Кореневский Н. А. 4 страница

Владеть: навыками формулировки цели, задач, научных и практических результатов основных этапов научных исследований, подготовки научно-технической документации.

24. «Технологии обслуживания систем медицинского назначения»

Цели и задачи дисциплины: знакомство с принципами организации процесса обслуживания аппаратов, систем и комплексов медицинского назначения.

Основные дидактические единицы (разделы):

Общие представления об основных технологических процессах обслуживания медицинской техники. Поверка и калибровка медицинской техники. Методики выполнения измерений при обслуживании медицинской техники. Техническое состояние эксплуатируемой медицинской техники. Принципы управления техническим состоянием медицинской техники. Перспективы развития технологий обслуживания медицинской техники в РФ.

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать: основные технологические процессы обслуживания медицинской техники, правовые основы поверки, калибровки и сертификации медицинской техники; основные приемы ремонта и регулировки аппаратуры.

Уметь: организовывать процесс ремонта и обслуживания медицинской техники; составлять графики и заявки на поверку и калибровку аппаратуры.

Владеть: сведениями об организации в РФ централизованного обслуживания, поверки, калибровки и сертификации медицинской техники.

При обучении бакалавр обладает определенными правилами и обязанностями:

¾ Право в пределах объема учебного времени, отведенного на освоение дисциплин (модулей, курсов) по выбору, предусмотренных образовательной программой выбирать конкретные дисциплины (модули, курсы);

¾ Право при формировании своей индивидуальной образовательной программы получить консультацию в вузе по выбору дисциплин (модулей, курсов) на основании аттестации;

¾ Обязанность выполнять в установленные сроки все задания, предусмотренные образовательной программой.

1.4. Историческая справка

Вопросы диагностики состояния и лечения человека интересовали исследователей с древних времен как на Востоке, так и на Западе. Древневосточная медицина, еще до нашей эры широко практиковала диагностику и лечение на основе анализа «Энергетического накопления организма» и воздействия на так называемые биологически активные точки.

На Западе, ещё в IX веке ученый монах Роджер Бэкон на основе опытного изучения написал трактат о магнитных свойствах кровотока. В середине XIX века итальянский ученый Луиджи Гальвани установил, что живая ткань реагирует на электрические воздействия, что положило начало сначала изучению электрических явлений в живом организме, а затем и лечебных свойств электрических явлений. В 1881 году вышла первая отечественная монография Н.И. Григорьева, посвященная лечебным свойствам магнитов. В 1901 году вышла книга известного русского физиолога В.Я. Данилевского «Исследования над физиологическим действием электричества на расстоянии», в которой были заложены основы электромагнитной терапии. Русские ученые А.А. Любищев и А.Г. Гурвич в 20-40-х годах XX столетия заложили основу информационно-волновой медицины и биологии.

Проследить достаточно подробно всю историю развития медицинской техники достаточно сложно, и это выходит за рамки настоящего учебного пособия, отметим только, что революционный прорыв в медицинском приборостроении произошел с развитием средств электроники и вычислительной техники, когда стало возможным практически любое проявление жизнедеятельности предоставить в виде электрического сигнала, обработка которого позволяет всесторонне изучить функционирование различных подсистем человека от клетки до функциональных систем и организма в целом.

Начало медико-технического образования в России определяется 1962 годом, когда председатель Научного Совета по проблеме «Кибернетика» АН СССР, академик, инженер-адмирал Аксель Иванович Берг выступил на собрании отделения биологии с предложением объединения научных усилий ученых-биологов и медиков со специалистами и учеными точных наук. Эта идея была поддержана и ведущими медицинскими специалистами, в частности академиком, д.м.н. Петром Андреевичем Куприяновым, ведущим хирургом Военно-медицинской Академии (г. Ленинград). И в апреле 1962 г. Министерством образования СССР было принято решение о создании в Ленинградском электротехническом институте первой в стране кафедры «Электронно-медицинская аппаратура» (ЭМА). Ее возглавил д.т.н., профессор Ошер Бениаминович Лурье, известный в мире специалист в области усилительной техники, что способствовало активизации работ в области разработки биоусилителей. В то время получение качественных биоусилителей считалось важнейшей технической проблемой для решения различных прикладных задач в медицине и биологии.

