Вопросы метрологии в задачах медико-биологической диагностики

УДК 615.47

Т.В. Истомина, Н.П. Ординарцева

ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ В ЗАДАЧАХ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ

ДИАГНОСТИКИ

Рассмотрены метрологические аспекты медико-биологических исследований и специфика свойств биологических объектов как объектов измерения.

Биологический объект; медико-биологические исследования; измерение; погрешность.

T.V. Istomina, N.P. Ordinartseva

METROLOGY SCIENCE REFERS TO TASKS OF MEDICAL-BIOLOGY

DIAGNOSTICS

Metrological aspects of medical-biological research and specific features of biological subjects as objects of measurement were given above.

Biological subject; medical-biological research; measurement; error.

Любой биологический объект характеризуется определённой электрической активностью, которая может быть как собственной (обусловленной возникновением трансмембранных потенциалов в процессе функционирования живых клеток организма), так и вызванной (обусловленной воздействием на организм внешнего электрического тока) [1]. Собственная энергетическая активность организма определяется электрической активностью отдельных клеток, взаимодействием между ними, а также структурой органов и происходящими в них процессами регуляции. Биомедицинская диагностика, связанная с исследованием электрической активности организма, получила значительное распространение в последнее время.

Исходная информация о параметрах объекта исследования содержится в параметрах исходящих от него «порождающих» полей, в то время как основной формой передачи, хранения, преобразования и обработки информации в технических системах является электрический сигнал [2]. Диагностика исследуемого биообъекта сводится к процессу формирования электрических сигналов как эквивалентов некоторого порождающего поля, последующей обработке полученного электрического сигнала и интерпретации полученной измерительной информации в медико-биологической трактовке. Качество любой измерительной процедуры, в том числе и качество медицинских измерений, определяется метрологическими характеристиками используемых технических средств и методик выполнения измерений. Этими характеристиками определяется достоверность получаемой диагностической информации и эффективность назначаемого лечения.

Процедура получения медико-диагностической информации показана на рис. 1. Она включает в себя получение измерительной информации первичным измерительным преобразователем (ПП) - Хвх пп. При этом отметим, что некоторые типы ПП, используемые в медико-биологической практике, могут включать длинные цепочки модификаций порождающего биообъектом поля до момента, пока не будет получен сигнал в электрической форме. Это приводит к появлению методических погрешностей получения первичного электросигнала ДметПП.

Однако биообъект, как объект измерения, имеет определённую специфику. Эта специфика проявляется в том, что порождающее поле исследуемого биообъек-

та изначально содержит искажения, обусловленные воздействием внешних и внутренних помех. Внешние помехи являются действием электромагнитных и гравитационных полей, окружающих биообъект и воздействующих на него. Внутренние помехи наводятся порождающими полями других внутренних органов диагностируемого объекта, которые, в свою очередь, также находятся под воздействием внешних электромагнитных и гравитационных наводок. Погрешности, обусловленные вмешательством в биосистему внешних и внутренних порождающих полей, прямым весом входят в суммарную погрешность медицинских измерений

(^внеш,; Двнуг)-

НС

Рис. 1. Процедура получения медико-диагностической информации: МБО - медико-биологический объект; ПП - первичный преобразователь; Хвх ПП - входной сигнал ПП; АметПП - методическая погрешность получении первичного электросигнала ПП; Лвнеш,, Лвнут - погрешности вмешательства в биосистему внешних и внутренних порождающих полей; Лг - дополнительная погрешность от температуры с учётом режима теплообмена объект - прибор; ЛИС - погрешность, вносимая измерительной схемой диагностической системы;

ЛПР - погрешность программной части диагностической системы

Внешние помехи могут включать перекрёстные помехи от влияния других измерительных каналов медицинской диагностической системы, что на рис. 1 отражено пунктиром.

Важным показателем в организации медико-биологических измерений является обеспечение контакта 1111 с биообъектом. Этот контакт является одним из главных источников возникновения специфических для этого вида измерений методических погрешностей. Конкретно эти погрешности могут проявляться не только во взаимном влиянии друг на друга средства измерения и биообъекта, но и в неточном выполнении процедуры измерения, изменяемости свойств самого объекта, в шумах, поступающих в измерительный канал диагностической установки. Так, как показано в [2] при измерении температуры тела в подмышечной впадине в зависимости от силы прижатия предплечья к грудной клетке, показания изме-

ренного значения температуры у одного и того же обследуемого человеческого тела могут меняться на 0,2 - 0,40С из-за того, что термистр при прохождении через него тока нагревается, а выделенное тепло удаляется с большей или меньшей легкостью зависимости от теплопроводности среды, окружающей чувствительный элемент. Дополнительную погрешность медицинских измерений, обусловленную не только воздействием температуры окружающего воздуха, но и режимом теплообмена объект - прибор следует рассматривать как отдельную составляющую общей дополнительной погрешности измерения Д. Так, с целью минимизации вмешательства в жизнедеятельность биосистемы и для оперирования с малыми уровнями отбираемой от биообъекта энергии, в устройствах экспресс-контроля температуры после контакта термочувствительного элемента с объектом измерения температуру элемента стабилизируют на уровне, равном нижнему пределу измерения температуры. Таким образом, теплопотери биообъекта сведены к минимуму, и тем самым минимизирована эта составляющая методической погрешности измерения [3].

Искажённая внешними и внутренними порождающими полями, контактом ПП с биообъектом, режимом теплообмена объект - прибор диагностическая информация преобразуется в измерительной части системы (ИС) с наложением на преобразуемую диагностическую информацию соответствующей погрешности (ДИс). Свой вклад в общую погрешность измерения вносит и программная часть диагностической системы (ПР) - ДПР.

