9.5.2. Основные операции аналитического исследования

Чтобы применить описанный в 8.1 способ записи структур преобразований для технологий лабораторного анализа, необходимо разобраться с набором операций и идентификаторов для этого типа процессов. Как показано в 1.8, технологический процесс любого лабораторного исследования включает три этапа (см. рис. 1.3), имеющих разные целевые функции и различные наборы операций.

Прежде чем перейти к характеристике операций каждого этапа лабораторного исследования, отметим еще раз, что любое преобразование с биопробой связано с главным условием применимости этого преобразования – сохранением информации об изучаемой среде. На доаналитическом этапе исследователь работает с биопробой, т.е. с материальным объектом, который по существу является носителем диагностической информации об ИС. После контакта с измерительными преобразователями происходит процесс изменения носителя – им становятся электрические сигналы {U}_ИП, которые далее обрабатываются для извлечения этой информации в виде набора показателей состояния ИС.

Все преобразования на измерительном этапе связаны с преобразованиями сигналов и трактуются как информационные, т. е. такие, которые не должны изменять информационного содержания, но способствуют его более надежному выявлению. Поскольку преобразования вещества биопробы также связаны с сохранением информации и с повышением надежности ее извлечения, то логично все технологические операции с биопробой также считать операциями информационного преобразования независимо от того, на каком этапе лабораторного анализа они выполняются. Теперь последовательность операций технологического цикла исследования отражает в виде единой цепи все информационные преобразования, которые выполняются с разными типами носителей информации.

Такая трактовка назначений операций, особенно операций по преобразованию вещества биопробы, не является общепринятой, но рассмотренное представление об информационной направленности технологического процесса лабораторного эксперимента позволяет использовать аппарат теории информации для анализа всей структуры операций так же эффективно, как для анализа структуры известных инфор­мационных систем [см., например, 12, 14, 17].

В [2] показано, что многочисленные особенности биосубстратов и большое разнообразие средств аналитической техники не требуют использования столь же большого количества операций и их модификаций. Операции целесообразно сгруппировать в соответствии с основными этапами процедуры лабораторного исследования (см. рис. 1.3). Весь перечень таких групп и основных операций (преобразований) представлен в таблице 8.1 [2, 5].

Операции доаналитического этапа можно разделить на две группы. Первая группа включает такие обязательные операции, как мойка, сушка, стерилизация посуды, профилактические работы и юстировка анализаторов и т.п. Эти операции в том или ином виде всегда присутствуют на первоначальной стадии проведения любых исследований, а некоторые из них (например, работы с техническими средствами) включены в общую программу работ лаборатории без ориентации на какое-либо конкретное исследование. Поэтому в описание технологического процесса их целесообразно включать только тогда, когда они имеют какие-либо особенности, играют важную роль и могут повлиять на результаты всего исследования. Отбор биопробы (вторая группа), как правило, очень четко регламентируется предписаниями аналитических методик (см. 2.5). Часто отбор биопроб совмещают с операциями отмеривания. Заканчивается этот этап получением ИВ_БП, т.е. той части исходной биопробы, которая выбрана и подготовлена для аналитических операций. Как уже отмечалось, при подготовке ИВ_БП могут использоваться некоторые препаративные методы, позволяющие эффективно решить задачу преобразования БП_ИС в исходное вещество биопробы.

Наиболее интересными и разнообразными являются описания аналитических этапов исследования, так как именно на этом этапе применяются различные методы изучения биопроб. Рассмотрение аналитического этапа любого лабораторного исследования показывает, что в нем всегда можно выделить два основных подэтапа, каждый из которых отражает специфические преобразования с различными по физической природе носителями информации.

Первый из них связан с преобразованиями материальных объектов – исходного вещества пробы - в конечный продукт - вещество, с которым непосредственно взаимодействует измерительный преобразователь (в общем случае их может быть несколько). Определим его как пробоподготовительный этап – ППЭ.

Второй (назовем его измерительным этапом - ИЭ, хотя не для всех видов анализа обязательно присутствие измерения как такового), связан с преобразованиями электрических сигналов ИП до получения оценки результата анализа. Э

а)

тапы связаны друг с другом через операцию преобразования вида носителя информации, которая осуществляется с помощью измерительных преобразователей.

Как уже отмечалось, задача ППЭ состоит в том, чтобы “приспособить” биопробу к процессу измерения с учетом соблюдения рассмотренных ранее (см. 2.6.) принципов “адекватности” исследования.

На аналитическом этапе при осуществлении ППЭ выполняются операции групп 3 – 5 (см. табл. 3.1.). Отмеривание реагентов или вещества пробы (группа 3) обычно производится по объему, массе, заданному значению рН, оптической плотности и т. п. и чаще всего сводится к дозированию жидкостей или твердых реагентов.