Под руководством проф. О.Б. Лурье был разработан первый учебный план подготовки инженеров медико-технического профиля, который не ограничивался только усилительной техникой, а учитывал ряд перспективных направлений применения технических средств в медицине и биологических исследованиях. Были организованы первые учебные лаборатории и производственные практики, появились и первые научно-исследовательские работы.

В те годы усилиями специалистов кафедры стали складываться ее научные школы по применению в медицине телевизионной техники и фотометрии (Роберт Евгеньевич Быков), разработке технических средств ядерной медицины (Алексей Львович Игрицкий), системам обработки биосигналов и экспериментальных данных (Александр Александрович Зубков), уникальной техники биологического эксперимента (Николай Николаевич Першин) и т.п.

К началу 70-десятых годов относится официальное начало подготовки специалистов по биомедицинской технике в ведущих державах мира: США, Англии, Франции и Германии.

Заметный вклад в развитие медико-технического образования и общую теорию биотехнических систем внес капитан первого ранга, профессор, доктор технических наук Владимир Михайлович Ахутин – лауреат Ленинской (в последствии и государственной) премии, академик ряда Академий, заслуженный деятель науки и техники, главный конструктор ОКБ биомедицинской кибернетики, а затем Научно-исследовательского и конструкторско-технологического института биотехнических систем (НИКТИ БТС).

Под руководством Ахутина В.М. начали изменяться взгляды на сущность нового образовательного направления, что привело к иному пониманию и задач научных исследований в этой области. И это понимание было связано, прежде всего, с необходимостью развития системных взглядов на медико-биологические исследования как на особые, обладающие специфическими особенностями технологии изучения и обслуживания живых систем, в которых техническим средствам отводится вполне определенная роль. Глубокое понимание роли системных исследований и их влияния на решение практических задач не только медицины и биологии, а и других прикладных областей, в которых высока роль биологического объекта и, в частности, человека, стало проявляться после того, как было сформулировано представление о новом классе «технических систем, представляющих собой совокупность биологических и технических элементов, связанных между собой в едином контуре управления» биотехнических систем (БТС). Оно затем было развито и дополнено в коллективной монографии «Биотехнические системы. Теория и проектирование» (1981 г.), подготовленной под руководством Ахутина В.М., которое многие годы оставалось единственным учебным пособием по этому направлению. Объединение усилий многих ведущих специалистов из разных областей науки – биологии, физиологии, медицины, физики, математики, теории управления, информатики и техники вокруг проблемы комплексирования биологических и технических элементов способствовало формированию новой науки биотехтоники, основы которой закладываются современными специалистами.

2. БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Современные биотехнические системы представляют собой огромный арсенал, так называемых человеко-машинных систем, которые имеют две тесно-взаимодействующие составляющие: биологический объект (объекты) (в частности, человек) и технический объект (объекты). Проблемами согласования живых и неживых элементов занимается одна из самых молодых наук биотехтоника.

2.1. Обобщенная структура биотехнических систем и их основные функции

Определение биотехнической системы, ставшее классическим, сформулировал в сентябре 1975 года профессор В. М. Ахутин на первой международной конференции по бионике в Варне (народная республика Болгария): «Биотехническая система представляет собой совокупность биологических и технических элементов объединённых в единую функциональную систему целенаправленного поведения [1]. Одним из основных достоинств таких систем является то, что в них наилучшим образом сочетаются интеллектуальная мощь человеческого разума с целой совокупностью преимуществ технических систем (точность выполнения заложенных в них функций, мощность исполнительных механизмов, огромный объем легко извлекаемой и практически безошибочной информации и др.)

В любой биотехнической системе решающей задачи исследования и управления можно выделить её системообразующие факторы [6]: объект управления (ОУ) и человек оператор (ЧО) (рис. 2.1).

С точки зрения биотехнических систем (БТС) человек оператор имеет естественное биологическое начало, являясь биообъектом БО. В общем виде на человека в БТС соответствующих назначений может быть направлено управляющее воздействие и тогда биообъект сам может стать объектом управления (например, в биотехнических системах медицинского назначения воздействие аппаратурой для терапии).

