Организация физиологических систем принцип уравновешивания - umotnas.ru o_O
Организация физиологических систем принцип уравновешивания - umotnas.ru o_O
|
страница 1
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Похожие работы
|
Организация физиологических систем принцип уравновешивания - страница №1/1
организация физиологических систем – принцип уравновешивания Лищук В.А. Проблемная комиссии «Медицинская и биологическая кибернетика и информатика» РАМН. Москва. Россия Резюме. В соответствии с распространёнными представлениями центральная нервная система (ЦНС) управляет функциями сердечно-сосудистой системы (ССС) посредством изменения свойств, например, изменяя сосудистое сопротивление, возбудимость сердца, эластичность и т.п. Цель исследования состояла в определении алгоритма управления. Отношения между оценками функций и свойств были найдены в экспериментах на животных (101 опыт на собаках) и при лечении больных (14000 наблюдений). Анализ данных проводился непосредственно в ходе экспериментов в реальном времени. При поверхностной анестезии корреляция была выраженной (около-0,5). Если анестезия была глубокой, то коэффициент корреляции был незначительным. Абсолютная величина коэффициента корреляции меньше ±0,2. Различие - значимо и достоверно. Эти отношения имели место в эксперименте и в клинике. Имитация полученных отношений на модели позволило объяснить их следующим образом. Центральная нервная система увеличивает возможности авторегуляции системы с большей ошибкой регулирования и уменьшает - с меньшей ошибкой. Отсюда следует, что нервная система (кроме «центральной команды»), не управляет функциями автономных локальных функциональных систем. Центральная нервная система организует целесообразные взаимодействия функциональных систем организма. Организация этих взаимодействий уравнивает ошибки авторегуляции функциональных систем. В результате допустимые помехи могут быть большими. Эта организация порождает новое качество - целостность (единство). Целостность состоит в том, что каждая система необходима для жизнеспособности всех и все вместе – для каждой. Ключевые слова: функциональные системы, объединение систем, ошибки авторегуляции, целостность, единство, уравнивание, организация. The resume. According to the widespread conceptions the central nervous system (CNS) operates cardiovascular system (CVS) functions by changing the characteristics, for example, changing the vascular resistance, excitability of heart, elasticity etc. The research purpose is to define the management algorithm. Attitudes between functions and properties estimations have been found in animals experiments (101 experience on dogs) and patient care (14’000 supervisions). The data analysis was taken directly during experiments in real time. At superficial anesthesia correlation was expressed (nearby - 0,5). If anesthesia is deep the correlation factor was nonsignificant. The absolute value of correlation factor was less than ±0,2. The difference was significant and reliable. These attitudes took place in experiment and in clinic. The imitation of received attitudes on model has allowed to explain them as follows. The central nervous system increases the system autoregulation opportunities with a greater regulation mistake and reduces autoregulation with a smaller mistake. From here follows, that the nervous system (except for « the central command »), does not operate independent local functional systems functions. The central nervous system organizes expedient organism functional systems interactions. The organization of these interactions equalizes the errors of functional systems autoregulation. As a result permissible disturbances could be large. This organization creates new quality - unity. Unity lies in the fact that each system ensures the viability of all systems and all systems together ensure the function of each system. The keywords: functional systems, association of systems, errors of auto regulation, integrity, nity, equalization, organization. Исследования последних десятилетий значительно углубили знания по регуляции ССС [1- 7]. Но принципиальные представления не меняются. Не меняются, хотя как ЦНС управляет функциональными системами, так и не удалось выяснить. Несмотря на это, общепринято, что нейрогуморальная система управляет вегетативными, соматическими, сенсорными и др. подсистемами организма. На основе многолетних исследований наш коллектив пришёл к выводу, что такая парадигма недостаточна для отображения роли ЦНС. Что объединение органов и систем в организм наряду с целесообразным управлением нуждается в согласованной организации, которая по своему существу не является системой управления [3-7]. Для конкретности рассмотрим сердечно-сосудистую систему. В соответствии с известными моделями, ЦНС управляет функцией ССС (артериальным и венозным давлениями, сердечным выбросом, объёмами крови в органах и др. проявлениями функции) изменяя свойства (общее периферическое сопротивление, насосные коэффициенты левого и правого желудочков сердца, эластичность артериального резервуара и т.