Методологические основы разработки медицинских диагностических систем

УДК 616.07

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ МЕДИЦИНСКИХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Б.И. ЛЕОНОВ*, Ю.Н. ОРЛОВ**

Профессионально ориентированное определение биообъекта, выделяя его основные характеристики, является основополагающей «ориентировкой» в исследовании или изменении состояния живого. Приведенное в статье определение, меняющее «списочный состав» живого, формирует идеологию направления в разработке медицинских диагностических систем.

Ключевые слова: биообъект, медицинские диагностические системы, разработка.

Как известно, биообъекты (обычно, живое, живые структурные единицы) являются частью материального мира. Однако при изучении биообъектов - они отделяются от множества других материальных объектов благодаря ряду приписываемых им исключительных свойств (структурной самоорганизации, увеличении объема информации, сохранении энергии, дискретности свойств и квантования энергетических переходов, устойчивому неравновесному состоянию, самовоспроизводству и т.д.). В биологии выделяют основные структурные уровни живого: биосферный, биогеоце-нотический, популяционно-видовой, организменный, клеточный, и в последние годы, молекулярный. Однако наименьшей структурной единицей живого при этом признается клетка [1].

Материальной основой живых систем являются шесть неорганических макроэлементов - органогенов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Органогены по количественному содержанию в организме (97,4% массы живого организма) относятся к макроэлементам и играют важнейшую роль в жизнедеятельности биообъектов, составляя основу углеводов, белков. Эти же макроэлементы в первую очередь ответственны за постоянство осмотического давления, ионного состава и кислотноосновного равновесия.

В состав неорганических микро- и ультрамикроэлементов, обнаруживаемых в организме, входят жизненно необходимые элементы (кальций, калий, хлор, натрий, цинк, марганец, молибден, йод, селен, сера, магний, железо, медь, кобальт), условно необходимые биоэлементы (фтор, кремний, титан, ванадий, хром, никель, мышьяк, бром, стронций, кадмий), а также элементы с малоизученной ролью (литий, бор, алюминий, германий, цирконий, олово, цезий, ртуть, висмут, торий, бериллий, скандий, галлий, рубидий, серебро, сурьма, барий, свинец, радий, уран). Микроэлементы, являясь основой ферментов, гормонов, витаминов и биологически активных веществ, поддерживают обмен веществ, процессы размножения, тканевого дыхания, обезвреживания токсических веществ, кроветворения, проницаемости сосудов и тканей.

Таким образом, в свете биологии весь макро- и микроэле-ментый состав организма (т.е. большинство элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева), признается всего лишь базовой материальной основой, на которой развивается вся последующая деятельность живого.

Логическая разобщенность в идее разделения материи на живую и неживую привела в свое время к введению примиряющего термина «биоэлементы», а в последнее время (применительно к атомам) - термина «атомовиты» [2]. Акцент на биотической роли неорганических элементов должен привести к коррекции в классификации и наименованиях болезней, обусловленной участием в их развитии отдельных атомов и химических элементов. Действительно, вслед за повышенным вниманием к элементному составу организма появился термин «элементозы», отражающий измененные состояния организма, связанные с нарушением нормального элементного состояния. Однако использование новых терминов решает лишь формальную, семантическую задачу, не вскрывая сущностной роли элементов тонкого мира.

Важно, что логический разрыв между структурными уровнями материи противоречит основным положениями современной научно-естественной картины мира [3].

В электромагнитную естественно-научную картине мира было введено понятие стабильных частиц - электрона, фотона, протона и нейтрино. Но стабильные элементарные частицы

- это исключение, а правилом микроуровня является нестабилъ-

* ООО «Экран»

ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники, Москва, Каширское шоссе, д. 24, стр.16

ность. Почти все элементарные частицы нестабильны - они могут спонтанно, либо при столкновениях превращаться в другие частицы. При столкновениях (которые могут быть приравнены к взаимодействию) в действительности происходит не расщепление частиц, а появление, рождение новых частиц. Их образование обусловлено необходимой энергией и информационными потоками сталкивающихся частиц. Взаимопревращаемость элементов структурных уровней формально может быть уподоблена самовоспроизводству в живой материи. В определенном смысле эволюция, взаимопревращаемость и самовоспроизводство подпадают под понятие движения.

Поскольку основным и исключительным объектом практической медицины является именно живой объект, ошибки, связанные с незавершенностью понимания живого, могут приводить к ошибкам в диагностике и к недостаточной эффективности лечения. Разработчики медицинской техники, обеспечивающие потребности практической медицины, также оказываются не ориентированными на разработку медицинских приборов и аппаратов, предназначенных для работы с живой материей на всех ее структурных формах. Это обосновывает попытку корректного определения живого на различных структурных уровнях организации материи.

