Лабораторная медицинская техника. Ч. 1 (96

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

А.В. Самородов

ЛАБОРАТОРНАЯ МЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА

Часть 1

Под редакцией И.Н. Спиридонова

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

М о с к в а Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2 0 0 6

УДК 616.071(075.8) ББК 53.4

С17

Рецензенты: Н.М. Вереникина, Н.П. Муравская

Самородов А.В.

С17 Лабораторная медицинская техника: Учеб. пособие. – Ч. 1 / Под ред. И.Н. Спиридонова. – М.: Изд-во МГТУ им.

Н.Э. Баумана. 2006. – 24 с.: ил.

ISBN 5-7038-2872-4

Рассмотрены этапы проектирования биотехнических систем для лабораторной диагностики, сформулированы требования к результатам выполнения каждого из этапов, проанализированы возможные ошибки лабораторного анализа, даны методы оценки допустимых аналитических погрешностей, представлены основные сведения по оценке диагностической эффективности клинико-лабораторных систем.

Для студентов старших курсов факультета «Биомедицинская техника». Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 13 назв.

УДК 616.071(075.8) ББК 53.4

Введение

Внастоящее время медицина переживает новый этап своего развития. Это связано с появлением и внедрением в клиническую практику новых высокоинформативных методов диагностики, которые существенно изменяют прежние представления об этиологии, патогенезе и принципах лечения многих заболеваний. К таким методам, в частности, относятся лабораторные исследования. Достоверность результатов, получаемых с помощью клиниколабораторных систем, зависит от качества их функционирования. Поэтому разработка высококачественных образцов лабораторной медицинской техники является одной из важнейших задач современной биомедицинской инженерии.

Вклинико-диагностических лабораториях (КДЛ) исследуются практически все биоткани и биожидкости, существующие в организме человека. Препараты, приготовляемые из них, можно подразделить на две группы: жидкие пробы (как правило, разбавленные биожидкости) и фиксированный на предметном стекле материал (мазки, отпечатки, соскобы и т. п). В процессе анализа препаратов проводится определение концентраций различных биохимических и иммунологических компонентов, активности ферментов, показателей кислотно-основного состояния (и др.) и оценка морфологических параметров с определением клеточного состава, выявлением патологических клеток, белковых, кристаллических, клеточных и других образований.

Концентрации определяются в жидких препаратах, хотя в принципе могут использоваться и фиксированные препараты, приготовленные из дозированного количества биожидкости. Исследование морфологии проводится, как правило, на фиксированных и окрашенных препаратах. Ряд задач морфологического анализа также может решаться с использованием сильно разбавленных жидких препаратов.

Перечень параметров биологических проб, подлежащих определению, постоянно пополняется благодаря как открытию новых биологически активных компонентов в организме человека, так и

3

уточнению существующих систем классификации объектов анализа и модификации методов оценки их свойств.

Несмотря на большое разнообразие существующих и разрабатываемых клинико-лабораторных систем, можно выделить общие подходы к их проектированию. При этом целесообразно руководствоваться положениями теории биотехнических систем (БТС). Клинико-лабораторные системы относятся к БТС диагностического типа, одной из особенностей которых является исследование биологической пробы (БП), извлеченной различными способами из организма человека.

1. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ ТЕСТОВ

При проектировании диагностических БТС необходимо учитывать статистический характер взаимосвязи параметров внутренней среды организма с функциональным состоянием биологического объекта (БО). Одним из основных понятий, характеризующих эту особенность, является биологическая вариация (общая биологическая вариация, внутрииндивидуальная и межиндивидуальная биологическая вариация).

Общая биологическая вариация (ОБВ) – диапазон значений исследуемого параметра, типичный для практически здоровых людей.

Количественно ОБВ характеризуется коэффициентом вариации CVОБВ, который определяется как

CVОБВ = Sxx 100 % ,

где Sx – выборочное среднеквадратическое отклонение (СКО) исследуемого параметра x; x – его выборочное среднее.

ОБВ зависит прежде всего от той физиологической функции, которую выполняет в организме анализируемое вещество (параметр). Наименьшая ОБВ обнаружена у веществ с наилучшей регуляцией гомеостаза и наиболее важных для стабильного состава и объема внеклеточных жидкостей и крови. К таким веществам относятся: натрий Na, хлор Cl, углекислый газ CO2, кальций Ca, магний Mg, альбумин, общий белок, а также pH крови.

Средняя степень регулирования гомеостаза и соответственно средняя ОБВ определены у веществ, участвующих в процессах анаболизма (например, у глюкозы, холестерина, фосфора).

