Специфика и классификация физических измерений в медицине

    Большинство измерений в медицине является измерения­ми физических или физико-химических величин. В коли­чественной диагностике - давление крови, временная зависимость биопотенциалов, оптическая сила глаза и др. В лабораторных анали­зах - вязкость крови, концентрация сахара в моче и др. При лечении важно знать дозу ионизирующего излучения, силу тока при гальва­низации, интенсивность ультразвука и т. д. Отсутствие какой-либо информации подобного рода может не только снизить лечебный эффект, но и оказать пагубное действие при лечении. Количествен­ная оценка параметров среды, окружающей человека (влажность, температура, атмосферное давление), является необходимым усло­вием профилактики заболеваний, климатического лечения.

В ряде измерений информация о связи между непосредствен­но измеряемой физической величиной и соответствующими меди­ко-биологическими параметрами может быть недостаточной. Так, например, при клиническом измерении давления крови допускает­ся, что давление воздуха внутри манжеты приблизительно равно давлению крови в плечевой артерии. Фактически равенство давле­ний зависит от состояния мускулатуры и ряда других факторов. Кро­ме того, в процессе измерения медико-биологические параметры могут изменяться, особенно при длительных измерениях, например вследствие психофизиологических факторов. Подвижность органов или самого пациента также может приводить к различным результа­там измерений.

Физические медико-биологические измерения могут быть клас­сифицированы либо по функциональному признаку, либо по при­надлежности к соответствующему разделу физики. Физическая клас­сификация приведена ниже.

Механические измерения: антропометрические параметры тела, перемещение, скорость и ускорение частей тела, крови, воздуха., аку­стические измерения, давление крови и жидкостей в организме и воз­духа - в окружающей среде, измерение вибраций и т. д.

Теплофизические измерения: температура органов и частей тела, калориметрические измерения биологических объектов, продуктов питания и т. д.

Электрические и магнитные измерения: биопотенциалы, ин­дукция магнитного поля сердца, измерение импеданса биологичес­ких объектов с диагностической целью, параметров электромагнит­ных полей и концентрации ионов с гигиенической целью.

Оптические измерения: колориметрические измерения, изме­рение оптических характеристик глазных сред с диагностической целью, спектральные измерения для диагностики и судебно-меди­цинского назначения, измерение характеристик ультрафиолетового, инфракрасного и видимого света для гигиены и т. д.

Атомные и ядерные измерения: измерение ионизирующих излучений и др.

Функциональный принцип классификации методов медико-биологических измерений можно проиллюстрировать на измере­нии параметров сердечно-сосудистой системы. Здесь встречаются механические (баллистокардиография, фонокардиография, измере­ние давления крови), электрические и магнитные (электрокардиог­рафия, магнитокардюлрафия), оптические измерения (оксигемо-метрия). Возможно применение и других физических методов: так, например, методом ядерного магнитного резонанса определяют скорость кровотока и др.

Физические величины, связанные определенными закономер­ными зависимостями, могут быть организованы в систему. Соотно­шения между величинами системы выражаются с помощью раз­мерностей. Размерности основных величин записываются буквен­ными символами, а размерности производных величин - произве­дениями размерностей основных величин в соответствующих сте­пенях. Так, например, символами L, М, Т обозначаются размернос­ти основных величин – длины, массы, времени. Отсюда размерность скорости, которая выражается как путь, деленный на время, пред­ставится сочетанием L / Т.

структурная схема съема, регистрации и передачи медико-биологической информации

Для того, чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств.

Первичный элемент этой совокупности – чувствительный элемент средства измерений, называемый устройством съема -

непременно контактирует или взаимодействует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от медико-биологической системы, в некоторых случаях части измерительной системы могут быть даже отнесены на значительные расстояния от объекта измерений.

Схема измерительной цепи является общей и отражает всевозможные реальные системы, применяемые в медицине для диагностики и исследования. В устройствах медицинской электроники чувствительный элемент либо сам выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой сигнал под воздействием биологической системы. Таким образом, устройство съема преобразует информацию медико-биологическую и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В медицинской электронике используют два вида устройств съема: электроды и датчики.

Завершающим элементом измерительной цепи в медицинской электронике является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, усиливающие начальный сигнал и передающие его на расстояние.

