БТС

Ценность системы мониторинга для клинической практики заключается в следующем:

1.Высокая точность и объективность получаемой информации.

2.Слежение за физиологическими процессами в реальном масштабе времени, определяемое быстродействием регистрации и обработки информации.

3.Возможность одновременной обработки нескольких физиологических параметров и установление связи между ними, формирование на этой основе диагностических показателей.

4.Раннее выявление признаков нарушения регуляции в системах организма, прогностическая оценка состояния.

Клинические информационные системы дополнительно включают базу данных, базу знаний, средства управления базами данных. Терминалы клинических информационных систем могут быть специализированными: автоматизированное рабочее место (АРМ) врача по специальности, например, АРМ анестезиолога, обеспечивающее наблюдение за показателями состояния, ведение наркозной карты, выбор препаратов, расчет доз, скорости введения, и т.п.

3. Приборы и системы для исследования биоэлектрической активности организма

Сигналы биоэлектрической активности органов и тканей связаны с наличием в организме сравнительно низкочастотных электрических полей биологического происхождения, вызванных электрохимическими и кинетическими процессами, протекающими в организме.

Электрические поля являются причиной создания на кожном покрове биоэлектрических потенциалов, при этом можно выделить квазистатический электрический потенциал, имеющийся на определенном участке поверхности, и потенциал, изменяющийся синхронно с изменением свойств определенного органа или системы при его функционировании.

Спектр переменных биосигналов, характеризующих функционирование органов и систем, лежит в полосе частот от долей Гц до единиц кГц. Разность квазистатических потенциалов между участками на кожном покрове человека достигает долей вольта и, в значительной степени, зависит от электродов, с помощью которых они регистрируются. Разность переменных потенциалов оценивается в диапазоне от мкВ до десятков мВ.

11

Приведем краткие характеристики наиболее распространённых сигналов биоэлектрической активности функциональных систем организма, зарегистрированных с поверхности тела человека.

Обобщенная структурная схема средств измерения биоэлектрической активности организма

4. Приборы и системы для исследования неэлектрических характеристик организма

4.1. Неинвазивное исследование оптических свойств биообъектов

Отличительная особенность оптических методов является использование низкоинтенсивного (до 10 мВт) излучения позволяет произвести неинвазивное зондирование исследуемых участков биоткани. В клинической практике широко используются такие методы, как оптическая пульсоксиметрия, флуоресцентная диагностика, биофотометрия, лазерная доплеровская флоуметрия и ряд других.

Метод абсорбционной фотометрии основан на законе Бугера-Ламберта-Бера, описывающего ослабление монохроматичсекой волны при прохождении слоя поглощающей среды:

Φ(λ)= Φ0 (λ) e-Cε(λ)l

где: Φ – интенсивность светового потока, прошедшего через ткань, Φ0 – интенсивность светового потока, падающего на ткань, C – концентрация поглощающего вещества, ε(λ) – удельный коэффициент поглощения света, зависящий от длины волны излучения и оптических свойств ткани, l – толщина слоя поглощающей среды.

12

Оптические свойства среды оцениваются с помощью двух коэффициентов – пропускания (τ) и оптической плотности (D):

τ(λ)= Φ(λ)/ Φ0 (λ) = e-Cε(λ)l ; D(λ)= lg(1 / τ(λ))

Важным свойством коэффициента оптической плотности является его аддитивность – суммарная оптическая плотность смеси химически не реагирующих между собой веществ, равна сумме оптических плотностей компонентов.

В классическом варианте проведения фотометрических исследований в проходящем световом потоке на выходе фотоэлектрического преобразователя формируется сигнал:

U=kSΦ0τ

где: k – коэффициент преобразования, учитывающий потери лучистой энергии в оптическом тракте; τ – коэффициент пропускания исследуемой среды; S – чувствительность фотоэлектрического преобразователя; Φ0 – поток, формируемый источником излучения.

Один из наиболее распространённых оптических методов в клинической практике является фотоплетизмография. Использование методов фотоплетизмографии основано на том, что при пропускании светового потока через биологическую ткань, содержащую кровеносные артериальные сосуды, оценка значения светового потока будет зависеть от толщины биологической ткани, внутренней структуры, размеров кровеносных сосудов и характеристик источника излучения.

При изменении размеров сосудов, пульсирующих в соответствии с периодами систолы, будет меняться степень поглощения светового потока, и пропорционально будет меняться уровень сигнала, регистрируемого фотоприемником.

