Направления и принципы интеграции медицинских и технических систем.

Одновременно с дифференцировкой наук, их все большей специализацией, на традиционных границах возникают бурно растущие новые междисциплинарные направления, которые становятся мостами взаимного плодотворного проникновения разных областей знания во имя общечеловеческого прогресса. Медико-технические науки являются таким примером взаимопроникновения медицинских и технических наук ради познания природы здоровья и болезней человека.

Новые медицинские технологии создаются коллективными усилиями специалистов разнообразных областей науки и техники: биологии, медицины, физики, химии, электроники, материаловедения и т.д. [1-5]. Технические науки, с одной стороны, поставляют только средства для получения новых знаний в биологии и медицине, для конкретного использования в клинической практике и биотехнологиях. С другой стороны, эти же технические средства, биологические и медицинские объекты сами являются предметом научных исследований. Работы эти проводятся в рамках современной, быстроразвивающейся междисциплинарной научной области, которую можно определить как медико-техническую [3].

Интеграция медицинских и технических наук в ХХ веке

Анализ результатов, отмеченных нобелевскими премиями в области физиологии и медицины [6], демонстрирует принципы формирования и развития медико-технических наук в ХХ веке. Еще в 1903 году нобелевская премия в области физиологии и медицины была присуждена датскому ученому Нильсу Файсену (Finsen, Niels Ryberg) за вклад в развитие методов лечения болезней, особенно lupus vulgaris, при помощи концентрированных лучей света, что, по мнению нобелевского комитета, открывало широкую перспективу для развития медицинской науки. Действительно, в настоящее время современную медицинскую науку невозможно представить без методов воздействия разнообразных видов концентрированных потоков энергии на биологические объекты, в первую очередь лазерных технологий.

Огромным достижением в изучении физиологии и патологии сердца явилось изобретение электрокардиографии. Еще в 1865 году было обнаружено, что биение сердца лягушки сопровождается электрическими импульсами. Исследователи провели ряд экспериментов с измерением этих импульсов у различных животных. Однако только после того, как лондонский физиолог Огестес Уоллер научился регистрировать такого рода импульсы без вскрытия грудной клетки пациента, появилась возможность работать с людьми. Уоллер назвал новый метод электрокардиографией, причем довольно пессимистически оценил его клинические возможности. Проблема заключалась в том, что техническая система Уоллера работала нестабильно и с ее помощью нельзя было точно отслеживать быстрые низкоамплитудные изменения электрического тока, связанные с сердечным ритмом.

Создание адекватного инструмента, с помощью которого можно было бы регистрировать электрические импульсы сердца, заинтересовало профессора Утрехтского университета Виллема Эйнтховена (Einthoven, Willem). С 1893 г. он потратил 7 лет на разработку нового прибора, результатом чего появился струнный гальванометр; прибор весил около 272 кг, для обеспечения его работы требовалось 5 лаборантов. Однако электрокардиограммы, полученные с помощью этого уникального прибора, четко отражали характеристики генератора сердца. Эйнтховен был удостоен нобелевской премией в области физиологии и медицины за 1924 год.

Как известно, в дальнейшем ряд нобелевских премий был вручен за выдающиеся результаты в области электрофизиологических исследований, что с полным основанием относится к успеху медико-технических наук.

Величайшим достижением человечества явилось открытие рентгеновских лучей. Методы рентгено-структурного анализа обеспечили фундамент получения принципиально новых результатов, которые были отмечены целой серией нобелевских премий в области физиологии и медицины.

Наконец, триумфом медико-технической науки ХХ века явилось создание рентгеновской компьютерной томографии: Аллан Кормак (Cormack, Allan M.) и Годфрей Хаунсфилд (Hounsfield, Godfrey N.) были удостоены нобелевской премией в области физиологии и медицины за 1979 год.

Познание работы организма как единой целостной системы

В XXI веке развитие высоких технологий в значительной мере связано с реализацией двух грандиозных проектов: Всемирной информационной сети и нанотехнологии. Первый направлен на создание беспрецедентной информационной инфраструктуры глобального масштаба и базируется на стремительном прогрессе средств вычислительной техники. Содержанием второго является создание уникальных промышленных технологий, использующих манипуляции с веществом атомарного и молекулярного уровня. Прогноз в этих направлениях позволяет медицинским наукам реально приблизиться к анализу глубинных механизмов жизни, пониманию функционирования организма, как единой системы, что, в конечном итоге, может позволить сформулировать полноценную теорию медицины [7].

С этих позиций ключевым направлением интеграции медицинских и технических наук является познание работы организма как единой целостной системы на базе междисциплинарных принципов - синтез методов, достижений технических наук в вычислительной технике, нанотехнологии и методов, достижений медицинских наук в познании биомедицинских явлений и процессов на разных масштабных уровнях: атомно-молекулярном, субклеточном, клеточном, межклеточном и т.д., взаимосвязей биомедицинских явлений, процессов разных масштабных уровней.