В структурной схеме Х означает некоторый измеряемый параметр биологической системы, например давление крови. Буквой Y обозначена выходная величина, например сила тока (мА) на измерительном приборе или смещение писчика (мм) на бумаге регистрирующего прибора. Для получения количественной информации должна быть известна зависимость Y=f(X).

электроды для съема биологической информации

Электроды для съема биологической сигнала – это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.

При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например в реографии. В медицине электроды также используются для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.

К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологические ткани и т.п.

Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съема биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротивлении электрод –кожа.

Для уменьшения переходного сопротивления электрод – кожа стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей, используют марлевые салфетки, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротивление, увеличив площадь контакта электрод –кожа, т.е. увеличив размер электрода, но при этом электрод будет захватывать несколько эквипотенциальных поверхностей и истинная картина электрического поля будет искажена.

По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы: 1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы; 2) для длительного использования, например при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии; 3) для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине; 4) для экстренного применения, например в условиях скорой помощи. Ясно, что во всех случаях проявится своя специфика применения электродов: физиологический раствор может высохнуть и сопротивление изменится, если наблюдение биоэлектрических сигналов длительное, при бессознательном состоянии пациента надежнее использовать игольчатые электроды и т.д.

При использовании электродами в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них –возникновение гальванической ЭДС при контакте электродов с биологической тканью. Другая –электролитическая поляризация электродов, что проявляется в выделении на электродах продуктов реакций при прохождении тока. В результате возникает встречная по отношению к основной ЭДС.

В обоих случаях возникающие ЭДС искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы, позволяющие снизить или устранить подобные явления, однако эти приемы относятся к электрохимии.

датчики медико-биологической информации

Многие медико-биологические характеристики нельзя непосредственно «снять» электродами, так как эти характеристики не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях медико-биологическая информация связана с электрическим сигналом, однако к ней удобнее подойти как к неэлектрической величине (например, пульс). В этих случаях используют датчики (измерительные преобразователи).

Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к которому подведена измеряемая величина, т.е. первый в измерительной цепи, называют первичным.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал.

Использование электрических сигналов предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно не сложно усиливать их, передавать на расстояние и регистрировать. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные датчики под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Вот некоторые типы этих датчиков и явления, на которых они основаны: 1) пьезоэлектрические, пьезоэлектрический эффект; 2) термоэлектрические, термоэлектричество – явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, имеющих разную температуру спаев; 3) индукционные, электромагнитная индукция; 4) фотоэлектрические, фотоэффект.

Параметрические датчики под воздействием измеряемого сигнала изменяют какой-либо свой параметр. Вот некоторые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр: 1) емкостные, емкость; 2) реостатные, омическое сопротивление; 3) индуктивные, индуктивность или взаимная индуктивность.

В зависимости от вида энергии, являющейся носителем информации, различают механические, акустические (звуковые), температурные, оптические, электрические и другие датчики.

В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодатчик) –для измерения перемещения или деформации и т.д.

Ниже приведены возможные медико-биологические применения указанных типов датчиков.

Датчик	Механи- ческий	Акусти- ческий	Оптический	Темпера- турный
Пьезоэлектрический	АД	ФКГ	----	----
Термоэлектрический	----	----	----	Т
Индукционный	БКГ	ФКГ	----	----
Фотоэлектрический	----	----	ОГГ	----
Емкостной	ФКГ	----	----	----
Реостатный	АД, БКГ	----	----	Т
Индуктивный	ДЖ	----	----	----

Обозначения: АД – артериальное давление крови; БКГ – баллистокардиограмма; ФКГ – фонокардиограмма; ОГГ – оксигемография; Т – температура; ДЖ – давление в желудочно-кишечном тракте.

Датчик характеризуется функцией преобразования – функциональной зависимостью выходной величины y от входной х, которая описывается аналитическим выражением y=f(x) или графиком.

Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной:

Z = ∆y/∆x

Она в зависимости от вида датчика выражается, например, в омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (мВ/К) и т.д.

При работе с датчиками следует учитывать возможные, специфические для них, погрешности. Причинами погрешностей могут быть следующие факторы: 1) температурная зависимость функции преобразования; 2) гистерезис – запаздывание y от х даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике; 3) непостоянство функции преобразования во времени; 4) обратное воздействие датчика на биологическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и др.

