8.2. Диагностическая информация, получаемая при биофизических исследованиях.

8.2.1. Характеристика медико-биологических показателей и физиологических процессов

Медико-биологические показатели и физиологические процессы, характеризующие состояние организма, можно рассматривать совместно, так как они фиксируются с помощью одной группы методов – физиологических методов исследования.

Сам по себе результат оценки того или иного параметра еще недостаточен для того, чтобы сделать выводы о состоянии объекта. Сложность биологического объекта является главным препятствием для получения полного описания его состояния, поэтому на практике для оценки его различных функциональных способностей оперируют некоторой совокупностью медико-биологических показателей и данных, полученных при регистрации физиологических процессов. Кроме того, для уверенного диагноза часто необходимы дополнительные данные о биообъекте, отражающие:

- особенности конкретного организма, включая историю его развития;

- данные о перенесенных заболеваниях и последствиях этих заболеваний;

- данные о жизненных событиях, которые могли привести к изменениям функционирования различных физиологических систем;

- сведения об условиях труда и быта данного индивидуума, его привычках, питании, отдыхе и т.п.

Часть таких данных и сведений хранится в так называемых “индивидуальных медицинских картах”, которые должны заводиться на каждого человека со дня его рождения и поддерживаться в течение всего его жизненного пути. Необходимость постоянного и качественного контроля состояния здоровья каждого человека сегодня признают многие медицинские специалисты. Только с ее помощью можно судить об “индивидуальной норме” здоровья, характерной для конкретного организма, и применять лечебные воздействия, учитывающие его индивидуальные особенности. С развитием вычислительной техники значительно расширились возможности построения электронных медицинских карт, которые могли бы содержать эту информацию.

Диагностическая информация выражается совокупностью качественных и количественных параметров. Симптомокомплекс, как фиксированная совокупность показателей, по содержанию которой осуществляется постановка диагноза, формируется из показателей разного вида.

Целесообразно выделить два класса таких показателей:

- количественные, выражаемые в числовой форме в некоторой числовой шкале;

- качественные, не имеющие цифрового эквивалента для отображения и использующие словесные описания степени выраженности свойства.

В свою очередь каждый из классов показателей тоже можно разделить на два подкласса.

Количественные показатели, как правило, определяемые с помощью специальных технических средств; разделяются на:

- количественные показатели I-го рода: показатели, непосредственно или косвенно отражающие физические или физико-химические характеристики физиологических процессов - например, частота сердечных сокращений или дыхания, величина артериального давления, скорость кровотока, кислотность крови, объем дыхания, парциальное давление кислорода в крови или уровень насыщения крови кислородом и т.п.;

- количественные показатели II-го рода: показатели, не имеющие физической интерпретации, а вводимые для облегчения анализа процессов в организме - например, амплитудный спектр биологического сигнала, автокорреляционная функция, сердечный индекс, сократительная способность миокарда, тонус мышц и т. п. Эти показатели отражают свойства сигналов, их взаимосвязь, зависимость от ряда факторов, их биологическую значимость.

Для всех количественных показателей должны предусматриваться такие алгоритмы обработки сигналов измерительных преобразователей, которые позволяют получить их числовые оценки.

Количественные показатели можно разделить на медленно изменяющиеся и быстро изменяющиеся процессы.

К медленно изменяющимся относятся процессы, частота изменения которых ниже 1 Гц, а мгновенные значения могут быть выражены цифрой (Приложение 1). Обычно их измеряют эпизодически или через заданные промежутки времени. Например, частота сердечных сокращений (частота пульса) и частота дыхания в минуту, температура тела, артериальное давление, парциальное давление кислорода в крови и насыщение крови кислородом, минутный объем кровообращения, время реакции и т.п. Можно продолжить перечисление подобных показателей; к этому типу показателей относятся и антропометрические данные: вес, рост, масса тела, данные динамометрии и пр.

К быстроизменяющимся процессам относят такие физиологические процессы (ФП), регистрация которых осуществляется непрерывно в течение всего исследовательского эксперимента (см. Приложение 2). Например, регистрация в графической форме плетизмограммы, сфигмограммы, электрокардиограммы, электромиограммы и многих других процессов, которые характеризуют непрерывную работу разных органов и функциональных систем организма. Многие из этих сигналов формируются за счет суммирования большого числа независимо протекающих элементарных физиологических процессов, часто они носят характер случайных процессов. К ним относятся, прежде всего, биопотенциалы различных органов и систем организма: сердца, мозга, желудочно-кишечного тракта, мышечных групп разного назначения и др. К ним же следует отнести и другие характеристики физиологических функций организма, преобразуемые с помощью измерительных преобразователей в электрический сигнал и характеризующиеся кривой изменения процесса во времени, например, механическое растяжение стенки сосудов, вибрация грудной клетки при выбросе крови из сердца, изменение насыщения крови кислородом, мгновенная скорость кровотока и т.д. Частотные спектры быстро изменяющихся процессов находятся в диапазоне от 0,1 до 1000 Гц и выше.

Записи этих процессов представляют исследователю большие возможности по сопоставительному анализу процессов и формированию на их основе диагностических заключений. Кроме того, по зарегистрированным зависимостям могут быть рассчитаны некоторые уже отмеченные выше МБП (например, частота сердечных сокращений может быть определена по записи электрокардиограммы), но могут быть получены и другие показатели, описывающие тонкую структуру записей процессов. Например, по записям электрокардиограммы могут быть определены амплитуды и длительности характерных фрагментов, спектр мощности сигналов, частотный спектр, ряд сердечных индексов (комплексных показателей для характеристики работы сердца) и т.д.