Что касается выбора метода измерения биопараметра (однократного измерения или измерения с многократным наблюдением параметра), то на примере измерения артериального давления можно отметить следующее. Ввиду нестабильности артериального давления человека при его контроле целесообразно проводить два или три измерения, как отмечено в [4], и за результат принимать медиану. (От многократных измерений двукратные и трёхкратные измерения отличаются тем, что их смысла не имеет оценивать статистическими методами; и за оценку результата принимается медианная оценка как робастная.) В то же время существующие методики измерения артериального давления указывают на необходимость соблюдать не менее 5-минутный интервал между подобными измерениями с целью восстановления состояния человека. Но и в этом случае субъективная погрешность измерения может иметь место в силу индивидуальных особенностей восстановления организма каждого конкретного индивида. В таком случае эту субъективную погрешность следует отнести к разряду динамической погрешности, и, вообще, следует ли рассматривать измерение артериального давления, как, например, и многие другие виды медицинских измерений как динамические?

Проведённый метрологический анализ медико-биологических измерений позволяет выявить причины искажения диагностической информации.

Полученная диагностическая информация позволит принять одно из трёх решений:

1. Абсолютное здоровье по исследуемому виду диагностики.

2. Требуется регулярное медицинское наблюдение с целью не пропустить момент ухудшения состояния пациента.

3. Срочно требуется лечение.

Первое решение в дальнейшем рассмотрении не нуждается, остановимся на двух последних.

Вероятность второго решения обозначим Н2 (а - вероятность 1-го рода или уровень значимости гипотезы), соответственно Н3- вероятность третьей гипотезы (в - вероятность 2-го рода или мощность правила выбора решения).

Точный расчёт пороговых значений диагностируемой величины достаточно сложен, но, как показано в [5], приблизительные значения этих параметров могут быть получены с использованием теории последовательного анализа. Применительно к задачам медицинских измерений имеем следующие выражения:

Аз-о= с2/И2-Из1п

Ао-б= с2/И2-Из1п

где Аз-о, Ао-б - соответственно пороговые значения «здоров-обследовать» и «обследовать-болен» диагностируемого параметра, являющиеся линейными функциями общего числа наблюдений N с - среднее квадратическое значение исследуемого параметра. Статистика по параметру включает все рассмотренные выше погрешности медико-биологического измерения; N - объём медико-биологической статистики.

Рис. 2 иллюстрирует получаемую картину результатов диагностирования, которая разбита соответственно на три области.

Абсалкл:здоров

Треб.каБлкаден ия Вреда

'! Н2

У Треб, лене

/ / КЗ

Рис. 2. Возможные результаты диагностирования

Первую область было решено не рассматривать.

Вторая область представляет собой область пассивного планирования эксперимента, так как в этом случае не оказывается воздействия на объект, а осуществляется пассивный сбор информации и определение интервалов времени между моментами очередной диагностики. Окончание эксперимента зависит от каждой его стадии и от полученных предшествующих результатов.

Третья область представляет собой область активного планирования медицинского эксперимента, при которой в виде назначенного лечения производится активное воздействие на биообъект, и задача этого этапа планирования означает нахождение оптимальности лечебного воздействия.

Достоинство рассмотренного метода по сравнению с известными оценками состояния биообъекта - учёт фактора времени по мере прохождения медицинского лечения и оценка динамики исследуемого фактора нарастающим итогом. Рассмотренный метрологический анализ позволяет более объективно подходить к получаемой от биообъекта диагностической информации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Истомина Т.В., Киреев А.В., Истомина Е.В. Особенности измерения и интерпретации параметров ПЭС биологических объектов // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации: труды Международной научно-технической конференции. - Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ, 2008. - 174 с.

2. Попечителев Е.П. Методы медико-биологических исследований. Системные аспекты: Учебн. пособие. - Житомир: ЖИТИ, 1997. - 186 с.

3. Долгова И.А., Чувыкин Б.В. Способ экспресс-измерения температуры // Медицинская техника. - 2009. - №1. - С. 12-15.

4. Фридман А.Э. Основы метрологии. Современный курс. - СПб.: НПО «Профессионал», 2008 . - 284 с.

5. Вальд А. Последовательный анализ. - М.: Физматгиз, 1960.

Истомина Татьяна Викторовна

Пензенская государственная технологическая академия. E-mail: istom@mail.ru.

440605, г. Пенза, Пр. Байдукова/ул. Гагарина, д.1а/11, тел.: (8412)496155. Кафедра ИТММБС, зав. кафедрой, профессор, д.т.н.

Istomina Tatiana Viktorovna

Penza state technological academy. E-mail: istom@mail.ru.

1a/11, Bajdukova /Gagarina, Penza, 440605, Russia, Phone: (8412)496155. Head of department ITMMBS of PSTA, professor, Doctor of Science.

Ординарцева Наталья Павловна

Пензенская государственная технологическая академия. E-mail: nat@rclink.ru.

440605, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, д.1а/11, тел.: (8412)496155. Кафедра ИТММБС ПГТА, доцент, к.т.н.

Ordinartseva Natalia Pavlovna

Penza state technological academy. E-mail: nat@rclink.ru.

1a/11, Bajdukova /Gagarina, Penza, 440605, Russia, Phone: (8412)496155. Department ITMMBS of PSTA, associate professor, Cand. Eng. Sc.

УДК 621.391.26

А.В. Киреев

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ РЕШАЮЩИХ ФУНКЦИЙ: МЕТОД РАСПРЯМЛЕНИЯ

Предложен метод сокращения размерности пространства описаний, отличающийся гарантированной сходимостью и позволяющий выделить статистически независимые признаки. Дана оценка оптимальной степени сжатия данных.

Пространство описаний; репрезентативность; классификация; регрессия.