Файл: Мельников, В. Г. Информационное моделирование в клинической медицине.pdf

моделирования конкретной патологии и т. д.); на втором этапе ярко выражен системный подход к решению задач моделирования и управления организмом человека и системой здравоохранения.

§ 1. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ МЕДИЦИНСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ

Предметом исследования медицинской кибернетики являются информационные процессы и управление в организме человека, медицине и здравоохранении. Медицинская кибернетика не подме­ няет других наук клинической медицины, а также гигиены и ор­ ганизации здравоохранения, так как занимается главным образом количественной оценкой и переработкой информации, а не полу­ чением ее. Для медицины и здравоохранения остаются традицион­ ные методы исследования организма человека и системы здраво­ охранения. Тем не менее медицинские науки все больше нуждают­ ся в кибернетике, поскольку информационные модели в медицине и здравоохранении позволяют не только уточнить, но и полу­ чить новые количественные данные и качественные представления об исследуемой системе.

Появление медицинской кибернетики, естественно, обусловле­ но развитием и потребностями медицины. В самом общем виде медицину можно представить как науку, изучающую методы искусственного управления больным организмом с целью возвра­ щения нормы. Такой подход имеет огромное значение для дальней­ шего развития медицинских и биологических наук, так как поз­ воляет осмыслить накопленное этими науками огромное количест­ во фактов и создать точную теорию регуляции и управления системами организма человека.

Медицинская кибернетика использует методы, разработанные в других разделах кибернетики (теорию абстрактных автоматов, вычислительную математику, метод «черного ящика», информа­ ционное моделирование, теорию алгоритмов, общую теорию си­ стем, теорию кодирования и т. д.), а также математические методы (теорию игр и оптимальных решений, теорию операций и т. д.), которые существенно повышают уровень теоретических представ­ лений в медицине и обогащают практику медицины новыми сред­ ствами диагностики и лечения недугов. Внедрение количественных представлений в теорию и практику медицины приводит к качест­ венным изменениям ее содержания, структуры и возможностей.

Медицинская кибернетика делится на два направления: тео­ ретическое и прикладное. Теоретическое рассматривает организм человека как самоорганизующуюся и саморегулирующуюся систе­ му. Основной задачей этого направления является изучение про­ цессов управления (регулирования) в здоровом и больном орга­ низме человека, находящемся в сложном взаимодействии со средой. При этом медицинская кибернетика не дублирует исследования,

10

ведущиеся в рамках физиологии, биофизики, биохимии человека; используя результаты этих исследований, она существенно допол­ няет и развивает наше представление об общих закономерностях управления функциями человеческого организма. Здесь широко используются математические методы, методы теории регулирова­ ния, теории информации, теории вероятностей, теории игр и др.

Становление медицинской кибернетики вызвало пересмотр некоторых сложившихся представлений, основанных на призна­ нии решающей роли внешней среды в эволюционном развитии и рассматривающих жизнедеятельность организма, только как от­ ветную деятельность, направленную на уравновешивание орга­ низма со средой.

Основным методом теоретического направления медицинской кибернетики является метод моделирования. Наибольшее значе­

циональных отношений внутри системы с помощью тех или иных средств. Различают математическое, эвристическое и знаковое моделирование, моделирование на аналоговых и цифровых вы­ числительных машинах (информационное моделирование).

В медицинской кибернетике в настоящее время наиболее рас­ пространено информационное моделирование. Оно включает в себя знаковое моделирование для разных ЦВМ.

Метод моделирования, применяемый для исследования систем организма человека, еще недостаточно развит, что объясняется отсутствием адекватной математической теории и малой изучен­ ностью физиологии и патологии организма. Поэтому до сих пор удавалось построить лишь более или менее удовлетворительные модели какой-либо отдельной системы организма или частной патологии. Определенное значение имеют модели в форме искус­ ственных систем, воспроизводящих некоторые свойства живого организма. Подобные модели не являются копией и не претендуют на воспроизведение системы в целом, а дают лишь описание пове­ дения изучаемой системы во времени. Так, стандартизированная история болезни, заполняемая в процессе лечения больного и со­ держащая информацию о больном, о применяемом воздействии с целью лечения, о динамике тех или иных параметров во время лечения больного, может рассматриваться как информационная модель этого больного. Однако «оживает» эта модель только в мозгу врача или в ЦВМ посредством сравнения по сложным алгорит­ мам с имеющимися в их памяти моделями тех или иных болезней. Это позволяет дать оценку функций многих систем больного, диа­ гностировать заболевание или комплекс заболеваний, определить степень риска при назначении того или иного лекарственного ве­ щества, прогнозировать лечение и развитие болезни.

