11.3. Методические и аппаратурные погрешности измерений

Уже сформулированные выше требования к измерительным преобразователям подтверждают представление о том, что наиболее важным моментом в организации медико-биологических измерений является обеспечение контакта этого преобразователя с биологическим объектом. Этот контакт служит главным фактором возникновения специфических для медико-биологических исследований методических погрешностей. Конкретно эти погрешности могут проявляться во взаимном влиянии друг на друга измерительного прибора и биообъекта, в неточном выполнении процедуры измерения, изменяемости свойств самого объекта, в шумах, поступающих в измерительный тракт и др. Рассмотрим эти виды методических погрешностей подробнее (рис. 11.5).

Первой по важности следует считать погрешность взаимодействия биологического объекта и технического средства, возникающая при подключении биообъекта к технической системе. При этом в погрешности влияния прибора и объекта друг на друга можно выделить две составляющие. Первая из них - погрешность взаимодействия типа “прибор - объект” - представляет собой отклонение величины физического параметра от его истинного значения, связанное с установкой измерительного преобразователя на объект исследования, которое не зависит от вида применяемого преобразователя и его характеристик. В качества примера такого вида погрешности в электрокардиографии можно указать на искажения электрического поля в ткани из-за замыкания тока через электрод и падения части измеряемого потенциала на сопротивлении участка "кожа - электрод". В этом методе истинной величиной является потенциал некоторой точки тела, а при наложении электрода конечных размеров измеряемое значение поля будет зависеть от распределения поля на участке под электродом и параметров самого электрода: геометрической формы, размеров, электрического сопротивления и т.д. (рис. 11.5). Расшифровать!!!!

Вторая погрешность взаимодействия типа "объект - прибор" связана с изменениями характеристик измерительного преобразователя за счет влияния объекта. Например, в методе сфигмографии, используемом для регистрации перемещений стенок сосудов при сердечных сокращениях, (см. рис. 11.6) коэффициент затухания и собственная частота измерительной системы зависят от упругих свойств тканей, с которыми контактирует преобразователь. При фонокардиографических исследованиях, предназначенных для изучения шумов сердца, акустический импеданс измерительного тракта зависит от упругих свойств тканей грудной клетки, силы прижатия, диаметра диффузора и т.д.

Погрешности взаимодействия присущи любым методам медико-биологических исследований. В то же время их конкретное проявление в сильной степени зависит от физического принципа, на котором построен метод. Продемонстрируем это на примере изучения погрешностей взаимодействия для электрофизиологической группы методов.

В электрофизиологических методах исследования подключение биообъекта к измерительному устройству осуществляется с помощью электродов. Несмотря на простоту такого способа подключения, группа погрешностей взаимодействия достаточно представительная. В ней различают:

- погрешность импеданса - падение части измеряемого потенциала на импедансе участка “кожа-электролит-электрод;

- погрешность усреднения - усреднение измеряемого под электродом потенциала за счет конечного размера самого электрода; весь электрод приобретает один потенциал, равный среднему значению, которое зависит от распределения электрического поля на участке под электродом;

- погрешность искажения - наложение токопроводящего электрода конечных размеров на поверхность тела искажает распределение электрического поля в месте его установки.

Определить причины этих погрешностей позволяет рис. 11.7,а, на котором изображен участок контакта поверхности организма с электродом (Э). Электрод накладывается на поверхность через слой контактной жидкости (КЖ). Кожа (К) имеет высокоомный верхний слой (ороговевший слой кожи ОСК); под кожей находятся ткани (ПК), в которых протекают интересующие исследователя физиологические процессы.

Эквивалентная электрическая схема контакта приведена на рис. 11.7,б. Здесь значения элементов R_к-э и C_к-э характеризуют импеданс контакта "кожа-электролит-электрод", а элементов R_э, C_э - импеданс самого электрода. Как показано в [16], известно несколько типов электродов, для которых R_э C_э имеют конечные значения, и только для металлических электродов эти значения нулевые. Как следует из схемы, измеряемый потенциал от БО - _БО - поступает на вход технического средства (R_Н на рис. 11.7,б) через делитель напряжения, причем коэффициент передачи делителя частотно зависим. Эта ошибка и определяется как погрешность импеданса. Кроме того, так как электрод имеет конечную площадь, то он замыкает часть поверхности БО, усредняя измеряемый потенциал по этой поверхности и искажая исходное распределение электрического поля под электродом (см. рис. 11.6).