Существенно различающееся понимание живого объясняет в большинстве случаев узкоспециальная профессиональная подготовка или конкретно поставленная, но достаточно узкая цель исследователей (физиков, кибернетиков, химиков, философов, и др.). Поэтому особую актуальность приобретает научная позиция разработчиков, ответственных за методологию развития медицинской техники для диагностики и терапии. Аргументированное и непротиворечивое определение живого, сформулированное для описываемой задачи, должно способствовать созданию или оптимизации новых методов и средств медицинского назначения.

Формулирование определения живого есть, по существу, установление и выделение наиболее общих характеристик его субстрата (структурного состава) и функций.

В соответствии с правилами систематики и классификаций, первым шагом в этом направлении является выделение исследуемого объекта из окружающей среды. С этой целью отметим наличие у всех известных живых объектов пограничной зоны, отделяющей их от окружающей среды. Этой границей является кожный покров у человека и животных, роговая чешуя - у рептилий, кора - у растений, мембрана - у биологических клеток, белковая оболочка - у вирусов и т.д. Кстати на атомномолекулярном уровне такой границей могут являться орбитали электронов.

Упомянутая граничная зона обладает особыми, хорошо изученными и описанными в биологии и биофизике свойствами. В первую очередь - это активный, управляемый обмен веществом и энергией с окружающей средой, обеспечивающий питание и термодинамику живого, защитные и другие функции [4]. С целью минимизации последующего определения биообъекта далее будем использовать понятие активной границы.

Установлению исключительных функций живого способствует понимание его высшей цели. Можно предположить, что высшей субъективной целью любой биологической единицы является выживание (иначе - зачем появляться на свет?). Однако ещё Ч. Дарвин отмечал, что закон выживания относится не столько к отдельным организмам, сколько к группам. Поэтому на первый план в целеполагании живому выдвигаются задачи, объективно заложенные сначала семьей, затем группой, обществом, государством.

Для иерархически главенствующей структуры - государства выживание также является высшей целью, однако сохранение особенностей государственной структуры находится в прямой зависимости от поддержания численности и идеологии населяющих его граждан, в частности - от стабильного (как минимум) и тождественного самовоспроизводства населения. Нетрудно представить перспективы сохранения государства, в котором смертность устойчиво превышает рождаемость. Поэтому признавая приоритет государства перед индивидом, будем считать генеральной целью индивида тождественное самовоспроизводство, рассматриваемое на государственном уровне в качестве основного механизма выживания. Подразумевается, что выживание как установка в жизнедеятельности индивидов (отдельных граждан) в этом случае в значительной степени корреспондируется государству.

Понятие тождественности в данном контексте имеет не математический, а логический смысл, при котором а ^ а (т.е. а влечет а), где а - любое высказывание, ^ - знак импликации. В соответствии с этой закономерностью можно утверждать, что любой наш знакомый изменяется с каждым годом, но мы всё же отличаем его от других знакомых и незнакомых нам людей, потому что он сохраняет основные черты, которые выступают как те же самые на всём протяжении своей жизни; растущее дерево не перестаёт быть знакомым нам деревом, хотя оно находится в состоянии непрерывного изменения, развития, и т.д. Тождественное самовоспроизводство есть основное целеполагание, определяемое государством в качестве высшей цели индивида.

Тождественное самовоспроизводство - это процесс обеспечения преемственности (идентичности в пределах рассматриваемого структурного уровня) между изначальными и вновь появляющимися (рождающимися) объектами, наблюдаемый на протяжении полного жизненного цикла. Для человечества тождественное самовоспроизводство - это не только факт физиологического рождения, но и воспитание, обучение, привитие трудовых, жизненно-полезных, военных и других навыков, формирование морали, идеологии и т.д. Тождественность самовоспроиз-водства поддерживается на всех структурных уровнях материи различными механизмами, а именно:

1) На ядерно-атомном уровне - дискретностью электронных уровней и квантованием энергетических переходов [5]. Этот механизм дискретности и квантования отчасти проявляется и на других структурных уровнях, вплоть до организменного.

2) На молекулярном уровне - химическим сродством и валентностью.

3) На клеточном уровне - передачей дискретных генетических признаков, безэнтропийным механизмом передачи генетической информации с помощью теломеразы [6].

4) На организменном уровне - мировоззренческой, идеологической, культурологической и социологической базой общества с развитой системой воспитания и обучения.