4

Наибольшая ОБВ обнаружена у компонентов сыворотки, являющихся конечными продуктами катаболизма (мочевая кислота, мочевина, креатинин), а также у выделяемых из тканей веществ, в частности ферментов (лактатдегидрогеназа, аминотрансфераза и др.).

К факторам, формирующим ОБВ, относятся: физиологические факторы (раса; пол; возраст; тип сложения;

физическая активность; цикл питания); факторы среды (географические – температура, влажность;

время года; диета – качество воды и пищи; социальная среда); токсические и терапевтические факторы (кофеин; табак; эта-

нол; контрацептивы; седативные и психотропные препараты и др.);

условия взятия БП (время приема пищи; физическая нагрузка; стресс во время взятия БП; положение тела; предшествующий отдых; гемостаз при взятии пробы; консерванты; посуда и др.).

Последние два фактора являются регулируемыми, и, следовательно, их влияние может быть устранено или сведено к минимуму.

ОБВ складывается из внутрииндивидуальной (ВБВ) и межиндивидуальной (МБВ) биологических вариаций:

CVОБВ2 = CVI2 + CVG2 ,

где CVI – коэффициент ВБВ; CVG – коэффициент МБВ.

ВБВ наблюдается у одного и того же человека в результате влияния биологических ритмов (разное время дня, года и т. п.). МБВ вызывается как эндогенными, так и экзогенными факторами.

С понятием ОБВ связано понятие диапазона нормы. Диапазон нормы – 95 %-ный доверительный интервал значений параметра, определенный для данной популяции среди практически здоровых людей, т. е. тех, у которых отсутствуют клинические проявления заболеваний. Диапазон нормы определяется по результатам измерений исследуемого параметра с использованием конкретного метода (прибора).

Диапазоны нормы для различных веществ, которые применяются в лабораторной диагностике, включают ОБВ веществ без учета отдельных факторов, формирующих ОБВ. Поэтому понятие нормы является неопределенным, что снижает диагностическую ценность лабораторных тестов. В настоящее время в медицине чаще стали пользоваться понятием «референтная величина». Референтная величина – величина лабораторного параметра (показа-

5

теля) индивида, относящегося к референтной группе, т. е. группе индивидов, отобранных по строго определенным критериям. Соответствующие референтные интервалы значительно ýже диапазонов нормы.

Как правило, результат лабораторного теста интерпретируется как положительный или отрицательный (есть/нет отклонения от нормы). При этом диагностическая информативность теста (т. е. степень соответствия его результатов состоянию пациента) может быть разной.

При определении диагностической информативности лабораторных тестов используют два основных научных подхода: патофизиологический и статистический. Патофизиологический подход позволяет изучать механизмы возникновения патологии и вызываемые ею изменения состава и содержания биологических жидкостей. Благодаря этому подходу сформирована основная масса знаний в современной лабораторной медицине. Статистический подход дает возможность объективно установить способность теста выявлять болезнь.

В настоящее время в медицине используются следующие показатели диагностической информативности лабораторных тестов

(рис. 1).

Рис. 1. Результаты лабораторного теста:

ИО – истинно отрицательные; ИП – истинно положительные; ЛП – ложно положительные; ЛО – ложно отрицательные

1. Диагностическая чувствительность (ДЧ) – вероятность положительного результата теста при наличии болезни, т. е. про-

6

центное выражение частоты положительных результатов теста у больных данной болезнью:

ДЧ = ИПИП+ ЛО 100 %,

где ИП – истинно положительные результаты; ЛО – ложно отрицательные результаты.

2. Диагностическая специфичность (ДС) – вероятность отрицательного результата теста при отсутствии болезни, т. е. процентное выражение частоты отрицательных результатов теста у лиц, не страдающих данной болезнью:

ДС = ИОИО+ ЛП 100 %,

где ИО – истинно отрицательные результаты; ЛП – ложно положительные.

3. Диагностическая эффективность теста (ДЭ) – вероятность правильного результата теста, т. е. процентное отношение истинных результатов теста к общему числу полученных результатов:

4. Предсказательная ценность положительного результата теста (ПЦ+) – вероятность наличия болезни у пациента при положительном результате теста, т. е. процентное отношение ИП результатов к общему числу положительных результатов:

ПЦ + = ИПИП+ ЛП 100 %.

5. Предсказательная ценность отрицательного результата теста (ПЦ–) – вероятность отсутствия болезни у пациента при отрицательном результате теста, т. е. процентное отношение ИО результатов к общему числу отрицательных результатов:

ПЦ− = ИОИО+ ЛО 100 %.