Обобщенная структурная схема фотоплетизмографических средств

Современные системы пульсоксиметрии основаны на фотоплетизмографическом методе регистрации артериальной пульсации крови.

Фотометрические методы используются также при реализации капнометрии, заключающейся в измерении концентрации углекислого газа в выдыхаемой пациентом газовой смеси. Для этой цели используются газоанализаторы, массспектрометры и инфракрасные абсорбционные фотометры. Последние характери-

13

зуются невысокой стоимостью, простотой использования и удобства в эксплуатации.

В фотометрических капнометрах используется тот факт, что в спектре поглощения углекислого газа в инфракрасном диапазоне имеется два максимума – при длине волны 2,7 – 2,8 мкм и 4,3 мкм. Первый максимум выражен слабее и частично перекрывается спектром поглощения воды, которая в достаточно большом количестве содержится в выдыхаемом воздухе, поэтому на практике используется длина волны в 4,3 мкм.

Как правило, измерение абсорбции газовой смесью ИК-излучения производится попеременно для двух длин волн: первая длина волны является рабочей максимумом поглощения углекислого газа; вторая выбирается в области малого поглощения и используется для получения сигнала компенсации, уменьшающего погрешность дрейфа датчика, а также погрешность, вызываемую присутствием в выдыхаемой газовой смеси веществ, поглощающих ИК-излучение, в частности N2O, имеющего максимум спектра близкий к максимуму CO2.

Структурная схема капнометра с проточной измерительной камерой

СИН – стабилизированный источник питания; СД – излучающий светодиод; СлФ – селективный фильтр; СП – светоприемник; МК – микроконтроллер; М – монитор; Кл – клавиатура, БС – блок тревожной сигнализации; ИК – измерительная камера .

В данном варианте реализации капнометра используется основной поток газа, датчик устанавливается в эндотрахеальной трубке, находящейся непосредственно в дыхательном контуре пациента; так называемый поточный капнометр, работающий без пробоотбора. Скорость поступления анализируемого газа определяется скоростью выдоха пациента. Для защиты измерительной цепи от воды, содержащейся в выдыхаемом воздухе, измерительная ячейка с датчиком нагревается до

14

температуры 400С, то предотвращает конденсацию воды на стенках измерительной схемы.

4.2. Аппаратура для исследования механических свойств биообъектов

В качестве чувствительных элементов приборы данного типа используют датчики перемещения, ускорения, давления; производится измерения артериального давления, параметров пульсовой волны, характеристик органов дыхания, пищеварительной системы, механических проявлений деятельности сердца.

4.2.1. Инвазивное измерение давления и параметров пульсовой волны

Обеспечивается с помощью катетерных датчиков, которые вводятся в лучевую артерию. В такого рода датчиков используются малогабаритные мембраны, упругие деформации которых преобразуются в электрический сигнал с помощью чувствительных элементов. В качестве чувствительных элементов в датчиках давления крови различные типы преобразователей – тензометрические, емкостные, пьезоэлектрические, полупроводниковые, трансформирующие величину давления в изменение электрических характеристик – сопротивления, емкости или напряжения.

Датчик с помощью которого измеряется давление, может непосредственно вводиться в артерию или вену, или располагаться на другом конце катетера. Во втором случае катетер заполняется физиологическим раствором, при этом столбик жидкости передает колебания синхронно с колебаниями кровотока в сосуде к чувствительной мембране датчика.

При такой схеме построения на погрешность измерения давления будут влиять диаметр и длина катетера, плотность и вязкой заполняющей жидкости, эластичность трубки катетера, и наличие пузырьков в заполняющей жидкости. При непосредственном введении датчика в сосуд метрологические характеристики значительно улучшаются.

Надежностью и малыми размерами отличаются волоконно-оптические датчики давления. Они содержат два световода, расположенные внутри катетера. Один световод служит для передачи излучения от источника света на чувствительный элемент, второй соединен с фотоприемником, подключенным к измерительной схеме. Чувствительная к давлению мембрана устанавливается на кончике катетера. С изменением давления крови световой поток, попадающий в приемный свето-

15

вод, оказывается промодулированным по амплитуде, что и регистрируется с помощью фотоприемника.

Аппаратура прямого инвазивного измерения давления крови представляет собой измерительный канал, преобразующий электрический сигнал катетерного датчика, пропорциональный величине давления крови, в цифровую форму для дальнейшей обработки в мониторе. На рисунке показано: 1 – измерительный мост, 2 – источник тока, 3 – дифференциальный усилитель, 4, 5 – усилительные каскады переменно напряжения, 6 – мультиплексор, 7 – АЦП.