Рис. 2.1. Структура связи человек оператор – объект управления.

Взаимодействующие между собой ОУ и ЧО находятся под непрерывным воздействием окружающей среды, которая может быть как весьма дружелюбной, так и агрессивной и даже враждебной.

Окружающая среда являясь фоном, в котором работает биотехническая система сама испытывает влияние со стороны ОУ и ЧО, которые в свою очередь могут повлиять на её состояние.

Определим более подробно роль биообъекта в биотехнической системе.

В работе [6] выделяются четыре основные функции биообъекта в системе ОУ↔БО:

1. Биообъект как источник измерительной информации, по которой оцениваются характеристики и отдельные параметры жизнедеятельности БО.

2. Биообъект подвергающийся воздействию с целью изменения его состояния в нужном направлении.

3. Биообъект как подсистема, проводящая анализ информации о состоянии исследуемого объекта (например ОУ) с целью формирования представления о его состоянии и оценки прогноза поведения этого объекта.

4. Биообъект как подсистема, ответственная за принятие решений о способах управления состоянием объекта исследований.

Первые две функции относятся к БТС в которых биообъект является объектом управления, а человек-оператор, возможно с использованием технических средств, решает задачи оценки и управления состоянием человека, животного, растения, экологической обстановкой и т. д.

Широко распространен вариант, когда исследуются материалы жизнедеятельности биообъектов и различные биопробы. Классическими примером такого взаимодействия между ОУ и ЧО являются биотехнические системы медицинского назначения.

Третья и четвертая функции характерны для человека-оператора управляющего сложными техническими системами, возможно взаимодействующими с другими биообъектами (в частности, с обслуживающими техническую систему (системы)). При этом считается, что действия человека-оператора во многом определяют надежность функционирования БТС в целом.

Рассмотрим несколько примеров взаимодействия элементов биотехнических систем решающих различные задачи.

В задачах реализации лечебно-диагностического процесса один биообъект, выступающий в роли объекта управления, является пациентом, о котором врач (человек-оператор) собирает необходимую для принятия решений информацию, используя для этого необходимую номенклатуру средств диагностической медицинской техники. После принятия решений о состоянии пациента, врач (человек оператор) планирует организацию лечебно-оздоровительных мероприятий, используя дугой класс медицинской техники.

В работе [6] приводятся особенности взаимодействия ОУ↔ЧО в БТС решающих другие задачи.

В задачах охраны труда и оптимизации трудовой деятельности человека в качестве БО выступает уже работающий человек – ЧО, а другой БО – сотрудник отдела охраны туда, который анализирует его текущее состояние и готовит рекомендации по режиму труда и отдыха, выполняет функции, характерные для ЧО в обычных условиях. При контроле состояния человека в процессе выполнения им производственных заданий нет необходимости в оценке состояния ЧО в полном объеме. Оценка состояния должна быть достаточной для того, чтобы судить об утомлении, о нарушении функций, о критических стадиях состояния. Для этого также могут использоваться различные технические комплексы по сбору и анализу информации.

При решении биологических задач, в частности, при изучении поведения определенного вида животного или растительного организма в условиях управляемого эксперимента в качестве ОУ выступает животное (или растение), а в качестве ЧО – специалист соответствующего профиля, исследователь. Информация о состоянии контролируемого объекта позволяет исследователю оценивать состояние организма и в зависимости от этого состояния формировать воздействия и программу самого эксперимента. И в этом случае нельзя обойтись без технических комплексов анализа, обработки информации и управления, что делает работу исследователя схожей с работой ЧО.

Современным вариантом организации управления сложным производственным комплексом является такой, когда функции ЧО выполняет автоматизированный комплекс принятия решений, который вроде бы и не включает человека непосредственно. Однако в пакете прикладных программ, под управлением которого работает этот комплекс, в базе данных, используемой комплексом при формировании решений, в других его составляющих заложены формализованные опыт и знания человека. Таким образом, и в этом варианте системы ЧО негласно присутствует и оказывает влияние на качество системы в целом. Кроме того, контроль работы всего автоматизированного комплекса осуществляет специально обученный человек (т.е. ЧО), что фактически делает автоматизированные комплексы типичной биотехнической системой.