п.) [7 - 12]. При этом меняются отношения между показателями функции и свойств и между свойствами. Чтобы определить, как меняются эти отношения в зависимости от влияния ЦНС, они в наших исследованиях вычислялись при поверхностном наркозе и при существенно подавленной с помощью глубокого наркоза активности ЦНС [8 - 12]. Эта общая постановка. Конкретно все исследования как в экспериментах на собаках, так и в клинике проводились с целью отработки алгоритмов индивидуальной, наилучшей для каждого больного терапии [8 - 10]. Актуальность исследования центральной регуляции физиологических систем и использование этого знания для лечения сложных, комплексных заболеваний, таких, как аневризма грудной аорты, дилатационная кардиомиопатия, полиорганная недостаточность и т.п.. привели к насущной необходимости одновременного рассмотрения многих функциональных систем в их взаимосвязи и при тщательной оценке состояния организма в целом [9]. Наш опыт Материал. Для количественного анализа взаимоотношений функций сердца, артериального сосудистого резервуара, венозной системы и периферического ложа использованы данные экспериментов (сто одно исследование животных) и результаты мониторно-компьютерного контроля в кардиохирургической клинике [8 – 10]. Ретроспективно привлекались численные данные, тренды, графики, диаграммы, результаты обработки, рекомендации, оценки качества более чем по 20000 больным, накопленные в компьютерных базах данных Айболит, Миррор и DocVue с 1974 г. по 2009 г. Среднее количество измерений для одного больного: 13000 ± 4000; время контроля: 14 ± 6 часов (от 4 часов до 7 суток). Оn-line в операционных в НЦССХ им. А.Н. Бакулева контролировались и анализировались более 14000 больных за 2000 – 2009 гг. В табл. 1 и 2 даны в качестве примеров фрагменты контроля и анализа. Табл. 1. Показатели кровообращения больного К. (ИБ №1079.03 166/73) перед кожным разрезом при хирургической коррекции ГОКМП. Измерения с 8 часов 38 минут 11 секунд до 8 47 11. Фрагмент. Здесь АД, АДС, АДД –артериальное давление среднее, систолическое и диастолическое, соответственно; ВД – центральное венозное давление, ЛАДС, ЛАДД, ЛАД – лёгочное артериальное давление систолическое, диастолическое и среднее, соответственно; МОК – минутный объём крови; ЧСС – частота сердечных сокращений.
Табл. 1. Продолжение. Здесь КП и КЛ – насосные коэффициенты правого и левого желудочков сердца; ОПС и ОЛС – общее сосудистое сопротивление большого и малого кругов кровообращения; ЭА, ЭВ, ЭЛА, ЭЛВ, эластичности, соответственно, артерий, вен, лёгочных артерий и лёгочных вен; коэффициент качества.
Табл.2. Средние значения показателей гемодинамики по этапам операции для всех обследованных больных. Обозначения см. в табл. 1. Буква И перед обозначением означает индекс.
Табл. 2. Продолжение.
Видно, что контроль и анализ выполнялись каждую минуту. Добавлю, что для значительной части больных выполнялся контроль и анализ каждого сердечного сокращения. Показатели функции ССС и её свойств составляли систему и использовались для выявления патологических процессов, коррекции терапии и оценки качества лечения оперативно в реальном времени и апостериори по потребности [9]. Методы. Методической основой всего направления исследований является разработанный под руководством Владимира Ивановича Бураковского клинико-математический подход [8, 10]. В части случаев использовано специальное математическое обеспечение, например, системы DocVue и CareVue (см. например, [9]). Математическое и программное обеспечение. Конструктивной основой исследований является общее математическое описание сердечно-сосудистой системы ([8,10]; см. также T. Heldt и др. , и др. [13, 14]). Индивидуализация моделей как в экспериментах, так и в клинике выполнялась в реальном времени с запаздыванием на несколько минут. Имитация проводились в языковой среде LabVIEW [15] интеллектуальными средствами в общепринятом смысле (например, [16]). Техника и технологии. Использовалось сертифицированное медицинское оборудование, программно объединённое технологиями DocVue, CareVue, Айболит или Миррор [9, 15]. Отношения оценок функций и свойств при анестезии и без неё. Вычислялись относительные оценки функций и свойств (см. показатели табл. 1 и 2): здесь - относительная оценка изменения j-той величины; - текущее значение j-того показателя; - нормальное или опорное (среднестатистическое, экспертное, исходное и т.