Использование термина «тождественное самовоспроизводство» является корректным при соблюдении определенных условий. Отличия, отмечаемые на различных структурных уровнях - не существенны. Это утверждение является основным правилом корректного сопоставления объектов, относящихся к любым структурным уровням.

Разновидности живого, относящиеся к различным видам, типам, классам, структурным уровням и т.д., безусловно обеспечивающие тождественное самовоспроизводство, различаются при этом индивидуальной функциональной программой. Упоминаемые в различных источниках другие функции живого (рост, развитие, коммуникативность, адаптация, и т.д.) состоят в причинно-следственных отношениях с тождественным самовос-производством.

Профессиональная принадлежность поставленной задачи, решаемой в рамках лечебно-профилактического учреждения, требует введения специальных граничных условий, при выполнении которых определение живого окончательно окажется однозначным и истинным. Таких условий будет два.

1. Определим рассматриваемый объект как естественный (не рукотворный) материальный объект природного пространства. Смысловое содержание этого граничного условия состоит в исключении из рассмотрения искусственно созданных объектов (человекоподобных роботов), виртуальных объектов (компьютерных вирусов), а также растений и животных с искусственно измененной наследственностью, не подразумевающей самовос-производства (бескосточковых растений, мулов и др.).

2. Так как особенность жизнедеятельности биообъекта на протяжении полного жизненного цикла может существенно изменяться (как, например, изменяется жизнедеятельность новорожденного, пациента, временно находящегося в состоянии комы и т.п.), состояние живого следует оценивать и квалифицировать интегрально, на протяжении всей продолжительности его существования.

В итоге получим следующее определение:

«Живое - это выделенный активной границей естественный материальный объект природного пространства, обеспечивающий выполнение тождественного самовоспроизводства и индивидуальной функциональной программы во время своего существования».

Близкие подходы в определении живого высказывался и ранее. Так, Л. Блюменфельд, при определении живого также выделял самовоспроизводство как основную функцию живого: «Живыми называются системы, способные к созданию информации, прямо или косвенно влияющие на их самовоспроизведение» [7]. Дж. Бернал более 60 лет назад ввел революционную для того времени трактовку живого, перенеся его функции с общепринятого клеточного на атомный структурный уровень: «Жизнь есть локализованная, непрерывная, прогрессирующая многообразная и взаимодействующая со средой самореализация электронных состояний атомов» [8]. Прямо или косвенно идею неразрывной живой материи поддерживала плеяда советских ученых - В. Вернадский, Н. Тимофеев-Ресовский [9] и др.

Применив приведенное определение, к различным структурным уровням организма, получим следующие результаты:

1) Из перечня живого исключаются системы, органы и ткани, признаваемые, как правило, живыми. Перечисленные структуры не подпадают под определение живого, поскольку не обеспечивают тождественного самовоспроизводства (например, сердце само себя не воспроизводит). Такие структуры живы ровно настолько, насколько живы клетки, их составляющие. И рассматривать эти структуры при исследовании или лечении следует как совокупности живых (!) клеток с различающимися индивидуальными свойствами. Эти совокупности в соответствии с известной классификацией получили наименование функциональных систем [10].

2) В перечень живого могут быть дополнительно включены ядра, атомы и молекулы.

Как известно, продолжительность существования различных ядер лежит в пределах от долей секунд до десятков и сотен лет. Для 80% всех известных ядер характерным этапом завершения их жизнедеятельности является ядерная реакция, которая может идентифицироваться как тождественное самовоспроизводство: ядро рождает ядро. Распад ядра может привести к появлению нескольких частиц, частиц с измененными характеристиками (массой и зарядом) [11], однако на рассматриваемом (ядерном) структурном уровне - ядро рождает ядро. Недостающие 20% ядер также причастны к процессу радиоактивного распада, но их продолжительность жизни оказывается сопоставимой или превышает продолжительность жизни человека, и поэтому процесс распада становится просто ненаблюдаемым. Таким образом, тождественное самовоспроизводство ядер означает появление новых элементов (ядер), относящихся к ядерному структурному уровню. Ядро рождает ядро, при этом различия в массе, заряде -не существенны! Аналогично, можно утверждать: атом рождает атом, молекула рождает молекулу, клетка рождает клетку, человек рождает человека.