7

Диагностические чувствительность и специфичность тестов связаны с известными из математической статистики ошибками первого (α) и второго (β) рода. Если cуть гипотезы – отсутствие болезни, то

Внастоящее время для установления достоверного критерия различия распределений популяций здоровых и больных обследуемых (как для каждого теста, так и для их совокупности), а также для дифференциальной диагностики сходных по симптомам заболеваний по результатам лабораторных исследований используют различные методы теории распознавания образов. Как правило, применяют байесовский подход, в рамках которого можно рассчитать вероятность каждого из возможных заболеваний по известному набору симптомов (результатов лабораторных исследований), а также оценить их информативность.

2.ТОЧНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Врезультатах лабораторного анализа выделяют две группы погрешностей: внелабораторные и внутрилабораторные. Причинами внелабораторных погрешностей являются:

канцелярские ошибки (ошибочный больной, ошибочный образец, ошибочная заявка и т. п.);

ошибки при взятии БП (нарушение условий взятия образцов, неучет токсических и терапевтических факторов, нарушение условий хранения и транспортирования образцов).

Внелабораторные погрешности зачастую имеют большие значения, однако, как правило, их можно минимизировать организационными мероприятиями. Предметом рассмотрения проектировщика лабораторной медицинской техники являются прежде всего внутрилабораторные погрешности, которые называют аналитическими.

Показателем качества результатов измерений является точность. Точность – это степень близости результатов измерения к установленному значению. Точность методов и результатов измерений в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725 характеризуется правильностью и прецизионностью.

8

1. Правильность – степень близости среднего значения, полученного на основании большой серии результатов измерений, к установленному (эталонному, опорному, действительному) значению. Понятие установленного значения используется вместо истинного значения, которое невозможно определить. Показателем правильности результатов лабораторного анализа, как правило, является значение систематической погрешности лаборатории. Систематическая погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, которая остается неизменной или меняется предсказуемым образом. Систематические погрешности подразделяют на аддитивные и мультипликативные.

Систематическая погрешность лаборатории – разность меж-

ду выборочным средним результатов измерений контрольного образца в отдельной лаборатории x и установленным значением xУЗ. Часто данную погрешность характеризуют смещением:

B = x − xУЗ 100 %.

xУЗ

При проведении лабораторных измерений систематическая погрешность лаборатории складывается из систематической погрешности метода измерений Bм и лабораторной составляющей

систематической погрешности Bл :

B = Bм + Bл.

Систематическая погрешность метода измерений – разность между выборочным средним результатов измерений, полученных во всех лабораториях, применяющих данный метод, и установленным значением.

Лабораторная составляющая систематической погрешности

– разность между систематической погрешностью лаборатории при реализации конкретного метода измерений и систематической погрешностью этого метода.

Лабораторная составляющая систематической погрешности при реализации конкретного метода измерений является специфической для данной лаборатории и для условий выполнения измерений в пределах лаборатории. Значение этой погрешности также может зависеть от значения измеряемой величины.

9

2. Прецизионность – степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях. Показателем прецизионности является значение случайной погрешности. Случайная погрешность измерения

– составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом. Случайными называются неопределенные по знаку и величине ошибки, в появлении каждой из которых не наблюдается какой-либо закономерности. Они обусловлены свойствами исследуемой пробы (негомогенность), некачественным инструментарием, нестабильностью измерительных приборов, неточностью работы персонала лаборатории и т. п.

Случайную составляющую погрешности в КДЛ принято количественно характеризовать коэффициентом аналитической вариации

CVан = Sxан 100 %,

где Sан – выборочное СКО; x – выборочное среднее результатов

измерений одной пробы (контрольного образца). Количественные значения мер прецизионности существенно

зависят от регламентированных условий. Крайними случаями совокупностей таких условий являются условия повторяемости и условия воспроизводимости.

Условия повторяемости – условия, при которых независимые результаты измерений получают одним и тем же методом на идентичных объектах испытаний в одной и той же лаборатории одним и тем же оператором с использованием одного и того же оборудования в пределах короткого промежутка времени.

Условия воспроизводимости – условия, при которых результаты измерений получают одним и тем же методом на идентичных объектах испытаний в разных лабораториях разными операторами с использованием различного оборудования.

Особенностью лабораторного анализа является то, что измерения, как правило, проводят по сериям. Аналитическая серия – совокупность измерений лабораторного показателя, выполненных единовременно в одних и тех же условиях без перенастройки и калибровки измерительной (аналитической) системы. При этом различают внутрисерийную и межсерийную воспроизводимость.

Внутрисерийная воспроизводимость – прецизионность внутри одной аналитической серии. Межсерийная воспроизводимость –

10