Количественные показатели, определенные как МБП или полученные при обработке записей ФП, в большинстве случаев являются функциями времени. Например, известны суточные колебания температуры тела, в течение суток изменяется рост человека, к концу рабочего дня вследствие утомления изменяются артериальное давление и уровень насыщения крови кислородом, форма фрагментов в записях процессов.

Показатели, изменяющие свои значения во времени, объединяются в класс динамических величин, а система знаний, позволяющая правильно обобщить и проанализировать собранные данные, составляет содержание специальной дисциплины биометрии [8,9]. Эта дисциплина представляет собой совокупность математических методов, заимствованных из областей математического статистики и теории вероятности и применяемых к обработке результатов медико-биологических исследования.

Можно привести множество подобных примеров, характеризующих временное непостоянство МБП. Для организма изменения одних показателей носят периодический характер, а в закономерностях их поведении легко увидеть шумоподобные составляющие. Такие показатели представляются в виде последовательности импульсов сложной формы со случайным временным периодом. Для диагностики могут иметь такую ценность показатели самих импульсов - их амплитуда, длительность, крутизна фронтов, форма. Данные по каждому показателю можно представить в виде графических зависимостей или обработать специальными математическими методами для получения вторичных обобщенных показателей. С помощью специальной аппаратуры могут изучаться статистические свойства самих периодов, которые также являются носителями диагностической информации.

Разнообразными являются также и характеристики физиологических процессов, отражающих состояния исследуемого организма. Известны процессы, для описания которых решающее значение имеют как форма отражающих их сигналов, так и характерные детали формы. Такие сигналы характерны для методов электрокардиографии, апекскардиографии, плетизмографии, методов изменения артериального давления, данным эхографии и многим другим. Для таких сигналов в качестве их характеристик выступают амплитуда зубцов, их временное положение, сравнительная оценка зубцов разного типа и т.д. В то же время известны физиологические процессы, характеризующиеся случайно подобными колебаниями регистрируемых сигналов. Это – уже отмеченные выше электроэнцефалография и электромиография (включая методы регистрации биопотенциалов, возникающих при мышечных сокращений для ряда функциональных систем, такие как электрогастрография, электроокулография и др.), а также методы регистрации кожно-гальванической реакции, тремора мышц, временных изменений диаметра зрачка глаза и саккастических перемещений направления взгляда, и т.п. Диагностическую ценность при изучении таких показателей имеют их статисти­ческие характеристики (количественные показатели II рода), такие как математическое ожидание и моменты разного порядка, корреляционная функция, функция когерентности, спектральная плотность мощности и т.п.

Еще одним важным видом диагностической информации являются видеоизображения, получаемые при использовании облучающих или проникающих излучений. Такие изображения с помощью специальных сканирующих преобразователей можно получить не только в видимой области оптического диапазона электромагнитного излучения. Хорошо известны способы визуализации при использовании в качестве порождающего поля рентгеновского, теплового и даже механического - ультразвукового – излучений. Получили распространение методы восстановительного отображения внутренней структуры организма – методы компьютерной томографии.

Независимо от типа порождающего поля диагностическая информация представляется в виде визуальных изображений на экранах мониторов. Изображения наблюдаются врачом для изучения и оценки наличия патологических участков, но они могут быть обработаны с помощью автоматических алгоритмов обработки с целью получения диагностических ряда показателей, которые можно рассматривать как МБП. В качестве таких показателей выступают тип фрагментов и их количество (например, клетки разного размера), их взаимное расположение, геометрические размеры и площадь выделенных участков, распределения оптической плотности и т.п.

К качественным показателям относят такие, которые не оцениваются цифрой, в лучшем случае они могут иметь лишь несколько градаций степени выраженности. Различают два вида качественных показателей:

- качественные показатели I-го рода - показатели, определяемые без применения технических средств измерения, - например, результаты осмотра, жалобы, описание поведения и внешнего вида и т.д. Обычно их фиксируют на специальных бланках – формах, в том числе и в электронном виде;

- качественные показатели II-го рода, определяемые по зарегистрированным с помощью технических средств электрических сигналам, (например, средств регистрации), но не выражаемые в виде числа. Например, подтверждение наличия или отсутствия того или иного зубца в электрокардиограмме, на кривой артериального давления, затенение того или иного участка в изображении внутренних органов в биоинтроскопии и т.д.

Качественные показатели I-го рода, по сути, являются субъективными, так как их происхождение связано с оценками состояния собственного организма со стороны пациента (опрос пациента - анамнез) или со стороны врача (осмотр больного, пальпация, аускультация прослушивание). Известны подходы к оценке этих показателей в виде числа (так называемые ранговые методики), но цифровое выражение показателей в этом случае отражает мнение исследователя-эксперта о степени выраженности свойства, и “шкалой” такой “количественной” оценки является собственное субъективное его восприятие. Известны алгоритмы автоматического расчета ранговых показателей для их отражения в виде цифры с помощью психометрических шкал [ ].

Качественные показатели II-го рода могут быть зафиксированы только по записям графиков исследуемых процессов. Например, положение ST-интервала на кардиограмме над нулевой линией является признаком предынфарктного состояния, “уплощение” вершины сфигмограммы сонной артерии возникает при нарушении мышечного тонуса артериальных сосудов и т.п. Известны попытки построения алгоритмов выявления качественные показателей этого вида при анализе некоторых биологических сигналов.