11

Таким образом, моделирование дает возможность изучать функции сложных систем без рассмотрения их структуры.

При построении функциональной модели система может рас­ сматриваться как «черный ящик», т. е. задача выяснения ее струк­ туры не ставится, изучается только информация на входе и выхо­ де системы, и в зависимости от характера ее преобразования судят о поведении системы.

Структурные модели отражают внутреннюю структуру системы с одним или несколькими иерархическими уровнями (элементы, подсистемы, связи). Структурным построениям соответствуют непрерывные или дискретные изменения частных функций, на основе которых рассчитываются суммарные функции системы в целом. Такие модели более точно отражают сущность системы, однако построение их связано с громоздкими расчетами, и это не позволяет начинать моделирование с низких структурных уров­ ней. Структурные модели чаще отражают определенные части си­ стем — функциональные подсистемы.

Существуют также смешанные модели — структурно-функ­ циональные.

В качестве технической основы моделирования используются в большинстве случаев цифровые и—много реже—аналоговые вы­ числительные машины. В будущем возможно создание гибридных (цифро-аналоговых) вычислительных машин, предназначенных для моделирования отдельных органов и систем организма человека.

Метод кибернетического моделирования всегда предполагает определенное упрощение свойств и закономерностей объекта мо­ делирования, однако важность использования его для медицины несомненна.

Создание теории регулирования организма человека в целом ока­ зывается пока невозмоядаым из-за очень большого числа перемен­ ных, связанных нелинейными зависимостями, отсутствием адекват­ ного математического аппарата и надлежащих технических средств.

Кибернетические концепции для анализа процессов управления в организме человека впервые применил Н. М. Амосов, предло­ живший теорию программы болезни [6 — 8] . Автор выделяет четыре типа регулирующих систем организма: химическую, эндокрин­ ную, нервно-вегетативную и соматическую нервную. Взаимодей­

осуществляются нормальные физиологические программы. Под влиянием необычных внешних воздействий или вследствие врож­ денных дефектов нормальная программа взаимодействия регули­ рующих систем в организме нарушается. Это нарушение раз­ вивается по программе болезни, включая в себя два компонента — прогрессирование и восстановление.

Е. В. Гублер рассматривает болезнь как процесс автоматиче­ ского регулирования в аварийном режиме [52, 53]. С этой позиции

12

регулирование должно обеспечить самосохранение системы и последующее восстановление ее. При этом выход какой-либо физиологической величины (или нескольких величин) за пределы, несовместимые с жизнью, предупреждается отклонением от нормы других величин. Только механизм самосохранения целостности живой системы ведет к быстрому истощению ресурсов организма, поскольку характеризуется резко выраженной избыточностью.

Мастурцо [106] рассматривает некоторые системные заболева­ ния (ревматический артрит, гипертоническую болезнь, психиче­ ские заболевания и др.) как результат «информационных ошибок», возникающих в каких-то участках нервной или кровеносной сети

иприводящих к нарушениям гомеостаза.

С.Н. Брайнесом и В. Б. Свечинским [19] развито представление о трехуровневой структуре управления в живом организме. Ниж­

ний уровень образован из локальных систем, обеспечивающих в норме постоянство физиологических параметров. Средний уро­ вень оптимизирует работу нижнего, изменяя его гомеостатические ритмы в соответствии с условиями существования целостной систе­ мы. Высший уровень реагирует на изменения внешней среды и в зависимости от ситуации активно перестраивает работу нижеле­ жащих уровней.

Прикладное направление медицинской кибернетики непосред­ ственно связано с решением основной задачи медицины — перево­ дом больного человека из патологического состояния в нормальное, т. е. практически здоровое. В рамках этого направления решают­ ся задачи автоматизации диагностики заболеваний и состоя­ ний организма, выработки оптимального плана лечения и прогно­ зирования течения болезни. Большое место отводится применению методов и средств кибернетики для разработки новых способов сбора, хранения и переработки медицинской информации, исполь­ зуемых при решении задач организации здравоохранения (раз­ мещение материальных ресурсов, распределение кадров, лекарст­ венных средств и аппаратуры и т. д.). Сюда же .относятся вопросы создания аппаратуры для автоматического управления жизнедея­ тельностью при угрожающих состояниях.

§ 2. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ МЕДИЦИНСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ

Теоретическое и прикладное направления медицинской кибернети­ ки довольно разнообразны и многопрофильны. Применительно к медико-биологическим наукам выделяются следующие задачи:

изучение и моделирование процессов управления в здоровом и больном организме на различных уровнях (макроорганизм, клеточный и молекулярный уровни);

математическое описание функций отдельных органов и систем или процессов управления, происходящих в них;

13