1 Системный анализ и принятие решений Лекция 12 Особенности биологического объекта как объекта исследований. Коробов Александр Сергеевич

2 Особенности организма, как объекта исследований Вследствие большой морфологической и функциональной сложности биологического организма в нем возможно наличие большого количества возможных состояний. При этом на него непрерывно воздействуют различные физические и психические факторы, вызывающие активацию и ответную реакцию тех или иных подсистем регулирования. Поэтому поведение организма, подвергшегося физическому воздействию одного и того же уровня в разные моменты времени, носит вероятностный характер. Точный учет самих воздействующих факторов и получаемых при этом результатов обычно невозможен. Последнее особенно сильно касается психофизиологических факторов, количественная оценка которых затруднена.

3 Особенности организма, как объекта исследований (продолжение) При оценке состояния организма в полном объеме необходимо использовать все методы и измерительные операции, известные в технических науках. Это следствие того, что в организме есть все то, что мы знаем об окружающем нас мире, а также много такого, о чем мы пока даже не догадываемся. Он является –химическим заводом огромной сложности –генератором энергий, частным видом которой является электрическая –источником излучений, находящихся в полосе частот от инфранизкочастотного до оптического диапазонов, а может быть и до рентгеновского, что пока еще не установлено. В организме использованы все принципы, которые изучаются в физике, механике и других технических науках. Из-за большого количества параметров, характеризующих биологическую систему, затруднена возможность их одновременного фиксирования.

4 Методы оценки физических параметров и характеристик организма Все методы можно разделить на две группы: –неинвазивные; –инвазивные. При неинвазивных методах во время выполнения измерительных операций целостность кожного покрова не нарушается. Получение информации с помощью инвазивных методов связано с нарушением целостности поверхности биологического организма.

5 Общая характеристика физических параметров биологического организма Вокруг и внутри биологического объекта при его жизнедеятельности всегда имеются физические поля, которые недостаточно изучены. Их распределение в пространстве и изменение во времени несут важную информацию о состоянии биологического организма. Известно, что любые тела, температура которых не равна абсолютному нулю, излучают электромагнитные волны всех длин. Биологический объект как любое физическое тело является источником равновесного электромагнитного излучения. Для тела с температурой 300 К тепловое излучение наиболее интенсивно в инфракрасном диапазоне длин волн. Радиоизлучение человеческого тела зарегистрировано в сантиметровом и дециметровом диапазоне длин волн. Излучение в этой области частот позволяет оценить температуру глубинных структур биологического организма, так как оно приходит из этих слоев.

6 Электрические поля Для биологического организма характерно наличие сравнительно низкочастотных электрических полей. Они, как правило, характеризуют функционирование отдельных органов и функциональных систем. Низкочастотные электрические поля в значительной степени экранируются высокопроводящими тканями биологического объекта с неоднородным распределением электрической проводимости. Причем обычно можно выделить квазистатический электрический заряд, имеющийся на определенном участке поверхности, и заряды, изменяющиеся синхронно с изменением свойств определенного органа или системы при его функционировании. Спектр переменных сигналов, характеризующих функционирование органов и систем, лежит в полосе частот от инфранизких до 1-2 кГц. Они регистрируются при проведении электрокардиографии, электроэнцефалографии и пр. Основная часть приборов для функциональной диагностики основана на измерении разности переменных потенциалов, имеющихся между участками на кожном покрове

7 Акустические волны Человеческий организм хорошо прозрачен для акустических волн с частотами до нескольких десятков МГц. Поэтому информацию о состоянии объекта несут акустические сигналы, выходящие из глубины организма. Прослушивание организма в инфразвуковом диапазоне даст важную информацию о механическом функционировании внутренних органов, мышц и т.д. Высокочастотные акустические сигналы создаются источниками, которые могут функционировать даже на клеточном или молекулярном уровнях. При акустических исследованиях возможно получение хорошего пространственнрго разрешения, так как длина акустической волны намного меньше, чем электромагнитной волны той же частоты.

8 Магнитные поля Вокруг биологического организма имеются магнитные поля. Они вызваны следующими факторами: –ионными токами, протекающими в клетках и организме в целом; –мельчайшими ферромагнитными частицами, попавшими или специально введенными в организм; –неоднородностью магнитной восприимчивости, имеющейся у различных органов, что приводит к искажениям наложенного внешнего поля.

9 Динамика картины измерений Параметры излучения модулированы "процессами", происходящими в диагностируемом организме. Поэтому физические поля Изучают при тесной их привязке к быстро меняющимся параметрам, характеризующим психофизиологическое состояние и работу подсистем регулирования, обеспечивающих гомеостаз. Дополнительную сложность вызывает то, что биологический объект представляет собой систему с существенно неоднородными, нестационарными распределенными параметрами. Поэтому картина физических электромагнитных полей вокруг и внутри них непрерывно меняется.