В заключение следует отметить, что датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.

усилители биоэлектрических сигналов

Прямое, непосредственное измерение биоэлектрического сигнала, или сигнала, созданного на выходе генераторного датчика, является трудновыполнимой задачей, так как эти сигналы обычно весьма малы. Поэтому в структурной схеме вторым элементом является усилитель электрических сигналов.

Специфика усилителей биопотенциалов определяется следующими основными особенностями этой разновидности электрических колебаний: 1) выходное сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов обычно достаточно высоко; 2) биопотенциалы – медленно изменяющиеся сигналы; 3) биопотенциалы – слабые сигналы.

Малость биопотенциалов побуждает использовать усилители с достаточно большим коэффициентом усиления, поэтому даже небольшие помехи, попадающие на вход усилителя, могут исказить полезный биоэлектрический сигнал и вызвать ложную информацию. Помехами можно считать любые токи или напряжения на выходе усилителя при отсутствии на его входе полезного сигнала.

От одних помех можно избавиться или уменьшить их влияние, усложнив и удорожив конструкцию усилителя. От других избавиться в принципе невозможно, и поэтому приходится использовать каскад с небольшим коэффициентом усиления.

Если детали усилителя (электроды ламп, пластины конденсаторов и др.) будут колебаться, то это все приведет к периодическому изменению параметров схемы и, как следствие, к возникновению случайных электромагнитных колебаний – микрофонный эффект. Укрепляя детали схемы и усиливая амортизацию, можно уменьшить или ликвидировать помехи и этого вида.

Искажения усиленного сигнала могут возникнуть и вследствие нестабильности источников питания, поэтому в некоторых случаях следует специально предусматривать стабилизацию напряжения.

передача сигнала. радиотелеметрия

Снятый и усиленный электрический сигнал необходимо передать к регистрирующему ( измерительному) прибору.

Во многих случаях электроды или датчики, усилители и регистрирующий прибор конструктивно оформлены как единое устройство. В этом случае передача информации не является сложной проблемой. Однако измерительная часть может находиться на расстоянии от биологической системы, такие измерения относят к телеметрии или, возможно, к биотелеметрии. Связь между устройством съема и регистрирующим прибором при этом осуществляется либо по проводам, либо по радио. Последний вариант телеметрии называется радиотелеметрией. Этот вид связи широко используют в космических исследованиях для получения информации о состоянии космического корабля и его экипажа, в спортивной медицине – о состоянии спортсмена во время упражнений. Например, с помощью антенны передатчика на шлеме спортсмена, излучающей радиоволны, на расстоянии 300 – 500 метров (т.е. в пределах стадиона) можно фиксировать данные о его состоянии.

Радиотелеметрия применяется также для эндорадиозондирования пищеварительного тракта. Рассмотрим этот вопрос по подробнее. Миниатюрная капсула с радиопередатчиком (эндо – радиозонд) заглатывается больным. По изменению частоты передатчика приемником, расположенным вблизи пациента, можно измерять давление, степень кислотности или щелочности, температуру и другие параметры в месте расположения капсулы.

Схема эндорадиозонда для определения активности пищеварительных ферментов показана на рисунке. Он состоит из трех основных частей: 1 – источник напряжения, размещенный в съемной торцевой насадке; 2 – диск, спрессованный из ферромагнитного порошка и частиц, растворяющихся ферментом; 3 – транзистор и другие детали радиосхемы. Диск расположен в съемной насадке и так же, как источник напряжения, после однократного употребления может быть заменен другим. Диск прижимается к катушке индуктивности 4 и образует с ней замкнутый магнитопровод. По мере растворения диска пищеварительными ферментами уменьшается индуктивность L и увеличивается частота генератора. Таким образом, по воспринимаемой частоте можно судить об активности ферментов.

Используемая литература:

1. Ремизов А.Н. Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика: учеб. для вузов. – 9-е изд., М.: Дрофа, 2010 и более ранние издания.

2. Антонов В.Ф., Черныш А.М., Козлова Е.К., Коржуев А.В. Физика и биофизика. Учебник для студентов мед. вузов. – М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008 и более ранние издания.