Тема: Медицинские приборно-компьютерные системы
Использование компьютеров в сочетании с измерительной и управляющей техникой позволило создать новые эффективные средства для обеспечения автоматизированного сбора, обработки и хранения информации о больном и управлении его состоянием – медицинские приборно-компьютерные системы (МПКС).
Рассмотрим классификацию современных МПКС.
По функциональным возможностям выделяют клинические и исследовательские системы. Первые ориентированы на выполнение строго очерченного круга типовых медицинских методик. Исследовательские системы содержат широкий набор управляющих, аналитических, изобразительных и конструкторских средств, позволяющих реализовывать разнообразные методики, как клинического, так и научно-исследовательского назначения.
Существует и другая классификация по функциональным возможностям. Согласно ей выделяют специализированные, многофункциональные и комплексные системы. Первые предназначены для проведения исследований одного типа, например, электрокардиографических. Многофункциональные системы позволяют проводить исследования нескольких типов, основанных на схожих принципах, например, электрокардиографические и электроэнцефалографические. Комплексные системы обеспечивают комплексную автоматизацию многогранной медицинской задачи.
Принципы построения мпкс
В МПКС можно выделить три основные составляющие: медицинское, аппаратное и программное обеспечение.
Медицинское обеспечение любой медицинской системы – это комплекс медицинских предписаний, нормативов, методик и правил, обеспечивающих оказание медицинской помощи посредством этой системы. Применительно к МПКС медицинское обеспечение включает в себя способы реализации выбранного круга медицинских задач, решаемых в соответствии с возможностями аппаратной и программной частей системы. К медицинскому обеспечению относятся наборы используемых методик, характеристики измеряемых физиологических параметров и методов их измерения (точность, пределы и т. д.), определение способов и допустимых границ воздей ствия системы на пациента. Другими словами, медицинское обеспечение включает в себя методические и метрологические вопросы.
Под аппаратным обеспечением понимают способы реализации технической части системы, включающей средства получения медикобиологической информации, средства осуществления лечебных воздействий и средства вычислительной техники. В самом общем виде блоксхема аппаратной части такой системы представлена на рис. 6.1.
рис. 6.1. общая структура медицинской приборно-компьютерной системы
В качестве вычислительного средства в МПКС используют как специализированные микропроцессорные устройства, так и универсальные ЭВМ. В обоих случаях принципы построения аппаратного обеспечения аналогичны. В то же время включение в состав аппаратной части компьютеров позволяет использовать стандартные программные продукты и стандартные средства хранения информации, такие, как лазерные диски, накопители на жестких магнитных дисках, гибкие диски, и пр.
В простейшем типовом случае аппаратная часть системы включает медицинский диагностический прибор, устройство сопряжения и компьютер.
К программному обеспечению относят математические методы обработки медико-биологической информации, алгоритмы и собственно про граммы, реализующие функционирование всей системы.
Медицинское обеспечение разрабатывается постановщиками задач – врачами соответствующих специальностей, аппаратное – инженерами, специалистами по медицинской и вычислительной технике. Разработка специализированных микропроцессорных уст ройств ложится на специалистов по микроэлектронике. Программное обеспечение создается про граммистами или специалистами по компьютерным технологиям.
Для ввода в компьютер аналоговых сигналов медицинской аппаратуры их необходимо не только преобразовать в цифровую форму, но и привести в соответствие с некоторыми интерфейсами. Для этого необходимо устройство связи -УС (рис. 6.3.).
рис. 6.3. общая схема ввода медико-биологической информации в компьютер
рис. 6.4. блок-схема устройства связи компьютера
и медицинской аппаратуры
Типичный вариант интерфейса для связи между медико-биологическими измерительными и исполнительными устройствами с компьютером представлен на рис. 6.4.
В этом случае устройства сопряжения включают в себя, как минимум, аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи. Аналоговый мульти плексор – устройство, предназначенное для поочередного подклю чения каналов съема информации к входу АЦП. Цифроаналоговый преобразователь служит для преобразования цифровых сигналов компьютера в аналоговую форму.
