Проф. Ю. А. Ершов. Рабочий план: основы теории биотехнических систем

Предмет, задачи и методы количественного описания биотехнических систем (БТС). Биообъект и техническое устройство - базовые элементы БТС. Системный подход к описанию свойств объекта. Система как объект, отображаемый совокупностью элементов, находящихся во взаимодействии. Квазиразложимость объекта. Принцип энергетической дифференцировки. Структура системы как набор отношений, заданных на множестве ее элементов Взаимодополнительность методов описания биологических объектов.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ

Л. фон Берталанффи, А.А. Богданов (Малиновский), А.А. Ляпунов. 9-уровневая классификация природных систем по Берталанффи. Унитарные структуры Характерные пространственные и временные масштабы биообъектов.

ИЕРАРХИЯ СТРУКТУР И СОСТОЯНИЙ БИООБЪЕКТОВ.

От саркомера к мышце. Работа мышцы как совокупность переходов между дискретными состояниями совокупности поперечных саркомерных мостиков в миофибриллах. Кинетическая диаграмма (граф) саркомерного мостика. Представление структуры сложной системы матрицей смежности, элементами которой являются величины, характеризующие попарные взаимодействия между унитарными структурами системы. Матрица смежности саркомерного мостика. Расчет удельной мощности поперечно-полосатой мышцы.

БИОХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ДИНАМИКА БИООБЪЕКТОВ

Клеточные популяции как компоненты многоклеточного организма. Клеточные популяции организма человека: миоциты, нейроны, эритроциты, лейкоциты, лимфоциты, гепатоциты, нефроны, остеоциты. Квазихимическое описание роста клеточных популяций. Квазихимическая модель роста клеточных популяций. Кинетическая диаграмма (граф) и матрица смежности клеточных популяций. Вектор состояния клеточных популяций.

КИНЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ БИООБЪЕКТОВ.

Биокинетика. Дифференциальные кинетические уравнения. Закон действующих масс для скорости. Интегральные кинетические уравнения. Кинетика ферментативных реакций Уравнения Михаэлиса - Ментен и Моно-Иерусалимского. Кинетическое описание работы (динамика) саркомерного мостика. Кинетическое описание (динамика) клеточных популяций. Экотоксикологическая модель клеточных популяций.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИИ БИООБЪЕКТОВ

Принципы термодинамики и их применимость в биологии. Термодинамические характеристики объекта и функции состояния. Начала термодинамики. Основное термодинамическое неравенство. Энергия Гиббса. Химический потенциал.

БИОЭНЕРГЕТИКА

Условия применимости термодинамики в биологии. Уравнения изотермы, изобары, изохоры, Клапейрона-Клаузиуса. Принцип Ле Шателье. Неравновесная термодинамика. Термодинамические движущие силы Δр, ΔТ, Δφ, Δμ. Функция диссипации. Теорема Онзагера. Статистическая термодинамика. Статансамбль. Статсумма. статический вывод уравнении термодинамики. Формула энтропии Больцмана.

Теория управления в биообъектах (биокибернетика).

Материально-энергетическая и кибернетическая концепции описания биообъекта. Н. Винер, Э. Шредингер, А.А. Ляпунов. Сохраняющие реакции и адаптация как основа жизнедеятельности организма. Иерархия управляющих и исполнительных систем организма. Задача теории управления в биообъектах - разработка моделей управляющих систем организмов. Модель нейрогуморальнои системы. Модель саркомера как конечный автомат.

ОБМЕН ИНФОРМАЦИЕЙ КАК ОСНОВА УПРАВЛЕНИЯ В БИООБЪЕКТАХ.

Основы теории информации. Информационные взаимодействия между элементами БТС. Связанная структурная информация. Применение общих соотношений для связанной структурной информации. Анализ структуры биообъекта и передача структурной информации в аппаратурную часть - основа управления биологический подсистемой. Получение информации как аналитическая процедура. Качественный анализ - определение типов субструктур и связей объекта. Количественный анализ - определение доли униструктур и связей разных типов. Передаваемая информация. Динамика информационных взаимодействий. Уравнения кинетики информационных взаимодействий. Расчет потоков вещества и энергии, переносящих информацию.

МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.