Признание живыми ядер, атомов и молекул должно способствовать дальнейшему переводу процедур количественного и качественного исследования неорганики организма из физикохимических исследований в клинические задачи, оперативно решаемые непосредственно в учреждениях здравоохранения на уровне функциональной или лабораторной диагностики. Очевидно, что лишь оперативное, системное и полное обследование пациента на всех без исключения структурных уровнях может привести к достоверному диагностическому заключению, особенно - на ранних стадиях заболевания. Признание того факта, что онкологическое заболевание может оставаться не выявленным более десяти лет (а такие случаи описаны) - свидетельствует о недостаточной структурной глубине диагностики. Возможно, что принятие принципа неразрывности структурированного живого позволит перейти к более эффективному лечению трудно излечиваемых заболеваний.

Отечественная наука обладает инновационным научнотехническим потенциалом в области физических и химических исследований, позволяющих решать медицинские задачи различной степени сложности.

Среди таких решений можно назвать спектральный анализ, основанный на исследовании спектров испускания либо поглощения и классифицируемый по типу объекта (элемент, изотоп, молекула, структура), по специфике метода (эмиссионные, абсорбционные, комбинационные, люминесцентные, рентгеновские, радиоспектроскопические), по виду получаемых результатов (качественные, приближенные, количественные), по способу регистрации (визуальные, фотографические, фотоэлектрические, термоэлектрические) и т.д.

Необходимость исследования изотопного состава связана с тем, что неодинаковые атомные веса изотопов обуславливают изменения ряда характеристик - плотности, вязкости, коэффициента диффузии и др. В свою очередь, изменение масс изотопных атомов вызывает изменение уровней поступательной, вращательной и колебательной энергии молекул при их изотопном замещении, что приводит к различию колебательно-вращательных спектров изотопных соединений на уровне макромолекул. Изотопный состав и особенности живого на ядерном, атомном и молекулярном уровнях изучаются с помощью электронного парамагнитного резонанса, ядерного магнитного резонанса. В последние годы разработаны научные основы метода КВЧ-диагностики, в основе которой лежит модуляция электромагнитного поля биообъекта крайне высокочастотным излучением [11].

Список инновационных методов и средств исследования элементного состава - постоянно растет, однако перевод физических и химических исследований в разряд общепринятых медицинских технологий, их оптимизация, повышение чувствительности и специфичности, встраивание в линейку стандартных диагностических технологий, а также выпуск соответствующих средств измерения медицинского назначения и их метрологического обеспечения потребуют усилий большого отряда специалистов. Некоторые из выше перечисленных направлений работ планируется развивать в рамках Академии медико-технических наук.

Литература

1. Веретъяное, В.Ю. Общая биология. Учебник для 10-11 кл. общеобразовательных учреждений / В.Ю. Веретьянов// под. ред. М.Г.Заречного.- М.: Св.-Троицкая Сергиева Лавра, 2005.- 352 с.

2. Биоэлементология. Основные понятия и термины. Терминологический словарь. Рекомендовано к изданию Редакционно

- издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Оренбургский государственный университет” / А.В. Скальный [и др.].- Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005.- 50 с.

3. Михайлов, Л.А. Концепции современного естествознания / Л.А. Михайлов.- СПб.: Питер, 2008.- 336 с.

4. Волъкенштейн, М.В. Биофизика / М.В. Волькенштейн.-М.: Наука, 1988.- 592 с.

5. Ситъко, С.П. Физика живого - новое направление фундаментального естествознания / С.П. Ситько//Вестник новых медицинских технологий.- Тула.- 2001.- Т. VIII.- №1.- С.5-8.

6. Блюменфелъд, Л.А. Проблемы биологической физики / Л.А. Блюменфельд.- М.: Наука, 1977.- 366 с.

7. Курашов, И. Познание природы в интеллектуальных коллизиях научных знаний // И. Курашов.- М.: Наука, 1995.- 282 с.

8. Тимофеев-Ресовский, Н.В. Генетика, эволюция, значение методологии в естествознании. Лекции, прочитанные в Свердловске в 1964 / Н.В. Тимофеев-Ресовский.- Екатеринбург: Ток-мас-Пресс, 2009.- 240 с.

9. Судаков, К.В. Основы физиологии функциональных систем / К.В. Судаков.- М.: Медицина, 1983.- 211 с.

10. Мартинсон, Л.К. Квантовая физика / Л.К. Мартинсон, Е.В. Смирнов.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.- 496 с.

11. Нефедов, Е.И. Современная биоинформатика / Е.И. Нефедов, Т.И. Субботина, А.А. Яшин. - М: Горячая линия - Телеком, 2005.- 272 с.