10 Примеры измеряемых параметров биологических тканей пассивные электрические свойства тканей: электропроводность; электрическое сопротивление; импеданс; электрическую емкость; комплексную диэлектрическую проницаемость и ее составляющие; активные электромагнитные характеристики органов, тканей клеток: биоэлектрические потенциалы; электрические токи и их плотность; электрические заряды; параметры электрического и магнитного полей; параметры и характеристики излучений в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра; пассивные оптические свойства тканей: коэффициенты поглощения и их спектральные значения; оптические плотности; коэффициенты отражения; коэффициенты пропускания и их спектральные значения; пассивные магнитные свойства биологических тканей механические свойства тканей: плотность (объемная масса); удельный вес; вязкость; механическое напряжение; относительные деформации; модуль и коэффициент объемного сжатия; модуль продольной упругости; твердость; параметры, характеризующие подвижность органов и частей тела; пассивные акустические свойства и акустические излучения организма: скорость продольных и поперечных волн; акустическое сопротивление и др.; пассивные теплофизические свойства: теплоемкость; коэффициент теплопроводности и его температурная зависимость; - биофизические параметры дыхания: парциальное давление; растворимость и коэффициент растворимости; минутный объем дыхания и др.

11 Потенциально полезные для измерения физические эффекты Кроме перечисленных, для биологического организма, его тканей и жидкостей характерно наличие ряда физических явлений, которые еще ждут своего практического применения, например: эффект Холла; эффект Кикоина-Носкова (фотомагнитный эффект, возникновение ЭДС под действием света при наличии магнитного поля, которая направлена перпендикулярно направлениям распространения света и магнитного поля); эффект Коттона-Мутона (превращение оптически изотропного вещества в оптически анизотропное под действием сильного внешнего магнитного поля); эффект Фарадея (приобретение оптически неактивным веществом способности вращать плоскость поляризации электромагнитной волны (света) под действием магнитного поля); эффект Керра (превращение оптически изотропного диэлектрика в оптически анизотропный при наложении сильного электрического поля); эффект Зеебека (возникновение ЭДС на концах электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, имеющих разную температуру); эффект фотопроводимости (изменение электрического сопротивления под влиянием электромагнитного излучения (света)); фотомеханический эффект (изменение механических свойств (вязкости) под влиянием света); и многое др.

12 Сложность измерения показателей организма Измерения параметров биообъектов достаточно сложны. Это обусловлено: –малыми абсолютными значениями измеряемых величин; –большими значениями внутренних шумов, обусловленных одновременной работой многих подсистем; –большими значениями внешних помех и наводок; –сложностями с надежной фиксацией измерительных преобразователей и определением их точного местоположения; –нестабильностью и нестационарностью результатов, получаемых с помощью измерительных преобразователей; –недостаточно хорошей воспроизводимостью результатов, получаемых с помощью одной и той же аппаратуры. Из-за вышеперечисленных обстоятельств чисто технократический подход, при котором плохо учитываются свойства объекта измерений, не всегда приемлем для решения задачи создания технических средств для проведения диагностических исследований.

13 Сложность измерения показателей организма (продолжение) Для биологических организмов характерна изменчивость и индивидуальность параметров и показателей и, даже на групповом уровне, их зависимость от национальных, возрастных, генетических и климатических особенностей. Поэтому приходится всегда описывать свойства группы, в которой проводятся исследования одних и тех же проявлений. Для установления каких-либо закономерностей в медицине широко применяются методы математической статистики. Это обусловлено тем, что из-за субъективности и многофакторности получаемых результатов установить объективные закономерности можно только после математической обработки достаточно большого массива статистического материала. Получение его часто затруднительно, так как некоторые биологические процессы по длительности соизмеримы с продолжительностью существования биологической системы. И даже в случаях, когда определение интересующего параметра или показателя можно выполнить очень быстро, набор статистического материала, его осмысливание, с целью установления объективных закономерностей, занимает значительные промежутки времени.

14 Сложность анализа показателей организма Измеренные и зарегистрированные параметры и показатели определяют состояние системы существенно неоднозначно. Это есть следствие того, что состояние равновесия системы (индивидуальная норма) может обеспечиваться при разных величинах определяющих параметров, которые взаимосвязаны между собой. На сегодняшний день не разработаны эффективные математические модели, позволяющие адекватно характеризовать состояние организма по значениям отдельных физических параметров. Интерпретация полученных результатов затруднена в связи с тем, что патологические явления, возникающие или проявляющиеся в тех или иных подсистемах, могут влиять через высшие уровни управления на всю систему, изменяя характер процессов в ней.

