生物控制論

[拼音]：yiliao kongzhi xitong

[英文]：medical control systems

基於物理學方法，以計算機為核心的綜合性醫療系統。醫療控制系統的作用在於：對生物體系統進行分析、辯識和建模；對生物體訊號進行檢測、提取和處理；實現常規醫療步驟的機械化和自動化；實現自動診斷和監護醫療；提供人工器官和實施康復工程。醫療控制系統能為人類疾病的預防和治療提供新的方法和手段。

技術特點

醫療控制系統與一般控制系統不同。生物體內的控制系統十分複雜，傳遞資訊的載體多種多樣，資訊處理方式也各自不同，因此控制系統的結構在本質上是非線性的，而且是多級控制的大系統。運用已有的控制系統理論和方法研究生物醫學中區域性控制系統的機制或估計模型引數非常困難，需要從十分複雜的系統中合理地孤立出一個可以定量分析的區域性系統（尋找能簡化與體內其他區域性系統間聯絡的條件），建立一定條件下的簡化模型，這需要有十分精巧的實驗設計，要求把控制系統的知識同已有的生物系統的生理、解剖等知識結合起來。另外，根據刺激(即系統的輸入)、反應（即系統的輸出）資料來估計模型的生理引數時，必須首先研究在這種既定的輸入輸出條件下的可辨識性問題。如果可能測出的資料過少,則往往無法合理地估定引數,也就不能解決實際問題。然而在人體系統研究中難於無損傷地直接測出系統中訊號傳遞的中間過程，這大大增加了系統辨識的難度。

生物體系統的分析、辨識與建模

20世紀40年代以前，醫學主要是以描述為主的靜態實驗性科學。40年代以後，開始用資訊與控制方法，解釋生物體系統的現象及其工作狀況的關係，並建立一些數學模型和物理模型。例如，反饋控制的概念補充了過去認為神經系統只是以反射弧的方式對刺激作出反應的說法，正確地解釋了脊髓癆引起的運動失調是由於報告下肢準確位置的反饋聯絡中斷；弄清了目的震顫疾病是由於調節外界刺激應答的小腦機能障礙；用反饋的概念正確解釋了人體在外部環境較大變化情況下能保持內穩態和肢體能進行各種有目的行為的機理；用經典控制理論的方法對體內各類系統建立定量數學模型的研究，闡明和驗證了系統由穩定轉向不穩定(即出現病態)的條件和機理。70年代初，為血液迴圈系統建立了包括18個子系統、354 個元件的血壓調節系統模型,在大型計算機上進行模擬運算,為研究迴圈系統的功能和機理提供了大量有用的定量資訊。系統分析已逐漸成為各門醫學基礎學科中不可缺少的重要內容。

生理訊號的監測、分析和處理

這是使醫療客觀化、定量化和自動化的必要步驟，也是有效控制的必要前提。人們已能對醫療上大多數有用的指標進行測量，表達成物理量，其準確度、速度和精度已達到頗為理想的程度，並能實時地輸入電子計算機作進一步分析和處理。例如手術期間監測裝置可隨時把病人的心率、血壓的變化和呼吸器官的引數顯示給醫生或護士，以便對病人採取措施，從而大大提高手術的成功率和搶救危重病人的效果。

常規步驟的機械化和自動化

病人各種檢查結果可通過計算機迅速記錄在病歷中，供醫生隨時呼叫。目前，採用計算機、自動多通道化學分析儀器和其他先進儀表，使一個門診部每天能處理數千病人的檢查和化驗，使檢驗的成本費大大降低，為對大片居民區進行體檢提供了方便，有利於社會中疾病的有效控制(見醫院資訊系統)。

自動診斷系統

採用電子計算機對檢測、化驗等資料進行處理分析、診斷病情，提供醫療方案。目前已研製出各種輔助診斷裝置和自動診斷系統。如 X射線計算機層析攝影(CT)已能無損傷地揭示體內深部的腫瘤，使癌症得到早期確診。70年代以來，又開始把醫生看病的經驗知識裝入計算機，研製出各種用於醫療診斷的專家系統。如MYCIN系統、中醫計算機診斷系統等，已能對某些疾病進行診斷並開出藥方。

護理和治療工作系統

用以對病人的生理和病理條件實行控制。80年代初，美國已研製出搶救危重病人的計算機自動化系統。這個系統能對病人各種血、尿、電生理等指標的自動測量、化驗、分析、處理，還能對病人進行全面監護，根據病人的情況控制給藥和採取各種護理、治療措施，如自動輸液、排氣和其他相應的處理。這種系統具有解釋顯示病情動態和預先發出警報等功能。

人工器官和康復工程

對喪失正常功能的人體器官進行替換和代償。人工器官種類很多，對各種感官、內臟器官、骨骼、假肢等都已有研究成果，不少已應用於臨床。例如人工視覺是對大腦皮層視區功能正常的盲人，用與外界資訊有關的脈衝電流直接刺激其皮層視區，訊號由計算機處理後，就能使盲人“看”到影象。80年代初，這種人工視覺裝置已在盲人頭部安裝試用，取得了較好的效果。此外在為病人植入永久型人工心臟，研製用人造肢體和主動裝置的肌電反饋控制器，以及研究調節血糖的人造胰臟等，也都取得了相當的進展。

醫療控制系統研究中的困難在於對生命現象的解釋還缺乏一種適當的分析基礎，這就限制了有效的控制演算法的綜合。此外，大部分已有的數學和邏輯學的理論和方法，還遠不適用於表達生命系統的巨大複雜性。例如為製造人工臟器還需要設計各種與生命機體相互作用的控制器。這些問題的解決尚有待於控制理論和技術上的新突破。

參考書目

維納著，郝季仁譯：《控制論》（第二版），科學出版社,北京,1963。(N.Wiener,Cybernetics or Control and Communication in theAnimal and the Machine，2nd ed. The M.I.T.Press and John Wiley & Sons,New York,1961.)

M.吉伯爾迪、D.佩里爾著,朱家壁譯:《藥物動力學》，科學出版社，北京，1981。(M.Gibaldi and D.Perrier,Pharmacokinetics,Marcel Dekker,1975.)

W.Swan,Applications of Optimal Control Theory in Biomedicine,Basel,1984.