п.) значение j-того показателя. Затем определялась наиболее изменившаяся по сравнению с нормой (или с опорной величиной) оценка функции Fj: ζj = max ζ(fk), где ζ (fk) = |ln fk /fk норм. |. По отношению к этой функции ζj находилось свойство Di, которое характеризовало наиболее слабое звено. За такое свойство Di принималось то из всех свойств, которое в наибольшей степени повлияло на изменение функции fj в сторону патологии: Di(fj) = minζ(fji), где ζ(fji) = |ln[fj(Dk норм.)/fj норм.]|. Повторю, что здесь Di - свойство, наиболее повлиявшее на наиболее изменившийся показатель функции fj, а – его нормальное или опорное значение. Апостериори были вычислены коэффициенты корреляции для отношений между изменениями функций и свойств, определяющих патологические сдвиги (нарушавшие функцию, как показано выше) во время операции и в реанимации после того, как больной пришёл в сознание [10]. Кроме тесноты связи между свойствами, определяющими наиболее выраженные изменения показателей функции в сторону патологии (патология рассматривалась как возмущение) вычислялись коэффициенты корелляции между функциями и свойствами, определяющими изменения функций меньшей (второй по величине) значимости. Эти отношения также учитывались при анализе. При состоянии без наркоза коэффициенты корреляции были выраженными (около -0,5). При наркозе теснота связи была низкой (коэффициент корреляции по абсолютной величине меньше ±0,2). Различие в тесноте связей значимо и достоверно. Эти отношения имели место в эксперименте и при клиническом контроле. Оно имело место для наиболее выраженных отношений, определявших слабое звено и для отношений второго порядка значимости. Это различие показывало, что центральная регуляция обуславливает взаимозависимость автономных функциональных систем, тогда как функциональные взаимоотношения при подавленной центральной регуляции не имеют такой взаимозависимости. Принцип уравновешивания. Замечание о гомеостазе и изменчивости. Ещё В. Кеннон работе «Мудрость организма» (стр. 24, Cannon W. B. The wisdom of the body. – N.Y. :Kegan Paul French, 1932. -201 p. [17]) писал «Постоянные условия, которые поддерживаются в теле, могут быть названы равновесием. … Согласованные физиологические процессы, которые сохраняют большинство устойчивых состояний в организме, так сложны и своеобразны у живых существ … что я предложил особое определение этих состояний, гомеостазис. … Оно означает условие, которое может изменяться, но которое относительно постоянно». Что это за условие? В каких пределах и относительно чего оно обуславливает постоянство? Эти вопросы вызвали острые дискуссии и стали предметом исследований П.К. Анохина, К. В. Судакова, П.Д. Горизонтова, А.В. Вальдмана, Д.С. Саркисова и др. исследователей регуляции ССС. Вводимый здесь принцип определяет не постоянство, а изменчивость, своего рода эквилибристику определяющих жизнь процессов, их непрерывную адаптацию к меняющимся условиям среды и состоянию организма. Сердечно-сосудистый центр. Из результатов анализа наших данных экспериментальных и клинических исследований можно сделать предположение, что сердечно-сосудистый центр (ССЦ) использует информацию не о самих функциях, а об ошибках их регулирования (рис. 1, подобное описание модели ССС, отображённой на рис 1 дано, например, в публикациях [6, 9]). В зависимости от величины и направленности ошибок регулирования «центр» активирует или разгружает нагрузку на регуляцию той системы, ошибка которой больше, ничего «не зная» о величине и специфике её функции. Рис.1 Схема модели ССЦ (толстые двойные линии), объединённой с простейшей моделью ССС (тонкие линии). V – объём, U – ненапряжённый объём, P – давление, q – объёмный кровоток, C-1 – жесткость, Р - проводимость, т – ткани, к – капилляры, е – ошибка регулирования, u – коэффициент связи, кс – насосный коэффициент сердца, кд – диастолический коэффициент сердца, б – базовая величина, Р’а, q’c, q’т – задающие величины (уставки), F – основная часть алгоритма преобразования ошибок регулирования бульбарным центром, Е – положительная составляющая ошибки регулирования, Ẽ - отрицательная составляющая ошибки регулирования, Ғ – алгоритм преобразования ошибок регулирования структурами блуждающего нерва, Бл – блуждающий нерв. Общее описание ССЦ (организации ССС, включая ССЦ). Обозначим оценку функции х. Функциональным системам