Информатика для медиков

В данной главе конспективно представлены некоторые основные положения авторского проекта современного способа «интеллектуализации» технических и робототехнических систем нового поколения – так называемых биологизированных, или псевдоживых, систем.

Известно, что робототехника начинает постепенно, но интенсивно внедряться в некоторые области клинической медицины, в том числе в эндовизуализацию внутренних сред организма и выполнение некоторых корректирующих хирургических манипуляций. Все они немыслимы без адекватного информационного обеспечения, поэтому я счел целесообразным кратко обсудить здесь эту проблему.

Число разнообразнейших публикаций на эту тему очень велико, и я позволю себе в рамках данной главы не приводить никаких ссылок.

Введение в проблему

Сегодняшние робототехнические устройства разнообразны и специализированы. Многие из них снабжены «искусственным интеллектом», разрабатываемым применительно к их специфике. Узкая специализация вызывает необходимость при создании новых устройств осуществлять отдельную разработку «интеллектуализированных» систем оценки информации и управления различными их функциями. Такое положение дел усложняет разработки и увеличивает их стоимость. В связи с этим создание достаточно универсальной модели «искусственного интеллекта» является актуальным.

В доступной литературе сведений о разработках, имеющих не только абстрактную чисто теоретическую постановочную форму, но и описания универсальных моделей, не найдено.

По Геделю, полностью познать и, соответственно, адекватно моделировать систему средствами самой системы невозможно. Таким образом, создать искусственный интеллект средствами естественного невозможно. Но другими средствами мы не обладаем. Можно лишь пытаться строить более или менее удачные модели для имитации некоторых известных и изученных на сегодня его функций, в том числе для решения практических задач.

Интеллект является функцией головного мозга. Предлагаемый способ в значительной мере универсален, будучи ориентирован на необходимое информационное обеспечение технических и робототехнических систем различного назначения, а также на использование для этого ряда моделей из числа известных форм интеллектуальной деятельности головного мозга человека.

Говоря об «интеллектуализации» технических систем, я имею в виду, что можно в какой-то мере назвать их «биологизацией», т. е. моделированием некоторых биологических функций на верхнем структурно-функциональном уровне живых существ – на уровне взаимосвязанных систем тех органов, которые необходимы для выполнения задач, поставленных перед такими изделиями. При этом можно говорить о «псевдоживых» технических устройствах без использования биологических объектов.

Сказанное можно рассматривать только как схематическую содержательную постановку проблемы.

Дополнение

Целесообразно также схематически описать общую структуру технических устройств, управление которыми возлагается на предлагаемую «интеллектуализированную» систему. Это типовая структура, состоящая из взаимосвязанных относительно автономных механических комплексов, уподобляемых системам органов целостного организма:

– оболочка;

– сенсорный комплекс получения и преобразования любых сигналов, в том числе и речевых, получаемых из внешней среды;

– двигательный комплекс с использованием всех целесообразных средств («органов») доступного перемещения в реальной пространственной среде;

– комплекс различных средств воздействия на объекты внешней среды;

– комплекс возобновляемого энергообеспечения (всех его видов) для функционирования устройства в целом и отдельных его частей;

– сигнальный комплекс, обеспечивающий: а) получение и преобразование сигналов о состоянии устройства и отдельных его частей; б) генерацию и передачу сигналов адресатам, предусмотренным конструкцией устройства; в) помехозащитные функции и генерацию помех;

– «гомеостатический» комплекс поддержания состояния устройства в заданных диапазонах, включающий обеспечение информационных взаимосвязей между его частями;

– «регенерационный» комплекс, включающий доступное автоматизированное восполнение расходуемых ресурсов разного рода;

– самоликвидационный комплекс для отдельных видов устройств.

Все перечисленные комплексы контролируются и управляются только при посредстве «нервной системы» – центрального комплекса целостного технического изделия.

Общая структура центрального комплекса

В целом это единый программно-аппаратный комплекс, состоящий из нескольких взаимосвязанных функциональных отделов и блоков, каждый из которых включает взаимосвязанные модули.

Выбор тех или иных модулей при конструировании технического изделия определяется его назначением. Некоторые виды отделов, блоков и модулей для конкретного изделия могут быть признаны ненужными.

Перечень основных отделов и блоков центрального информационно-управляющего комплекса

Данные части комплекса предназначены для функциональной имитации интеллектуальной деятельности, поэтому их наименования далее будут соответствовать принятым в анатомии нервной системы животных.

Периферическая нервная система

Анимальная: узлы; стволы; волокна: афферентные – рецепторы, эфферентные – эффекторы.

