в техническом университете). 
 
ISBN 978-5-7038-3484-8 
 
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. 
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 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
Учебное пособие «Основы анализа биомедицинских систем» 
предназначено для студентов старших курсов инженерных специальностей медико-технических, биотехнологических, ветеринарных и агрономических вузов, приступающих к проектированию 
различных биотехнических систем (БТС). При этом возникает необходимость использования информации по теоретическим дисциплинам, пройденным на младших курсах. 
Применительно к биообъектам изложены основные методы 
количественного описания биологических объектов. 
Бóльшая часть издания посвящена общим принципам проектирования биомедицинской техники и их применению к конкретным 
БТС: диагностическим, терапевтическим, хирургическим и к искусственным органам и системам жизнеобеспечения. 
Учебное пособие рекомендовано для студентов старших курсов 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 технических 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. 
 
5 

 
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 патологии 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, физикохимические 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 
6 

 
щей в состав БТС, на основе этих критериев, конструирование целевой функции разрабатываемой модели; 
 регуляризация модели биомедицинской техники, выбор метода регистрации наблюдений и обработки регистрируемых данных о биологическом объекте; 
 выбор, оценка и расчет параметров; 
 описание структуры выбранного варианта биомедицинской 
техники; 
 сравнительный анализ технических решений, обеспечивающих работоспособность выбранного варианта биомедицинской 
техники  в заданном диапазоне значений параметров. 
В настоящее время известно много разновидностей медицинской техники, приборов и аппаратов. Каталог медицинской 
техники, составленный в соответствии с Общероссийским классификатором Минздрава, включает в себя более 12 тыс. наименований. 
Активное внедрение достижений техники в теорию и практику исследования функций живых организмов и биологических 
систем – отличительная черта современных медицины, ветеринарии, агрономии, экологии и биологии. В связи с этим особую 
роль в обучении инженера, работающего в перечисленных областях, приобретают знания основ биофизики, биохимии и системного 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 литература по данному направлению представлена слабо. Изданы 
лишь различные методические разработки, малодоступные для 
студентов. 
В учебном пособии изложены вопросы проектирования биомедицинской техники в пределах программ по медицинской инженерии для студентов технического университета, ранее не изучавших 
основ теории взаимодействия технических систем с биологическими объектами. 
При проектировании и эксплуатации медицинской техники и 
биотехники особенно важна количественная сторона рассматриваемых закономерностей. С этой целью в тексте приведены графики и таблицы, чтобы студенты при изучении курса получили 
 
7 

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 форме изложены основы количественных методов описания биологических объектов разных уровней сложности. Часть II (гл. 11–15) посвящена 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. 
 
8 

 
 
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 описания БТС сформулированы следующим образом: с позиций системного подхода определяются требования к характеристикам проектируемой БТС;  
с учетом специфичности биообъекта устанавливается связь целевого назначения 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 – ускоренный рост индустрии техники для медицины (медицинской техники) и биотехнологий (биотехники).  
В качестве одного из наиболее распространенных примеров 
медицинской техники можно привести рентгеновские аппараты, широко используемые для рентгеноскопии (рис. 1.1). Рентгеноскопия представляет собой неинвазивный (без вмешательства в организм) метод технической диагностики состояния 
внутренних органов. 
 
9 

 
Рис. 1.1. Схема флюорографической рентгеноскопии: 
1 – человек (биообъект); 2 – рентгеновская трубка; 3 – блок питания; 4 – излучение; 5 – флуоресцентный экран 
Основные элементы рентгеновского аппарата – рентгеновская 
трубка 2, генерирующая излучение 4, блок питания 3, управляющие 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 изображение (теневые проекции внутренних органов), используя которое 
можно судить о состоянии организма, т. е. ставить диагноз.  
В рассмотренном случае человек – это биообъект, а рентгеновский аппарат – техническое устройство.  
Еще один пример современной медицинской техники для функциональной диагностики – реограф, служащий для оценки состояния 
системы кровообращения. Принцип действия реографа (рис. 1.2) основан 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.  
 
10

 
 
 
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 
 
11 

 
В аэроионотерапии техническим устройством является люстра 
Чижевского с блоком питания и элементами управления, биообъектами – 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 вмешательствах относятся специальные аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ). Искусственная вентиляция легких – наиболее 
эффективный (а иногда и единственный) метод лечения опасного 
для жизни полного или частичного нарушения дыхания, возникающего вследствие тяжелых инфекционных заболеваний, серьезной 
патологии нервной системы и органов дыхания, при травмах, ранениях и поражениях электрическим током.  
С помощью аппарата ИВЛ в легкие пациента ритмично вводится определенный объем газа (рис. 1.4). В данном случае биообъектом является система внешнего дыхания, а пневматические 
механизмы вместе с измерительными и регистрирующими подсистемами 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 
 
12