2.2. Техническая поддержка биотехнических систем

В настоящее время функционирует и проектируется большое число БТС различных типов и назначений. На рис. 2.2 приведен вариант обобщенной структуры БТС, в котором показаны различные типы технических средств поддерживающих работу биотехнических систем обеспечивая оптимизацию режимов их работы [6].

Рис 2.2 Структура комплекса технических средств «обслуживающих» работу БТС.

Эффективность работы БТС может быть значительно улучшена, если человек оператор будет оценивать состояние объекта управления не только своими органами чувств, но и получать дополнительную «тонкую» и «всестороннюю» информацию с помощью современных технических средств оценки состояния (ТСОС). Одним из важнейших элементов ТСОС является комплекс измерительных преобразователей приспособленных к характеристикам ОУ и не мешающих его работе. Получив максимально возможную (с учетом экономических, временных и других ограничений) информацию о состоянии ОУ технические средства оценки состояния преобразуют эту информацию таким образом, чтобы она максимально соответствовала возможностям и способностям человека-оператора по восприятию и обработке данных о состоянии ОУ.

После того, как человек-оператор принял решение о необходимости совершения акта управления в отношении ОУ он может воспользоваться техническими средствами управления объектом (ТСУО). Этот класс технических систем по своим входам максимально приспособлен к физиологическим особенностям человека (прикосновению пальцем (кнопки, сенсорные панели), появлению биотоков в мышцах, движению глаз, и т. д.), а по выходам к органам управления которые могут, например, требовать значительных усилий, различных видов энергетических воздействий, которые человек не может физически воссоздавать без специальных средств и т.д. Таким образом, формируются оптимальные взаимодействия по каналу ЧО→ОУ.

Как отмечалось выше биообъекты и технические средства находятся в постоянном контакте с окружающей средой, которая не всегда оказывает благотворное воздействие на составляющие БТС.

Для оптимизации взаимодействия элементов БТС с окружающей средой используются технические средства управления средой (ТСУС) решающие задачи контроля и управления такими параметрами как температура, влажность, давление, кислодосодержание и т.д.

В реальных системах объект управления может иметь сложную и даже сверхсложную структуру, часть информации о его функционировании скрыта от органов чувств человека-оператора. Разобраться в «тонкостях» функционирования объекта позволяют технические средства обработки информации ТСОИ использующие достижения в области вычислительной техники и информационных технологий. Например, в биотехнических системах медицинского назначения, используя достаточно большое количество информации о состоянии здоровья человека, ТСОИ решают задачи прогнозирования, ранней и дифференциальной диагностики заболеваний и составляют рекомендации по оптимальным схемам профилактики и лечения.

Работая о сложным энерго- и информационно-насыщенными системами, иногда в неоптимальных взаимоотношениях с окружающей средой, человек-оператор нуждается в коррекции состояния своего здоровья. Эта задача решается с помощью технических средств нормализации состояний (ТСНС).

Чтобы процесс нормализации соответствовал текущему состоянию человека-оператора ТСНС должны получать информацию об этом состоянии. На основании этой информации, опираясь на методологию системного анализа, ТСНС формирует рекомендации по управляющим воздействиям на человека в соответствии с физиологическими особенностями органов, на которые направлено воздействие.

В современных БТС приняты методы основанные на энергетическом, вещественном и информационном воздействии на человека. Энергетические воздействия основаныв основном на использовании таких физических полей как электрические, магнитные, акустические, тепловое, электромагнитные.

Вещественное управление основано на использовании различных фармакологических, гормональных, химических и других агентов воздействия в твердом, жидком и газообразном состояниях (стимулирующие таблетки, наркоз и т. д.).

Информационное управление использует специально организованные потоки информации (воздействие на психологическом уровне через аутогенную тренировку, гипноз и т. д.).

2.3 Классификация биотехнических систем

Существует несколько способов классификации биотехнических систем, среди которых наиболее популярной является классификации биотехнических систем, среди которых наиболее популярной является классификация по целевому назначению этих систем.

С точки зрения целевых функций БТС они подразделяются на три основные группы:

1. Биотехнические системы эргатического типа с человеком-оператором в качестве управляющего звена;

2. Биотехнические системы медико-биологического назначения;

3. Биотехнические системы целенаправленного управления поведением целостного организма.