Предмет, задачи и методы моделирования. Модель как отображение структуры и динамики объекта. Общая классификация моделей. Вербальные, математические, физические, аналоговые модели. Примеры моделей: популяции клеток разных видов, органы высших организмов, физиологические системы человека и животных (пищеварительная, сердечно-сосудистая, опорно-двигательная, нейрогуморальная). Модели биологических популяций. Модели патологий. Фармакокинетические модели.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

Общие принципы проектирования БТС. Классификация БТС по целевым задачам и методам. БТС для диагностики, терапии, хирургии, протезирования. Выбор и этапы проектирование БТС. 1-й этап проектирования БТС: Изучение свойств биологического объекта (БО). Создание базы данных о свойствах БО.

Вербальные, математические, физические, аналоговые модели ВО Определение целевой функции разрабатываемой методики. 2-й этап проектирования БТС. регуляризация модели БТС, регистрация наблюдений и обработка данных о БО. 3-й этап проектирования: описание структуры и конструирование БТС.

Теоретическое описание ТУ. Блоки взаимодействия (интерфейсы) пациент-ТУ. Блоки регистрации и обработки биологических данных. Блоки взаимодействия (интерфейсы) оператор (врач) – ТУ. Примеры ФДС.

Создание базы биологических данных о свойствах тест пробы. Вербальные, математические, физические, аналоговые модели тест пробы и БО. Биоадекватность и информационная совместимость разрабатываемой КЛС. Определение целевой функции разрабатываемой методики Теоретическое описание тест пробы и БО.

Теоретическое описание ТУ Регистрация и обработка данных о гест пробах Примеры КЛС

Биотелеметрические системы (БТМС). Биотелеметрия и биомониторинг как автоматические системы получения диалогической информации о состоянии БО Целевое назначение, биоадекватность и информационная совместимость. БТМС Классы БТМС Этапы проектирования БТМС. Изучение свойств БО. Создание базы данных о свойствах БО. Вербальные, математические, физические, аналоговые модели БО. Определение целевой функции разрабатываемой БТМС. Теоретическое описание БО. Теоретическое описание ТУ. Блоки взаимодействия (интерфейсы) БО - ТУ. Блоки регистрации и обработки биологических данных о состоянии БО. Блоки взаимодействия (интерфейсы) оператор (врач) - ТУ. Примеры БТМС.

Физиотерапевтические системы (ФТС). Целевое назначение, биоадекватность ФТС. Классы ФТС. Этапы проектирования ФТС. Изучение свойств БО. Создание базы данных о свойствах БО. Вербальные, математические, физические, аналоговые модели БО. Определение целевой функции разрабатываемой ФТС. Теоретическое описание БО. Теоретическое описание ТУ. Блоки взаимодействия (интерфейсы) БО – ТУ. Блоки регистрации и обработки биологических данных о состоянии БО. Блоки взаимодействия (интерфейсы) оператор (врач) - ТУ. Примеры ФГС.

Физические хирургические системы (ФХС). Целевое назначение, биоадекватность ФХС. Классы ФХС. Этапы проектирования ФХС. Изучение свойств БО. Создание базы данных о свойствах БО. Вербальные, математические, физические, аналоговые модели БО. Определение целевой функции разрабатываемой ФХС. Теоретическое описание БО.

Теоретическое описание ТУ. Блоки взаимодействия (интерфейсы) БО – ТУ. Блоки

регистрации и обработки биологических данных о состоянии БО. Блоки взаимодействия

(интерфейсы) оператор (врач) – ТУ. Примеры ФХС.

Создание базы данных о свойствах БО. Вербальные, математические, физические,

аналоговые модели БО. Определение целевой функции разрабатываемой ФКС.

Теоретическое описание БО.

Теоретическое описание ТУ. Блоки взаимодействия (интерфейсы) БО – ТУ. Блоки

регистрации и обработки биологических данных о состоянии БО. Блоки взаимодействия

(интерфейсы) оператор (врач) – ТУ. Примеры ФКС.

Искусственные органы и протезы (ИОП). Целевое назначение и биоадекватность ИОП.

Классы ИОП. Этапы проектирования ИОП. Изучение свойств БО. Создание базы данных о свойствах БО. Вербальные, математические, физические, аналоговые модели БО.

Определение целевой функции разрабатываемой ИОП. Теоретическое описание БО. Теоретическое описание ТУ. Блоки взаимодействия (интерфейсы) БО – ТУ. Блоки

регистрации и обработки биологических данных о состоянии БО. Блоки взаимодействия