15 Сложность моделирования управляющих воздействий Из-за отсутствия количественных характеристик состояния и функций биологической системы, затруднительно предсказать результаты внешних воздействий, которые для организма являются факторами, возмущающими его гомеостаз. Это относится и к тем случаям, когда воздействия претендуют на роль управляющих и должны вызвать определенную реакцию организма. Неоднозначность реакции на один и тот же набор физических воздействий, а также воздействий, осуществляемых на разные уровни иерархии, указывает на то, что биосистемы по своей сущности нестационарны. Из-за нестационарности системы и наличия множества подсистем управления, взаимосвязанных между собой, для получения достоверной информации требуется значительное время наблюдения (время эксперимента).

16 Рекомендации по измерению показателей организма Исследования состояния биологических систем целесообразно проводить в условиях их реального существования. Для установления влияния отдельных факторов на жизнедеятельность организма, исследования иногда выполняются в условиях, существенно отличающихся от встречающихся в обычной жизни (в условиях невесомости, ограниченности подвижности, наличия повышенной или пониженной температуры окружающей среды, влажности, ионизирующих или электромагнитных излучений, освещенности и т.д.). Для получения информации о многообразных процессах в организме приходится проводить комплексные исследования. При формировании программ их проведения используются разнообразные по длительности и природе процедуры, применяются разнородные по принципу действия измерительные преобразователи, разнообразные методы тестовых воздействий на организм и выявления реакций на них биологических организмов.

17 Взаимодействие организма и измерительной аппаратуры Как правило, при инвазивных и неинвазивных методах не удается полностью избежать взаимодействия биологического организма и измерительного преобразователя. В ответ на "подключение" измерительного преобразователя в организме возникают ответные реакции, которые "изменяют" его состояние. Поэтому все измеряемые параметры характеризуют не только состояние организма, но и его реакцию на внешнее возмущение, созданное измерительным преобразователем. Взаимодействие присутствует всегда, и степень его влияния для разных преобразователей различается только уровнями вносимых внешних возмущений. При любых измерительных операциях невозможно определить те параметры и показатели, которые характерны в данный момент времени для биологического организма. Все получаемые результаты зависят от состояния организма и его взаимодействия с измерительными преобразователями, с помощью которых получают измерительную информацию.

18 Рекомендации разработчикам измерительной аппаратуры Из этого следует важный для разработчиков медицинской аппаратуры вывод: если при выполнении операций получения информации о свойствах биологического объекта невозможно избежать взаимодействия между биообъектом и измерительным преобразователем, то для обеспечения однозначности и воспроизводимости получаемых результатов, а также для установления "видовой нормы" на измеряемый параметр, аппаратуру необходимо выполнять так, чтобы уровень вносимого внешнего возмущения не зависел бы от индивидуальных свойств конкретного организма. Только при неизменном значении возмущающего воздействия, вносимого измерительным преобразователем, можно надеяться на воспроизводимость получаемых результатов. Поэтому данные о количественных значениях тех или иных параметров, без сведений о том, с помощью какой аппаратуры они получены, не являются достаточно информативными и не подтверждаются при измерениях с помощью другой аппаратуры.

19 Классификация измерительных технических средств Технические средства, используемые в медицине, несколько условно и грубо можно разбить на три группы: 1.технические средства для проведения функциональной диагностики при использовании которых оцениваются статические и динамические показатели и их изменения при воздействии дозированными пробами определенного вида; 2.технические средства для анализа выделений организма и его субстанций, полученных в результате проведения, в том числе и травматических операций. Как правило, они используются для выявления наличия патологии и установления факта и характера заболевания; 3.технические средства для анализа изменений свойств или показателей, возникающих вследствие медленно идущих процессов нарушения гомеостаза. Из-за многообразия показателей, параметров и характеристик у живого организма, наличия взаимного влияния между ними и неясностей относительно их значений и "коридоров" их возможных отклонений мнения относительно их важности расходятся. Поэтому оценки, сделанные по результатам исследований одного и того же органа или функциональной системы, проведенных разными методами, не всегда коррелированны между собой.

20 Методы функциональной диагностики При диагностических исследованиях биологического организма с помощью технических средств наибольшее значение отводится методам функциональной диагностики. Функциональными методами исследования называется группа специальных методов, используемых для характеристики функций организма человека. Основным приемом, характерным для них, является сопоставление состояния функции в условиях минимума предъявляемых к ней требований с состоянием в условиях предъявления к ней определенных повышенных требований или нагрузки.