Остановимся более подробно на особенностях построения и функционирования БТС названных типов.

В биотехнических системах эргатического типа (БТС–Э) человек как управляющее звено формирует цели управления и отвечает за качество и надежность функционирования технической части системы (оператор АЭС, пилот самолета, капитан корабля и т. д.). При проектировании и оценке функционирования БТС–Э следует учитывать, что человек-оператор, обладая интеллектом способен решать задачи не подвластные техническим системам, способен совершать фатальные ошибки в силу имеющихся психофизиологических ограничений (усталость, психоэмоциональная неуравновешенность, и перенапряжение, мотивация к выполнению трудовой деятельности, физиологические нарушения и т.д.) Такие особенности человека способны с одной стороны придавать комплексу человек-машина уникальные свойства, которые не могут быть реализованы отдельной, хотя и сверхсложной технической системой, а с другой стороны могут стать причиной разрушения целостной БТС и даже приводить к катострофическим последствиям.

Повышение надежности работы человеческого звена в БТС–Э достигается различными способами, среди которых наиболее распространёнными являются следующие:

- совершенствование информационного канала обеспечивающего человека информацией о состоянии технической системы;

- создание рациональных механизмов управления технической системой (рычаги, переключатели, джойстики, кнопки, сенсорные панели и т.д.);

- специальная подготовка человека-оператора с использованием специальных обучающих программ, технических тренажерных средств и т.д.;

- рациональное сочетание режимов труда и отдыха, включая специальные методики и средства релаксации;

- использование специальных технических средств для оценки и управления состоянием человека-оператора и т.д.

Биотехнические системы медико-биологического назначения (БТС–МБ) используются в медицинских (БТС–М) и биологических (БТС–Б) целях. В этих системах в качестве объекта управления выступает биологический объект или биоматериалы, отобранные у целостного организма.

Биотехнические системы медицинского назначения БТС–М применяют для решения следующего набора задач:

- прогнозирование возникновения, ранняя и дифференциальная диагностика заболеваний;

- выбор рациональных схем профилактики и лечения;

- временная или длительная компенсация утраченных функций;

- поддержание заданного уровня физической тренированности и готовности к спортивному состязанию;

- подготовки к проведению работ в экстремальных условиях;

Биотехнические системы биологической ориентации БТС–Б решает задачи [6]:

- оценки процессов жизнедеятельности в разных условиях существования организмов;

- поиска оптимальных условий для жизнедеятельности и ускоренного развития различных организмов;

- исследования влияния факторов внешней среды на состояние организма животных, представителей растительного мира;

- разработки и исследования последствий использования новых перспективных методов диагностики и лечения, а также лекарственных препаратов и пищевых добавок и т.п.

Биологические исследования имеют разное методическое обеспечение, если они проводятся в лабораторных или полевых условиях, в различных климатических зонах, на популяциях одних и тех же представителей биологического мира, но выращенных на разных биологических станциях.

К биотехническим системам медицинского назначения близки по своей структуре биотехнические системы аналитического назначения (БТС–А). Эти системы ориентированы на изучение биоматериалов извлеченных из живого организма. Извлекаемые вещества либо непосредственно связанны с функционированием организмов, т. е. являются продуктами жизнедеятельности (вещества из внутренней среды организма), либо являются внешними по отношению к организму, но способствующими поддержанию в нем физиологических процессов (материалы из окружающей организм среды).

Биотехнические системы аналитического назначения решает следующие основные задачи:

- анализ химического состава биопробы (БП);

- определение концентрации компонентов в БП;

- изучение структурного состояния самого широкого спектра компонентов, содержащегося в разнообразных биоматериалах;

Биотехнические системы управления поведением целостного организма и популяции биологических объектов (БТС–У) по своему назначению близости к БТС–М с той лишь разницей, что анализ и управление состоянием осуществляется по отношению к человеку-оператору.

Биотехнические системы управления поведением находят применение:

- при изучении некоторых фундаментальных вопросов моделирования двигательных мотиваций, функциональных расстройств двигательной сферы;

- решении прикладных задач: повышения работоспособности операторов путем оптимизации параметров их состояния и эмоциональных проявлений, сопровождающих двигательные реакции, при разработках алгоритмов управления роботами-манипуляторами с искусственным интеллектом, устройств дистанционного управления движением животных и т.д.