Чувствительный элемент датчика включен в измерительный мост 1, питаемый для снижения погрешности измерений от источника стабильного тока 2.

Структура тензометрического измерителя давления

Для усиления сигнала датчика до уровня, необходимого для использования полной шкалы АЦП, служат каскады 3, 4, 5. Дифференциальный усилитель 3 с частотной коррекцией для устранения помех, согласует мост 1 с последующими каскадами усиления. В усилителе 4 осуществляется установка нуля, необходимая при тарировке датчика.

Усилительный каскад 5 и мультиплексор 6 по сигналу управления от процессора осуществляют цифровую регулировку усиления сигнала давления для согласования амплитуды сигнала со входом АЦП 7. Для снижения динамической погрешности измерений усилитель 5 может быть охвачен частотно-зависимой цепью коррекции.

4.2.1. Аппаратура для исследования механических характеристик системы дыхания

Исследование функции внешнего дыхания заключается в определении показателей механики вентиляции легких – давление, объем легких, скорость их изменения.

Измерение показателей давления в дыхательной системе осуществляется с помощью специальных датчиков, конструкция которых аналогична датчикам инвазивного измерения АД крови. Разница заключается в том, что на чувствительную мембрану оказывает воздействие столб воздуха, а не жидкости. Каналы измерения давления воздуха являются составной частью аппаратов ИВЛ.

16

Измерение параметров, связанных с движением газов, несет важную информацию о состоянии дыхательной системы. Приборы, предназначенные для измерения объемной скорости газового потока называются объемными расходомерами. Объем, занимаемый некоторой массой газов при известных температуре и давлении, определяются спирометрами. Измерение объема легких чаще всего производится путем измерения объема газа, проходящего через выходное отверстие.

При построении измерительных систем, регистрирующих проходящие потоки газов, датчики располагаются перпендикулярно к потоку. При этом возможно два варианта построения конструкции: когда весь поток проходит через прибор и когда накапливается в нем.

Более точными измерителями являются пневмотахометры – устройства, использующие эффект сопротивления движущемуся воздуху, обеспечивающие линейную зависимость между потоком и падением давления воздуха.

4.2.2. Приборы для исследования механических характеристик сердца

Метод баллистокардиографии заключается в регистрации микроперемещений тела человека, возникающих при каждом сердечном сокращении. Баллистокардиограмму регистрируют с помощью чувствительных элементов с тела лежащего на спине человека.

Метод сейсмокардиографии заключается в регистрации с поверхности грудной клетки ускорений, связанных с сердечным сокращением.

Наиболее широко в медицине используются методы фонокардиографии, позволяющие анализировать шумы, создаваемые работой сердца, которые лежат в диапазоне частот от 10 до 800 Гц. Прослушивание тонов сердца с помощью фонендоскопа называется аускультацией.

Для автоматизированного анализа используют информационноизмерительную системы. В качестве датчиков при регистрации ФКГ используют микрофоны различных типов. При этом как правило используют контактные микрофон для улучшения чувствительности, используются электродинамические или пьезоэлектрические микрофоны.

Звуки, характеризующие работу сердца в норме, представляют собой короткие по длительности шумы. В то время как при патологии шумы длятся намного дольше. Тоны здорового сердца содержат низкочастотные гармоники без высокочастотных составляющие. При патологии, наоборот, присутствуют высокочастотные гармоники.

17

Наибольшую диагностическую ценность метод фонокардиографии показывает при синхронной записи и одновременной обработке ЭКГ сигнала.

4.3. Проблематика диагностики состояния организма

Центральным моментом анализа диагностических БТС является задача оценки информативности физиологических показателей, регистрируемых техническими звеньями БТС, относительно классифицируемых состояний (диагнозов), а также проблема разграничения и оценки состояний по выбранному комплексу значений показателей.

Формализованный алгоритм определения состояния (диагноза) может включать в себя логические правила (сопоставления), а также математические модели (вероятностные), повышающие надежность диагностических решений.

Логический анализ основан на клиническом методе, включающем определение набора качественных признаков состояния (симптом есть/нет) получение симптокомплекса и обоснование на основе базы знаний единственного или нескольких вероятных диагнозов. Для дифференциации диагноза используется методика дополнительных обследований.