К группе методических погрешностей следует отнести и погрешность за счет отклонения в приемах подготовки биообъекта от стандартных, что вызывает изменения показателей и затрудняет сопоставление результатов измерения, проведенных в различных условиях. К факторам, влияющим, на величину этой составляющей погрешности, следует отнести качество обработки кожи, крепление и ориентацию измерительного преобразователя, использование электропроводящих паст с различными свойствами и т.д. Например, для уже упоминавшейся группы электрофизиологических методов такого вида погрешность - погрешность наложения: неточное положение электрода относительно выбираемой анатомической точки - может приводить к ошибке регистрации амплитуды электрокардиосигнала до 50% (для грудных отведений). Изменение направления фиксации отраженного ультразвукового луча от номинального в методе эхокардиографии (ультразвуковая локация перемещений клапанов и стенок эпикардиальной поверхности сердца) может привести к потере информации о положении контролируемых фрагментов сердца. Подобные примеры можно легко продолжить.

Особое место в этой группе погрешностей приобретают психофизиологические факторы, связанные с влиянием среды и обстановки медицинского учреждения, самого медперсонала, вида инструментов и оборудования, вызывающих в ряде случаев боязнь и страх перед процедурой обследования, возможность возникновения болевых ощущений. Эти факторы трудно поддаются стандартизации и оценке из-за случайного характера.

Большую величину погрешности в общий результат могут внести индивидуальные свойства биообъекта, связанные с индивидуальными анатомическими и физиологическими особенностями исследуемого организма: различие в строении тела, расположения внутренних органов, составе и свойствах кожи, тканей, в разной степени согласованности функционирования физиологических систем, и т.д.

К методическим погрешностям следует отнести “шумовую” погрешность за счет шумов, создаваемых самим биообъектом. Например, хрипы в легком при регистрации фонокардиограммы накладываются на регистрируемые шумы и тоны сердца, биопотенциалы работающих мышц имеют частотный спектр, в значительной степени совпадающий со спектром регистрируемого электрокардиосигнала и т.п.

Как уже отмечалось, в медицинской практике широкое распространение получили косвенные методы измерений, при которых интересующий исследователя параметр физического процесса связан с другими параметрами функциональной связью. На практике эта связь не всегда точно известна и апроксимируется приближенными выражениями, часто носящими эмпирический характер. Например, ?.Косвенные методы оценивания параметров сами могут реализоваться по-разному, что приводит к появлению погрешности функциональной связи.

Другой класс погрешностей, которые сопровождают процесс получения электрических сигналов, несущих информацию о функционировании организма - аппаратурная (инструментальная) погрешность. С общих позиций полную аппаратурную погрешность можно разделить на три вида, способы оценки и устранения которых отличаются: погрешности воспроизведения, аппроксимации и от внешних помех.

Погрешность воспроизведения обусловлена несовпадением градуировочной характеристики с номинальной функцией преобразования.

Погрешность аппроксимации связана с отклонением характеристик реальных условий измерения и параметров измерительных приборов от номинальных значений, принятых при разработке прибора и его аттестации.

Внешние помехи возникают при работе других технических устройств; они проникают в измерительный тракт вместе с информационным сигналом либо влияют на характеристики узлов в промежуточных звеньях прибора. Они могут иметь частотный спектр, перекрывающийся с полосой пропускания прибора, и поэтому оказывают влияние на результат измерений. Например, на входе электрокардиографа возможно также возникновение дополнительного шумового напряжения за счет трансформаторной наводки от внешнего электромагнитного поля через "паразитную" емкость между телом испытуемого и электропроводкой. При оценке аппаратурной погрешности можно эффективно использовать известные в технике методы и средства.