Значения входных сигналов (например, температуры тела, артериального давления, частоты сердечных сокращений и т. п.) преобразуются датчиками в электрические сигналы. Эти электрические сигналы нормируются с учетом рабочих диапазонов аналогового мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя. Аналоговый мультиплексор в каждый момент времени последовательно выбирает один из входных сигналов и передает его в АЦП.
Данные, полученные через интерфейс АЦП, обрабатываются компьютером и затем пересылаются в форме двоичного кода в интерфейс ЦАП. Последний преобразует двоичные сигналы в аналоговые для обеспечения управления соответствующими физиологиче скими параметрами организма (температура тела, артериальное дав ление, частота сердечных сокращений), например, путем введения необходимых лекарственных средств, что позволяет осуществить систему управления с обратной связью.
Основными путями реализации интерфейсов в рассматриваемом типовом случае являются следующие:
использование малых интерфейсов периферийного оборудо вания и устройств общего пользования компьютера;
непосредственное использование машинных интерфейсов компьютера.
Программное обеспечение МПКС не менее важно, чем аппаратное, т. е. техническое. Наиболее совершенные устройства оснащены так называемым интегрированным программным обеспечением, благодаря которому врач получает целостную систему, охватывающую весь процесс исследования, включающий этапы подготовки, проведения исследования и обработки данных. В таком программном обеспечении выделяют шесть основных функциональных разделов (модулей):
подготовка обследования;
проведение обследования;
просмотр и редактирование записей;
вычислительный анализ;
оформление заключения;
работа с архивом.
подготовка обследования. В этом модуле обычно осуществляется выбор методики обследования пациента. Например, для реографической системы выбирают одну из следующих методик: тетраполярную, по Кубичеку, по Тищенко и др.
проведение обследования. Традиционно в данном модуле производится отладка съема биоэлектрических сигналов и запись их согласно сделанным установкам с параллельным отображением их на экране монитора для визуального наблюдения и контроля. Кроме того, многие такие системы содержат средства ручного управления, как записью, так и стимуляторами. Наиболее совершенные системы содержат также средства экспресс-анализа и визуализации их ре зультатов в режиме реального времени, что позволяет клиницисту выделять уникальные, стационарные или конституциональные сегменты изменения сигнала для записи их в буфер или на диск, а также при необходимости реализовывать терапевтические методики био логической обратной связи.
просмотр и редактирование связей. По окончании обследования необходимо просмотреть полученные записи, чтобы выделить сегменты, представляющие интерес для дальнейшего анализа, и уда лить артефакты.
Обычными средствами здесь являются плавное движение записи, масштабирование и позиционирование каналов, а также исполь зование подвижных визиров для считывания амплитуд и временных интервалов или для выделения и удаления участков записи.
Более совершенные системы предлагают дополнительные средства: автоматический поиск артефактов, фильтрацию сигнала, выделение экс тремумов, вычитание или сложение сигналов по двум вы бранным каналам, оценку площади на характерных участках и т. п.
вычислительный анализ. Этот модуль включает разнообразные методы анализа записей и графического представления результатов. Так, например, одним из весьма динамичных физиологических показателей является ЭЭГ. В качестве базового математического метода здесь обычно используют Фурье-анализ с вычислением различных частотных характеристик (амплитуда, мощность, когерентность, фаза) и обобщенных пара метров в выделенных частотных диапазонах (дельта, тета, альфа, бета) с изучением их временной и пространственной эволюции.
Традиционным способом представления результатов является построение различных диаграмм и цветных карт (топограмм) распределения тех или иных характеристик ЭЭГ на поверхности голо вы. В настоящее время получила распространение электроэнцефалографическая томография, заключающаяся в вычислении трехмерных дипольных моделей локализации источников ЭЭГ-сигнала (например, система BrainLock). Такие модели полезны при определении морфологических нарушений, связанных с пароксизмальной активностью мозга.
оформление заключения. Словесное заключение, которое делается по результатам анализа и сопровождает конкретную запись биосигналов, необходимо для документального завершения прове денного исследования. Однако автоматизация процесса оформления заключения встречает значительные трудности, характерные для разработки экспертных систем.