Получаемые оценки учитывают известные статистические данные о частоте возникновения заболеваний и диагностической ценности отдельных симптомов. В бинарном варианте простейший Байесовский подход может быть представлен в виде:

P(xi) = p[ A2 (xi )] = p[xi ( A2 )] p( A2 ) p[ A1(xi )] p[xi ( A1 )] p( A1 )

где: P(xi) – правдоподобие; p[ Aj( xi )] – вероятность состояния Аj при наличии симптома xi; p[xi ( Aj )] – вероятность симптома xi при состоянии Аj, известна из ме-

дицинской статистики; p( Aj ) – априорная вероятность состояния Аj .

При независимых симптомах величина правдоподобия равна произведению отношений вероятность симптома xi при состоянии Аj

При оценке состояния в БТС наиболее часто возникает вероятностная задача оценки состояния по комплексу значений физиологических показателей. Разграничение состояний может быть проведено:

1. На основе сравнения величины одного или нескольких показателей с соответствующим пороговым уровнем. В этом случае надежно разграничиваются классифицируемые состояния, для которых пороговая область значений регистрируемых параметров не перекрываются. Например, состояние «опасности» при от-

18

клонении жизненно важных показателей сверх значений, при которых происходят патологические сдвиги: например, ЧСС > 240 уд/мин или < 40 уд./мин, SpO2<85%, и т.п.

Пороговый метод дает грубые оценки состояния, не позволяя прогнозировать развитие ситуации в динамике, следить за действием лечебных воздействий, определять направленность изменения состояния.

2.С помощью логических схем, дающих разбиения комбинаций значений показателей по классифицируемым состояниям.

3.С помощью формирования интегральной оценки, объединяющей информацию о значениях измеряемых показателей и позволяющей дать количественную меру приближения текущих значений параметров к отдельным классифицируемым состояниям. Интегральная оценка позволяет следить за изменением состояния в динамике и может быть использована для прогнозирования, оценки эффективности выбранных показателей с точки зрения информативности, оптимизации количества наблюдаемых физиологических показателей в БТС.

4.3.1. Логические схемы разграничения состояний

При использовании логических схем разграничения состояний оценивается степень приближения медико-биологических данных полученных при обследовании пациента и соответствующих данных для верифицированного диагноза.

Определение информативности регистрируемых показателей и степени разграничения классифицируемых состояний в результате логического анализа комплекса значений показателей может осуществляться методом обучающей выборки наблюдений.

В обучающей выборке данных разделение на классифицированные состояния (диагнозы) осуществляется по объективному критерию, не зависящему от наблюдаемых параметров. В клинической диагностике используются выборки наблюдений с верифицированным диагнозом.

Пример: создание диагностической системы для оценки состояния летчика при допуске его к полету

Классифицируемые состояния (диагнозы): покой (П), стресс (С). Основные требования к выбору регистрируемых физиологических параметров: малое время регистрации, неивазивность метода регистрации, информативность параметров в отношении классифицируемых состояний.

19

В качестве индикатора состояния выбирается сердечно-сосудистая система, как ведущая система организма, реагирующая на стрессорные раздражители. Параметры сердечно-сосудистой системы удовлетворяющие поставленным требованиям: величина ЧСС, определяемая путем обработки реограммы при малом усреднении; величины АДдиаст, АДсред, Адсист определяемые осциллометрическим методом; величина Тиз – время изгнания крови из левого желудочка сердца, определяемая путем обработки реограммы.

Гистограммы распределения значений показателей дают представление о разбросе данных для различных обследуемых в обучающей выборке (рисунок 4.2).

Гистограммы распределения значений ЧСС для двух состояний (покой – слева, стресс - справа) в обучающей выборке

При построении гистограммы весь диапазон изменения показателей (для обеих состояний) разбивается на ряд узких поддиапазонов, затем подсчитывается число случаев попадания значения показателя в каждый поддиапазон которое откладываются по вертикали.

Данные свидетельствуют, что ни один из показателей не обеспечивает полного разграничения состояний. Распределения накладываются друг на друга. Визуально трудно оценить относительную информативность показателей. Можно оценить информативность по возрастанию показателя d (разность средних значений) и уменьшению показателя (разность крайних значений показателя).

На основе анализа данных таблицы данных видно, что по критерию d/ показатели располагаются в следующем порядке: ЧСС, АДср, Тизг, АДmin, АДmax. Аналогичный результат может быть получен по t-критерию Стьюдента для оценки разности средних значений двух распределений.

Логический классификатор удобно пояснить, выбрав для рассмотрения два показателя. Возьмем наиболее информативные показатели ЧСС, АДср. Каждое наблюдение можно представить точкой фазовой плоскости состояния с координатами ЧСС, АДср.

20