21 Определение состояния функции организма Определение состояния функции заключается в оценке ее полноценности. Это есть следствие того, что затруднительно количественно охарактеризовать качество функционирования объекта с помощью конкретного значения параметра или "коридора" его возможных значений. Под недостаточностью функции понимается такое ее нарушение, в результате которого функция системы может осуществляться за счет компенсации или возмещения этого нарушения со стороны сохранившихся элементов осуществляющей ее системы или со стороны других систем. Если система обнаруживает неспособность отвечать на предъявляемые требования должной реакцией, ее функции признаются недостаточными.

22 Формы физиологического покоя Различают две формы физиологического покоя: –покой, как минимум физиологической функции (достичь на практике достаточно сложно); –оперативный покой, то состояние, которое имеется при отсутствии ощутимых внешних воздействий. На практике обычно оцениваются изменения функции от уровня оперативного покоя. При функционально диагностических исследованиях с помощью технических средств результаты, полученные в лабораторных исследованиях, не вполне совпадают с результатами наблюдения той же системы в привычных производственных или домашних условиях.

23 Шумы при измерении При проведении измерительных операций на получаемый информационный сигнал всегда накладываются сигналы наводок (помех) и шумов. Шумы характерны как для измерительной аппаратуры, так и для объекта измерений. Под шумами будем понимать те сигналы, которые появляются на выходе вследствие особенностей функционирования и параметров измерительной аппаратуры, а также вследствие работы других подсистем и наличия процессов в организме, в результате которых возникают сигналы, не имеющих прямого отношения к определяемым показателям или характеристикам. В медицине шумы организма, вызванные процессами, не имеющими прямого отношения к определяемым параметрам или характеристикам, называют влиянием артефактов. Очень часто трудно различить между собой шумы объекта и сигналы, появившиеся вследствие взаимодействия с ним чувствительного элемента измерительного преобразователя. Вследствие этого, даже располагая аппаратурой с гарантированными метрологическими характеристиками, нельзя с полной уверенностью утверждать, что погрешность результатов измерений не превышает значений, нормированных для технического измерительного средства.

24 Особенности использования различной аппаратуры Для того чтобы можно было сравнивать между собой результаты, полученные с помощью технических средств, выпускаемых отдельными фирмами, необходимо провести унификацию параметров чувствительных элементов. Под этим понимается одинаковый характер их взаимодействия с объектом измерения и идентичность внешних возмущений, вносимых в объект при выполнении измерительных операций. Так как это пока не сделано, то исследователи, применяющие разную аппаратуру одинакового назначения, получают у одного и того же объекта, находящегося в одинаковом состоянии, существенно различные результаты. При этом оказывается совершенно недостаточной гарантия на значения метрологических характеристик измерительной аппаратуры. Из-за разного взаимодействия чувствительных элементов с объектом, полученные при измерениях результаты могут существенно различаться. Для ряда измерительных средств пока не созданы качественные эталоны или образцовые меры, по которым можно было бы вести поверку и калибровку средств измерений. Поэтому достоверность многих биофизических измерений не достаточно высокая и их результаты используются врачом как дополнительные, при диагностической оценке состояния пациента.

25 Измерение проб Кроме функциональной диагностики, технические средства широко используются при анализе выделений из биологического организма и проб, взятых из него. К числу выделений можно отнести мочу, выдыхаемый воздух, кал и пот, т.е. те субстанции, которые могут быть получены без травматических воздействий на биологический организм. Получение проб, подвергаемых исследованиям, связано с проведением травматических операций, например, забор крови, взятие проб мозга, в результате проведения пункции, соскобы ткани кожи, эпителия и пр. Анализ продуктов выделений организма и проб чаще всего проводится химическими методами, которые в настоящее время дополняются техническими средствами, позволяющими автоматизировать процессы получения требуемой информации.

26 Измерение квазипостоянных показателей Ряд технических средств позволяет проводить непосредственную оценку тех показателей организма, которые остаются квазипостоянными в течение значительных промежутков времени. При этих исследованиях оценивается не функциональное состояние систем организма, а выявляются результаты процессов, которые идут достаточно долго. Эта группа приборов реализует методы оценки квазистатических показателей и позволяет выявить приборно различимый факт отклонений от нормы функционирования организма, направленного на поддержание его гомеостаза. К этой группе технических средств можно отнести рентгеновские приборы, позволяющие установить наличие изменений в органах и тканях по степени пропускания ими рентгеновского излучения; ультразвуковые сканеры, с помощью которых устанавливают наличие неоднородностей, от которых отражаются акустическая ультразвуковая волна, ЯМР (ядерно-магнитный резонанс), томографы и др.