работа с архивом. Структурированное хранение результатов физиологических обследований дает возможность оперативно анализировать их динамику, зарегистрированную в разное время, а также позволяет быстро генерировать статистические и отчетные материалы.
В этот же модуль нередко включают специальный интерфейс для создания банка нормативных записей (как индивидуальных, так и усредненных), а также справочника записей, характерных для различных па тологий. Интерфейс пользователя. Современное программное обеспе чение должно обеспечивать так называемый дружественный интерфейс пользо вателя. Напомним, что понятие «дружественный интер фейс» подразумевает наглядное представление информации на экра не монитора, использование набора меню и манипулятора «мышь», наличие как контекстнозависимой справочной системы, так и справочной системы по оглавлению, учет возможности ошибок пользователя, в частности, присутствие требования подтверждения при выполнении команд, ведущих к потере информации, и другие приемы, облегчающие работу с системой.
По назначению МПКС можно разделить на несколько классов:
системы для проведения функциональных исследований,
системы лучевой диагностики,
мониторные системы,
системы управления лечебным процессом,
системы лабораторной диагностики,
системы для научных медико-биологических исследований.
Наибольшее развитие получили МПКС для функциональной диагностики..
Биоэлектрические показатели прямого измерения – это электрические потенциалы, генерируемы организмом человека:
электроэнцефалограмма (ЭЭГ), отражающая изменение биопотенциалов головного мозга;
вызванные потенциалы (ВП) - фоновые изменения среднего уровня ЭЭГ в ответ на внешние раздражители;
электрокардиограмма (ЭКГ) - электрическая активность сердца, вызывающая сокращения сердечных мышц;
электромиограмма (ЭМГ) представляет электрическую активность, связанную с сокращением скелетных мышц;
электрокулограмма (ЭОГ) является электромиограммой мышц, управляющих движениями глазного яблока.
Показатели косвенного электроизмерения выражаются в изменении электрического сопротивления участков кожи и тела человека, для измерения которого необходимо дополнительное пропускание тока через исследуемый орган:
реограмма (РГ) характеризует изменение объемного сопротивления участков тела и органов, вызванное движением крови по сосудам, то есть изменением кровенаполнения;
кожно-гальваническая реакция (КРГ) - изменение сопротивления кожи как реакция на раздражения эмоционального и болевого характера, отражающиеся на деятельности потовых желез.
Показатели преобразовательного измерения отражают различные процессы биохимического или биофизического происхождения, требующие предварительного преобразования в изменение электрического тока и напряжения посредством специализированных датчиков:
фонокардиограмма (ФКГ), характеризующая акустические явления, возникающие при работе сердца;
спирограмма (СГ), отражающая динамику изменения скорости воздушного потока в дыхательных путях при вдохе и выдохе;
динамика дыхательного ритма - обычно измеряется при помощи пьезодатчиков по изменению длины нагрудных эластичных ремней;
пульсоксиметрия (ПО) фиксирует изменения насыщения крови кислородом по отраженному свету с использованием светочувствительных датчиков;
плетизмограмма – описывает изменение кровотока, регистрируемое фотодатчиками по отраженному от мелких сосудов свету
тремометрия – исследования тремора при его возникновении в процессе исследования как с использованием электромиографической методики, так и при проведении специализированного дополнительного исследования на тремометре.
кардиоинтервалография – исследование состояния вегета тивного обеспечения деятельности организма и его реактивности с использованием математического анализа ритма сердца. Анализу подвергаются интервалы RR, изучаются статистические характеристики их изменения в процессе проведения пробы и в покое – среднее значение, вариационный размах, дисперсия, комплексные меж системные коэффициенты – индексы напряжения, индекс Баевского и некоторые другие.
исследование фаз дыхания с использованием термодатчика позволяет в сочетании с применением методик кардиоинтервалографии и кожно-гальванических реакций судить о более тонких изменениях меж системных взаимоотношений при проведении нагрузоч ных проб.