Особый интерес для рассмотрения представляют операции, отнесенные к группам 4 и 5. Поскольку одной из задач ППЭ является выделение (концентрирование) из ИВ_БП отдельных фракций и компонентов виде КП_ИВ для дальнейшего анализа, то чаще всего это достигается посредством одного из препаративных методов, рассмотренных в 2.3.

Простейшие операции, использующие физико-механические принципы фракционирования и разделения вещества, не приводят к изменению его агрегатного состояния или биохимических свойств и относятся к группе 4. Сюда же можно включить перемешивание, разбавление, встряхивание и т. п., а также довольно распространенную операцию промывки образцов или частиц в воде (или буферном растворе) для отделения их от избыточных компонентов реакции.

Таблица 9.1. Группы операций и преобразований лабораторного исследования

Этап		Груп-па	Содержание операций и преобразований	Объект преобра­зования	Примеры конкретных операций
Доаналитический		1	Подготовка лабораторно­го оборудования и аппаратуры		Приготовление реагентов; стерилизация; подготовка прибора к работе
		2	Отбор, хранение, доставка пробы	БП	Добавление в биопро­бу антикоагулянта; за­мораживание биопробы
Аналитический	пробоподготовка	3	Мерные операции	ИВБП Реагенты	Дозирование биопробы и реагентов, взвешивание реагентов
		4	Операции, не приводящие к изменению агрегатного состояния или биохимических свойств вещества	ПП Реагенты	Фильтрование, центрифугирование, отстаивание
		5	Направленные воздействия, приводящие к изменениям свойств или агрегатного состояния вещества	ПП Реагенты	Термостатирование, химические реакции воздействие полями
	контакт с ИП	6	Погружение ИП, заполнение реакционного объема и т. п.	КПИВ	Пропускание потока излучения через кювету, погружение электрода
	измерение	7	Линейные и нелинейные преобразования, получение числового значения ФП	Сигналы ИП	Фильтрация, усиление, интегрирование, расчет по формуле
Постаналитический		8	Обработка и интерпретация результатов	МБП	Построение калибро­вочных графиков, формирование заключения

К группе 5 отнесены операции, направленно воздействующие на вещество (под воздействием на вещество будем понимать такие операции, которые приводят к значимому (фиксируемому) изменению его свойств), при которых оно претерпевает физико-химическую, биохимическую или биологическую трансформации. В свою очередь, эта группа может быть разделена на соответствующие подгруппы, представленные в таблице 9.2.

К физико-химической подгруппе можно отнести также более сложные - комплексные последовательности операций, осуществляемые для фракционирования и концентрирования пробы: выпаривание, перегонку, экстрагирование, а также разделение посредством препаративных методов (хроматографии и электрофореза) - в том случае, если они проводятся в целях ППЭ. Технические средства, используемые для проведения перечисленных операций и воздействий, часто по своей сложности не уступают аналитической измерительной аппаратуре.

Операции группы 6 (см. табл. 9.1) - приведение первичного преобразователя в контакт с КП_ИВ - обычно заключаются в погружении ИП в исследуемую жидкость или в заполнении ею некоторой так называемой “реакционной” емкости (кюветы, пробирки), которая затем помещается в ИП. Для спектральных методов эта процедура сводится к совмещению аналитической спектральной линии с приемной частью фотоэлектрического преобразователя. При микроскопических исследованиях помещение КП_ИВ (например, мазка крови на предметном стекле) в поле оптического микроскопа также можно отнести к данной группе. В этом случае в качестве ИП выступает зрительный анализатор человека либо техническое средство - фотоэлектрический преобразователь (например, передающая телевизионная трубка).

Таблица 9.2. Операции направленного изменения или трансформации биопроб

Физико-химические	Химические	Биохимические
Нагревание Охлаждение Воздействие полями различной природы Выдержка (инкубация при постоянной температуре) Высушивание	Химические трансфор­мации путем добавления различных веществ Окраска мазков красителями	Облучение Выдержка (инкубация) при постоянной температуре Посев и выращивание культур Заражение животных

С момента взаимодействия ИП с КП_ИВ начинается измерительный этап исследования. В составе ИП необходимо различать первичный и вторичные измерительные преобразователи. Первичный ИП, непосредственно взаимодействующий с КП_ИВ, фактически представляет собой устройство для отбора от объекта исследования некоторой формы энергии, которая содержит информацию о характеристиках пробы, - механической, тепловой, электрической, магнитной и т.п. Физическое поле, посредством которого осуществляется взаимодействие первичного ИП с исследуемым веществом, определяется как "порождающее поле" [1], именно это поле определяет “аналитический” сигнал, который содержит информацию об исследуемых параметрах биопробы. В ИП осуществляется преобразование различных видов таких полей (аналитических сигналов) в первичные электрические сигналы {U}_ИП, что связано с затратами энергии порождающего поля. При этом следует принять во внимание следующие обстоятельства:

1) порождающие поля поступают от объекта исследования и, следовательно, исходным носителем информации является сам объект, а порождающие поля служат лишь переносчиком информации до измерительного преобразователя;

2) параметры порождающего поля содержат не только интересующую исследователя релевантную информацию, но и помехи, уровень которых зависит от степени подготовленности объекта к эксперименту;

3) параметры порождающего поля преобразуются в ИП в электрический сигнал, и, следовательно, после этого он становится носителем информации;

4) алгоритм обработки электрического сигнала должен быть приспособлен именно к тому из его параметров, который содержит релевантную информацию.

Вторичные преобразователи осуществляют модификации физической формы аналитических сигналов в соответствии с принципом действия всего преобразователя [20, 21]. Некоторые типы ИП могут включать длинные цепочки модификаций до момента, пока не будет получен сигнал в электрической форме [2, 3, 20]. Каждая модификация приводит к дополнительным погрешностям, анализ которых представляет значительные трудности для разработчика.

Как уже отмечалось в 2.5 в ряде случаев исследование КП_ИВ сводится к выявлению его свойств по реакции на определенные энергетические "зондирующие" воздействия в процессе взаимодействия с первичным ИП (методические воздействия). Эти вопросы подробно рассмотрены в технической литературе по измерительным преобразователям.

Процессом формирования электрических сигналов как эквивалентов некоторых аналитических сигналов не заканчивается процедура получения диагностической информации. Необходима их первичная обработка сигналов с тем, чтобы содержащаяся в них информация стала доступной для исследователя при ее предъявлении на устройствах отображения. Такая обработка осуществляется в специальных электронных блоках, совокупность и последовательность включения которых определяет структуру технических средств обработки сигналов. Эти операции (группа 7 в табл. 3.1) аналитического этапа можно разделить на два типа - линейные и нелинейные. К линейным операциям с сигналами относятся такие их преобразования, как усиление, сложение, интегрирование и др. К нелинейным преобразованиям можно отнести деление, логарифмирование, различные функциональные преобразования и др.

На заключительном этапе лабораторного анализа (постаналитический этап) используются операции по дальнейшей обработке данных исследования и интерпретации информативных параметров сигналов - операции группы 8. Они предназначены для сравнения полученных данных с уже имеющимися в базе, поддержки принятия диагностических заключений, формирования базы данных и т. п. Операции этого этапа носят главным образом вычислительный характер и включают работы, связанные с отображением, документированием, индексированием и чаще возлагаются на ЭВМ. Обсуждение этих операций выходит за рамки данного издания.

На практике для оценки состояния организма оперируют отдельными характеристиками БП_ИС или некоторой их совокупностью. Такая диагностическая информация может быть представлена набором качественных или количественных медико-биологических показателей (МБП). По окончании измерительного этапа на выходе анализатора получают либо значение интересующего нас МБП (например, скорости оседания эритроцитов крови), который совпадает с изучаемой характеристикой (свойством) БП_ИС, либо, что встречается чаще, значение некоторого физического параметра из множества {ФП}_БП. В качестве конкретных ФП_БП обычно выступают: оптическая плотность, электрическое сопротивление, уровень электрического потенциала, температура и другие физические параметры, которые сами по себе не являются диагностически значимыми. В этом случае необходимо последующее вычисление медико-биологического показателя (например, процентного содержания компонента, количества форменных элементов и т. д.), связанного с ФП_БП некоторой зависимостью.

Довольно распространенной при проведении лабораторных исследований является качественная оценка результата, когда полученный показатель отражает только факт наличия или отсутствия какого-либо компонента (или свойства) изучаемой биопробы. Например, при различных заболеваниях крови, помимо количественных сдвигов в лейкоцитарной формуле, важное диагностическое значение имеют изменения морфологических особенностей клеток (неправильная форма, включения, измененное ядро и др.). Кроме того, качественным является анализ биопробы по принципу “да-нет”, целью которого является только определение наличия либо отсутствия в биопробе интересующего нас компонента, когда количество его не имеет принципиального значения. Для регистрации качественных показателей также необходимы специальные алгоритмы обработки сигналов {U}_ИП. Подходы к анализу ошибок ра­боты алгоритмов первичной обработки хорошо представлены в доступной технической литературе и здесь не обсуждаются.