От анализа к синтезу в поиске крупномасштабных теоретических обобщений

“ ... если мы предполагаем сделать ХХI век веком “великого анализа”, проникновения исследователей к истокам жизни и направленного регулирования нарушенных интимных процессов, успех в этом будет обеспечен лишь при одном условии: этот век должен быть одновременно и веком “великого синтеза”, крупномасштабных теоретических обобщений, подобных сделанных в ХIX веке. При продолжающемся отставании синтеза, который, по единодушному мнению, несоизмеримо труднее и сложнее анализа, наши усилия часто будут иметь половинчатый характер” [7].

Поиск крупномасштабных теоретических обобщений, направленный на исследования принципов формирования и проектирования свойств макроскопических объектов мотивирует развитие технических наук в следующих направлениях:

· анализ взаимосвязи явлений и процессов разных уровней - субатомного, атомно-молекулярного, кластерного и т.п. с целью проектирования и создания материалов, обладающих качественно новыми свойствами,

· оценка принципов проектирования аппаратных средств (hardware) от логического вентиля к микропроцессору, мультипроцессорным системам, суперкомпьютеру, локальным и глобальным компьютерным сетям,

· характеристика проектирования информационных систем (software) от простейших программ в машинном коде к языкам программирования высокого уровня, операционным системам, программным оболочкам, глобальным программным продуктам.

С этих позиций другим ключевым направлением интеграции медицинских и технических наук является синтез на базе междисциплинарных принципов научных знаний о работе организма как единой целостной системы.

Моделирование работы организма как единой целостной системы

Прогресс средств вычислительной техники позволил приступить к моделированию работы организма как единой целостной системы. В настоящее время совместные усилия в этом направлении медицинских и технических наук наиболее ярко выражены в международном проекте “The Physiome Project” [8]. Его название отражает основополагающую идею: “physio-“ (жизнь) и “-ome” (как единое целое). Проект объединяет исследования, разработку, внедрение, архивацию и распространение информации и интегрированных моделей функционального поведения органелл, клеток, тканей, органов и организмов. Стратегическая цель его состоит в развитии понимания и описания организма человека, его физиологии и патофизиологии для использования этого знания в новых медицинских технологиях.

Очередной XXXIV Мировой конгресс Международного союза физиологических наук, посвященный основной теме “from Molecule to Malady”, пройдет в Новой Зеландии 26-31 Августа 2001 года. Организаторы конгресса считают, что именно мультидисциплинарная его направленность будет способствовать появлению новых стратегий проведения клинических исследований [9].

С рассматриваемых позиций особенно плодотворным представляется синтез математического моделирования работы организма как единой целостной системы с развивающимися методами визуализации: трехмерным изображением объектов; новыми томографическими методами (например, лазерная оптическая томография, микроволновая томография и т.д.); комбинированными системами визуализации, совмещающими разнообразные физические принципы визуализации и количественные измерения характеристик визуализируемых объектов; совмещением систем визуализации с хирургической и микрохирургической атрибутикой [10]; анализом изображений с помощью систем искусственного интеллекта, наконец, визуализацией атомно-молекулярных систем.

Синтез методов моделирования функций центральной и периферической нервной системы с развивающимися средствами вычислительной техники, на примере нейрокомпьютинга, результативен уже в настоящее время [4,11].

Комплексные системы автоматизированного медико-технического проектирования

Развитие интеграции медицинских и технических наук позволяет приступить к созданию комплексных систем автоматизированного медико-технического проектирования. На этом направлении уже получены значительные результаты.

В настоящее время разработана система проектирования биомедицинских микросистем, включающая в себя проектирование биочипов и геносенсоров [12]. Данная система интегрирована с системами проектирования изделий микроэлектроники массового производства, что имеет важное значение для практической реализации генетических технологий в медицине [13].

Развитие новых медицинских технологий в XXI веке в значительной мере связано с развитием имплантируемых биомедицинских миниатюрных систем: стимуляторы, биохимические анализаторы, протезы и т.д. Проектирование такого рода систем – важное направление интеграции принципов моделирования физиологических процессов и моделирования технических микросистем.

Важное значение имеет также автоматизация проектирования систем временного замещения функций организма: систем искусственной вентиляции легких, систем внепочечной очищения крови, наркозно-дыхательной аппаратуры и т.д.

Прогресс в развитии вычислительных средств позволяет реализовать моделирование и проектирование новых медицинских технологии от атомно-молекулярного уровня до клиник.

Интеграция медицинских и технически наук интенсивно развивается по множеству направлений всеми ведущими научными центрами мира. Это связано с необходимостью освоения в экспериментальных исследованиях и клинической практике новых (высоких) технологий.