Особенности медицинских измерений

В медико-технических приложениях используется термин «межеранд» (measurand), который обозначает то, что система измеряет: физическую величину, свойство или состояние. Доступность измеряемой величины является важным обстоятельством, поскольку она может быть связанной с физическими процессами внутри организма (кровяное давление), на поверхности тела (ЭКГ), а также вне его (инфракрасное излучение). Кроме того, источником сигнала может быть извлечённый из тела образец ткани (например, проба крови или биопсийный материал). Наиболее важные межеранды, измеряемые медицинскими приборами, могут быть сгруппированы по следующим категориям: биопотенциалы, давление, поток, размеры (визуализация), перемещение (скорость, ускорение, сила), импеданс, температура, концентрации метаболитов. Каждый межеранд можно связать с определённым органом или с анатомической структурой.

Многие важнейшие параметры живой системы недоступны для непосредственного измерения, поскольку невозможно «подключить» сенсор без повреждения живого органа. В отличие от многих сложнейших физических систем, в биологической системе зачастую невозможно «выключить» или «отсоединить» составную часть, что было бы необходимым для стыковки сенсора и объекта измерения. Даже в тех случаях, когда можно защитить процесс измерения от помех со стороны некоторых органов (например, отфильтровать сигналы ЭКГ при измерении миограммы), слишком большие размеры многих сенсоров не позволяют подсоединить их к объекту измерения. В таких случаях недоступные для непосредственного измерения величины могут быть измерены косвенно. При измерении сигналов в условиях помех необходимо корректировать полученные данные — например, с помощью их фильтрации или иных способов математической обработки при анализе данных. Примером косвенного измерения является ЭКГ, при регистрации которой нет возможности расположить электроды непосредственно на сердце.

Практически все биомедицинские измерения связаны с подводом энергии к живой ткани — либо от специализированного источника, либо от сенсора. При рентгеновском анализе, ультразвуковой визуализации и доплеровских ультразвуковых измерениях скорости кровотока используют внешние (отдельные от сенсора) источники энергии, которые воздействуют на живую ткань. Довольно трудно определить безопасный уровень энергии, подводимой к организму при подобных измерениях, поскольку механизмы повреждения и восстановления тканей изучены недостаточно. Особо уязвимым следует считать утробный плод на ранних стадиях развития. Необходимо следить за тем, чтобы не перегреть биологическую ткань, поскольку даже обратимые физиологические процессы, вызываемые перегревом, могут ухудшить результаты измерений. Удивительно, что даже небольшие потоки энергии способны вызывать повреждения на молекулярном уровне.

Работа приборов в медицинском учреждении накладывает на них дополнительные ограничения. Оборудование должно быть надёжным, лёгким в работе, устойчивым к физическим нагрузкам и к действию коррозийных реагентов.

Таблица 1.2 показывает диапазоны частот и амплитуд типичных физиологических параметров. Эти диапазоны перекрывают как нормальные, так и патологические значения соответствующих величин. Значения большинства измеряемых в медицине величин существенно меньше величин, измеряемых в быту и на производстве. Например, напряжения измеряются в диапазоне микровольт. Физиологический диапазон давлений также невелик (около 100 мм рт. ст. = 13,3 кПа).

Таблица 1.2

Медицинские и физиологические параметры некоторых межерандов.

Обратите внимание, что все приведённые в таблице 1.2 сигналы принадлежат к области звуковых частот, причём некоторые из них имеют постоянную составляющую и весьма низкочастотные компоненты. Эти свойства физиологических сигналов оказывают самое непосредственное влияние на проектирование медицинского прибора.