присвоим индексы j и v. Тогда хj и хv, соответственно, их функции; х`j и х`v задающие величины; х`j(id), х`v(id) - задающие функции. Коэффициенты усиления обозначим рj и рv; кj и кv – коэффициенты (операторы, в общем случае, как можно усмотреть из рис.1.) исполнительных органов (управляемых объектов); z – разные виды возмущения; еj и еv – ошибки регулирования; Еj и Еv – положительные составляющие ошибок регулирования; uj и uv – параметры самонастройки ССЦ; ejv, evj воздействия системы j на систему v и системы v на j. Примем, что системы j и v имеют одинаковую структуру, что позволяет описать только одну из них, опустив (для простоты) индексы: x[(i+1)d]=x(id)+di{[к*x(id)+zkа*z(id)]*[z+z(id)+u(id)]}. Управление u(id) формируется по пропорциональному и интегральному законам (см. рис. 1и 2 ): u(id)={рб+zpа*f[(id);za;zч]+e(id)*u*(E(id)-Ev(id))}*[e(id)+(s(id)]. На систему оказывают влияние помехи, а также опосредованно (через центр) состояние другой системы, например, v на j. Коэффициент рб усиливает ошибку e(id)=x`+f2[(id);za;zч]-x(id) и сумму ошибок регулирования s[(i+1)d]=[s(id)+e(id)]/b, реализуя принцип обратной связи. На диаграмме системы j (рис.2 и 3) блоки, формирующие задающую функцию (f2), окрашены в синий цвет. Параметр b позволяет корректировать устойчивость и быстродействие. Помеху z(id)=f[(id);zaj;zчj] можно задавать различной формы, частоты и амплитуды. Если управляемая функция (например, масса объекта) стала равна нулю - система перестаёт работать (умирает). Объединение систем выполнено по принципу уравновешивания ошибок регулирования: ejv=e(id)*u*(Ej(id)-Ev(id)). Ej(id)=ej(id), если ej(id) больше нуля, или равна нулю (Ej(id)=0), если еj(id) меньше или равно 0. Таким образом, сигнал e(id)*[Ej(id)-Ev(id)] отражает разность положительных составляющих ошибок регулирования систем j и v. Он может быть изменён центром в соответствии с общеорганизменной ситуацией в U раз и, изменённый (u 1), он прибавляется к управлению u(id). Подсуммируем: коэффициенты усиления функциональных систем увеличиваются центральной регуляцией на разность положительных составляющих их ошибок регулирования. Математическое описание и программа построены таким образом, что позволяют объединять многие автономные системы и применять полученный результат к высшим вегетативным центрам (спинальной регуляции) различных функций. Рис. 2. Блок-диаграмма взаимодействия двух систем c уравновешиванием через центр в терминах LabVIEW. Рис. 3. Лицевая панель, отражающая исходные данные и результаты счёта, соответствует диаграмме рис. 2. На ней представлены режим и результаты имитации при разных возмущениях (zj = -1, zv = -7) и отсутствии связи через центр (u = 0). Наблюдается критическое падение функции хv до 0,04 и сохранность системы j хj=0,99. Соответственно, еj=0,015, а еv=0,93. Исследования Диаграмма. На рис. 2 дана диаграмма двух систем регулирования, объединенных ССЦ по принципу уравновешивания в терминах LabVIEW (Бокерия Л.А., Лищук В.А., 2008). Диаграмма (вместе с панелью) является программой для численных исследований. Блоки в центре диаграммы (окрашены в жёлтый цвет) описывают ССЦ. Панель на рис. 3, соответствует диаграмме рис. 2. Она отображает режим и результаты счёта. Здесь задаются t, d, n и др. (вверху в центре) параметры имитации и модели (х, к, р и др.), а также начальные условия (х(0)), возмущения (z(id) и др. величины. Вверху в центре помещены параметры, общие для обеих систем: t(0), t(n) и d (даны синим цветом). Под ними слева красным цветом даны параметры системы j; справа зелёным – v. Ниже даны графики, отражающие воздействие системы j на систему v (ejv) и наоборот (evj). Слева вверху красным цветом даны параметры и графики возмущений. На панели отображены все величины, достаточные для воспроизведения модели. Отметим ещё, что жирным шрифтом даны параметры (u) определяющие связи между системами. Если u(id)=0, то связи нет. Если u(id)=1, то имеет место непосредственное взаимодействие автономных систем без корректирующего участия центра. Центр, задавая uj и uv, может усиливать или ослаблять связь между ними, уравновешивая ошибки регулирования в большей или меньшей степени. Рис. 4. Результаты имитации при разных возмущениях zj = -1, zv = -7, с взаимодействием через центр (u = 103). Ошибки выравниваются. Система находится на нижнем уровне работоспособности: хv = 0,43 и хj=0,49. Табл. 3. Изменяемые параметры (u, x`, z) и конечные значения функций бульбарного центра (еjv(n), еvj(n)) функциональных подсистем j и v, задающих величин (x`(n)) и их ошибок регулирования (е(n)), а также мощности (N(n)) при их физическом взаимодействии.