2.4 Биотехнические технологии.

Для определения понятия биотехнических технологий рассмотрим одно из общепринятых определений технологии вообще [6]:

Технология – это сочетание квалификационных навыков, оборудования, инфраструктуры, инструментов и технических знаний, необходимых для осуществления желаемых преобразований в материалах, информации или людях.

Из этого обобщающего определения вытекают два частных определения имеющих отношение к изучаемым технологиям.

Медицинские технологии – совокупность и порядок (последовательность) различных мероприятий, методов диагностики, лечения, реабилитации, профилактики (с применением технических средств как условия выполнения этих задач), необходимых для достижения конкретных медицинских результатов – сохранения жизни человека, поддержания его здоровья, обеспечения его высокой трудоспособности и жизненной активности.

Биотехнологии – совокупность и последовательность приемов (операций) по обработке биологического сырья, позволяющих извлечь из него активные вещества в форме, пригодной для практического использования.

Определим любые технологи, обеспечивающие разнообразные потребности живых систем, а также включающие операции с любыми биологическими объектами с применением технических средств, как биотехнические технологии (БТТ). Тогда медицинские и биотехнологии представляют собой разновидность БТТ.

При таком определении класса БТТ в него можно включить все технологии, связанные с задачами, при решении которых участвует человек и необходимые «инструменты деятельности»– технические средства, включающие приборы, системы, комплексы, наборы прикладных программ, приспособления, расходные материалы; навыки и приемы работы и т.п.

Для каждой сферы применения БТС созданы или создаются особые технологии, позволяющие эффективно решать стоящие перед этими сферами задачи.

Из всего многообразия биотехнических технологий рассмотрим несколько наиболее распространённых из них.

Технологии управления функциями организма (например, профилактические и лечебные процедуры, технологии поддержания нарушенных функций кровообращения и дыхания, реабилитационные технологии и т.п.) и поведением популяций живых организмов (технологии организации работы малых коллективов специалистов, принудительного управления поведением животных и д.р.).

Применения этого класса технологий позволяет [6]:

- обеспечивать жизнедеятельность человека в условиях, близких к экстремальным: в космосе, под водой, в высокогорье и на полюсе холода;

- контролировать работоспособность человека в процессе трудовой деятельности: работа в горячих и холодных цехах, в условиях повышенной радиационной активности, при информационных перегрузках и т.п.

- оценивать уровень физической тренированности и возможность достижения каждым спортсменом или всей командой высоких спортивных результатов;

- поддерживать уровень здоровья за счёт технологий оздоровления, реализация которых ориентирована на применение реабилитационных мероприятий, позволяющих предотвратить появление патологий и восстановить здоровье человека.

К последнему виду технологий относятся и технологии предупреждения производственного травматизма, а также технологии управления режимом труда и отдыха.

Широким распространением начинает пользоваться технология дистанционной медицины позволяющая решать задачи диагностики и лечения пациентов высококвалифицированными специалистами без их непосредственного контакта.

Активно ведутся разработки по созданию микророботов способных перемещаться внутри организма, например в кровеносных сосудах, решая задачи диагностики и лечения на микроуровнях.

Ожидается появление технологий управления общественным сознанием населения.

Технологии обучения связаны с проблемами быстрого освоения накопленных человечеством знаний. В связи с ростом объема знаний, которыми должен овладеть современный специалист, увеличивается срок, необходимый для его подготовки. При этом продолжается процесс дифференциации наук на фоне появления новых направлений на их стыке. Многие исследователи видят выход из складывающегося положения в разработке специальных технологий обучения с применением интеллектуальных технических комплексов (в частности, построенных на базе акустовизуальных интеллектуальных систем биотехнического типа, работающих в интерактивном ре-жиме). Такие технологии способны определять уровень подготовки претендента и организовывать процесс обучения с учетом текущего уровня освоения учебного материала. Они необходимы, например, для определения профессиональной пригодности человека и организации тренировки профессионально важных качеств (задачи профотбора и профподготовки).