METHODOLOGICAL BASES OF WORKING OUT OF MEDICAL DIAGNOSTIC SYSTEMS

B.I. LEONOV, YU.N. ORLOV

Public Corporation”Ekran”

All-Russia Research and Test Institute of Medical Engineering, Moscow

The professionally focused definition of bio-object, allocating its basic features, is a basic "orientation" in researching or changing the condition of alive being. The definition offered in this article changing the “list structure” of alive being, forms the ideology of a trend in working out medical diagnostic systems.

Key words: bio-object, medical diagnostic systems, working out.

УДК 159.9

СТАБИЛОМЕТРНЯ У МОЛОДЫХ: ОТ БИОМЕХАНИКИ К ПСИХОЛОГИИ

Ю.Л. ВЕНЕВЦЕВА, М.Н. КУНИЦА, А.Х. МЕЛЬНИКОВ*

У 110 детей 7-15 лет (средний возраст 12,0 лет у девочек и 12,4 года у мальчиков) до и после комплексного курса немедикаментозной реабилитации по поводу синдрома вегетативной дисфункции проведена стабилометрия и психологическое тестирование, обнаружившее тесные взаимосвязи.

Ключевые слова: стабилометрия, биомеханика, психология, дети.

Поддержание постуральной устойчивости является динамическим процессом, в котором участвуют разные функциональные системы организма, в том числе зрительная, вестибулярная, проприоцептивная, соматосенсорная. Современным методом исследования механизмов постуральной организации является стабилометрия, которая в клинике используется преимущественно у пациентов с серьезными нарушениями, например, для анализа эффективности реабилитации пациентов с детским церебральным параличом [1], с вестибулярными расстройствами [2], у детей с синдромом дефицита внимания и гиперактивности [3].

Синдром вегетативной дисфункции (СВД) в настоящее время в педиатрии является одним из самых распространенных диагнозов. Распространенность вегетативных дисфункций у детей и подростков в популяции колеблется от 29,1% до 82% [4].

В недавних исследованиях показано, что стабилометрия, являясь глобальной характеристикой баланса тела, может использоваться как неспецифический индикатор функционального состояния нервной системы [5,6], однако работы, изучающие влияние психоэмоциональной напряженности на параметры стабило-граммы у детей, пока немногочисленны [7,8].

Цель исследования - изучение взаимосвязи показателей стабилометрии с данными психологического статуса у детей и подростков.

Материалы и методы исследования. 110 детей (61 девочка, средний возраст 12,0±0,23 года и 49 мальчиков, средний возраст 12,4±0,27 года) находились на стационарном лечении в Тульской областной детской больнице по поводу СВД в сочетании с нарушениями других органов и систем. Кроме стабилометрии (МБН, Москва), им провели психологическое тестирование, включающее цветовой тест М.Люшера (ЦТЛ, 8-цветовой ряд с оценкой позиций 8 цветов по А.Х.Мельникову [9]; рисуночные тесты «Дом. Дерево. Человек» и «Несуществующее животное», а также измерение длительности индивидуальной минуты по Н.И.Моисеевой (1986).

Комплексная немедикаментозная реабилитация на базе Центра восстановительной медицины включала: ЛФК и механотерапию в тренажерном зале, массаж, БОС-дыхание, бальнеотерапию (жемчужные, пенистые, вихревые, хвойные, хлоридно-натриевые ванны, подводный душ-массаж, лечебное плавание, саунатерапию) и галотерапию. Сочетанное воздействие на сенсорные системы оказывалось с помощью бесконтактной ванны «Hydro Jet», реабилитационной капсулы «Сан Спектра-9000™» и сенсорной комнаты. Комплекс реабилитационных мероприятий составлял в среднем 14 дней.

Статистическая обработка проведена с использованием критерия Стьюдента и методом корреляционного анализа с оценкой достоверности коэффициентов корреляции по П.К. Рокицко-му (1967).

Результаты и их обсуждение. Поводом для назначения комплексной немедикаментозной реабилитации послужил СВД, выявляемый у 95% детей и сопровождавшийся головными болями, утомляемостью, неустойчивостью настроения, нарушением сна, кардиалгией и головокружением (у 20%).

Данные стабилометрии до и после курс лечения приведены в табл. 1.

Не найдено достоверных среднегрупповых (без разделения по возрасту) различий между девочками и мальчиками по всем проанализированным параметрам: положении центра давления (X и Y), его девиациях по фронтальной (х) и сагиттальной (y) оси, длине (L) и площади (S) стабилограммы, а также скорости (V) перемещения ЦД. Были одинаковыми также показатели спек-

* Медицинский институт, «Тульский государственный университет», 300028, Тула, ул. Бодина, д. 128