Вегетативная (автономная): узлы; стволы; волокна: афферентные – рецепторы, эфферентные – эффекторы.

Поскольку данный текст посвящен проблемам «интеллектуализации» управления изделием, то детальное описание периферической нервной системы, являющейся в основном исполнительным средством управления, здесь не приводится.

Минимальная структурная единица нервной системы — нейрон. Это целостный информационный (программный) объект. Нейрон предназначен для отбора импульсов, поступающих к нему по одному из каналов связи (входных отростков нейрона), их преобразования и передачи на другие каналы связи (выходные отростки данного нейрона).

Нейрон имеет оболочку, отростки и внутренние элементы. Оболочка отделяет тело нейрона от внешней среды. Отростки своим окончанием (входные) или началом (выходные) объединены с внутренней средой нейрона.

Внутренние объекты нейрона представляют собой системное объединение двух элементов через общий субэлемент связи (&). Он имеет постоянную материально-энергетическую характеристику. Если импульсы, поступающие по входному каналу нейрона (аксону), энергетически недостаточны, то ничего не происходит, пока такие импульсы не суммируются и не станут соответствовать характеристике &. Только в этом случае достаточный импульс «разрывает» связь, системное объединение распадается, один из базовых элементов нейрона перемещается в сторону выходных каналов связи (дендритов) и передает им соответствующий импульс (сигнал) к другим нейронам либо модулям устройства. После этого данный элемент возвращается в исходное состояние и вновь системно объединяется с другим элементом через &.

Время, необходимое для передачи сигнала (импульса) от входного канала связи к выходному и до возвращения состояния нейрона к восприятию последующих импульсов, называется рефрактерной паузой данного нейрона.

Нейронная сеть. Прямые или опосредованные связи в пределах периферической нервной системы, а также непосредственная связь периферической системы с центральной образуют нейронную сеть («паутина жизни» по Ф. Капре). Такая структура обеспечивает оптимальные возможности управления многообразными функциями изделия в целом.

Данные нейронные сети принципиально отличаются от понятия нейронных сетей в существующих автоматизированных информационных системах.

Центральная нервная система

Спинной мозг: сегменты; проводящие пути: восходящие, нисходящие.

Головной мозг: подкорка, кора.

Замечание: «Биологизация» и «интеллектуализация» изделия в целом вызывают необходимость жестко сформулировать предельно допустимые границы автономии его решений и действий.

Спинной мозг является конструктивным продолжением головного мозга. Он предназначен для непосредственного управления основными функциями всех комплексов изделия, кроме центрального, а также части блоков и модулей сенсорного комплекса. Непосредственное управление предполагает не только реализацию управленческих команд, генерируемых головным мозгом, но и частичную автономию спинного мозга.

Спинной мозг состоит из нескольких (не менее двух) однотипных относительно автономных, но структурно взаимосвязанных сегментов. В общую структуру спинного мозга входят проводящие пути двух типов: эфферентные («передние», нисходящие) и афферентные («задние», восходящие). Они являются взаимными каналами связи спинного мозга с головным, где начинаются и соответственно заканчиваются в конкретных отделах (модулях – узлах) подкорки. В пределах же спинного мозга проводящие пути начинаются (афферентные) и заканчиваются (эфферентные) в соответствующих сегментах.

Каждый сегмент спинного мозга включает группы нервных узлов, аксоны которых образуют соответствующие передние (исходящие из головного мозга и впадающие в данные узлы) либо задние (исходящие из спинного мозга и впадающие в узлы подкорки) проводящие пути.

Дендриты узлов спинного мозга, объединяясь в пучки, образуют передние и задние рога, расположенные попарно «по обе стороны» от него. В свою очередь, объединяясь за пределами мозга «по бокам» от него, эти рога вливаются в боковые парамедуллярные нервные узлы – анимальные или вегетативные, в зависимости от функционального назначения, соответствующие каждому сегменту спинного мозга.

От парамедуллярных узлов отходят нервные стволы, образующие всю периферическую нервную систему, за исключением ее части – мозговых нервов, связанных непосредственно с головным мозгом. Эти нервы также включают афферентные и эфферентные волокна, обеспечивающие в основном оперативное управление наиболее важными блоками сенсорного комплекса изделия.

Головной мозг состоит из двух взаимосвязанных отделов – коры и подкорки. Оба они представлены множеством взаимосвязанных нейронов, образующих функциональные нервные узлы (в подкорке) и функциональные зоны (в коре).

Подкорка получает по всем каналам связи, прямо либо опосредованно, всю импульсацию от всех источников периферической нервной системы и спинного мозга изделия.

Задачи подкорки:

– сортировка полученных сигналов;