Имитация. В табл. 3 и на рис. 3 и 4 даны изменяемые и вычисляемые переменные имитации, соответствующие введенному ранее описанию. Рассмотрим пример имитации (строка 14 табл. 3 даёт статику; рис. 3 представлена динамика). Возмущение zv=-7 снижает, если центральная регуляция отключена, артериальное давление почти до нуля (0,04). При этой безнадёжной ситуации, включение центральной регуляции (u=1000; рис. 4; строка 15) позволяет достигнуть жизнеспособного состояния (хv=0,44) при приемлемой нагрузке на сердце (0,202). Ошибки уравнялись (ej=ev=0,5), хотя они больше, чем без центральной регуляции, но, повторю, функция сохранилась. Если абсолютную величину внешней помехи для системы v увеличить ещё больше, сделав её, например, больше 30, то для системы v без объединения с j это будет критическим воздействием. Функция её прекратится. Это - состояние «отказа» или смерти. Из многих исследований таких ситуаций (часть приведена в табл. 3) следует надёжное заключение - взаимодействие автономных систем регулирования через посредство бульбарного центра уравнивает ошибки регулирования, сохраняет функцию и не допускает критической перегрузки сердца. Такое вмешательство ССЦ организует взаимодействие функциональных систем в соответствии с общеорганизменными задачами и учитывая также внешнюю ситуацию. Если положить коэффициент связи системы с большей нагрузкой значительно превосходящим аналогичный коэффициент системы с меньшей нагрузкой, то получим прямое управление функцией (табл. 3, строки 12 - 14). Таким образом, может быть реализована «центральная команда» (feedforward, поведенческие реакции), т.е. обеспечен переход к классической теории бульбарного центра. Основное преимущество рассмотренной концепции в том, что центру не нужна информация о функциях подсистем. Достаточно стандартного, много менее разнообразного сигнала о качестве регулирования – положительной составляющей ошибки. Почему имеет место эта ошибка и как её исправить – внутреннее дело самой автономной системы. В соответствии с этим вегетативную сферу организма целесообразно рассматривать не как систему, а как совокупность автономных систем, взаимодействующих по принципу уравновешивания. Эта организация позволяет использовать ресурсы всех систем, объединённых задачей взаимопомощи, для разгрузки и активации тех из них, которые не справляются со своей функцией. Отправная посылка – ограниченность ресурсов. Если ресурсы не ограничены, то и перераспределять их не нужно. Второе условие – помощь нужна только в том случае, если функциональная система не обеспечивает потребности организма. При этом ошибка положительна. Отсюда следует, что нарушения центральной регуляции будут приводить к локальным органическим расстройствам, тем более распространённым и выраженным, чем сильнее нарушена организация (например, в результате шока, стресса, приёма наркотика и т.п.). ННН ННарушениеНарушение Выводы. Функциональные системы объединены в организме таким образом, что разница между ошибками регулирования их автономных систем саморегуляции (биофизических, биохимических, гормональных, нейронных) увеличивает коэффициенты усиления систем с большими ошибками и снижает с меньшими, уравновешивая их значения. Организованные таким образом системы адекватно функционируют при существенно больших возмущениях, чем каждая в отдельности. Наряду с принципами гомеостазиса, программной регуляции, слежения и т. п. детерминирующими регуляцию функций систем, существенную роль имеет способ их объединения, превращающий произвольную совокупность в организм. Сколь велико разнообразие и количество этих систем в организме - следует из последних исследований (например, [3]). Принцип уравновешивания относится не к системам, а к взаимодействиям и отношениям между функциональными системами [18](см. так же Гуляев Ю.В., Годик Э.Э., 1984). В условиях, неприемлемых для одной функциональной системы, её объединение в соответствии с принципом уравновешивания с другими обеспечивает адекватную функцию каждой, а само объединение приобретает новое качество – целостность, состоящее в том, что каждая система необходима для всех и все для каждой. Список литературы
|
|
|