Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
58
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
5.22 Mб
Скачать

Глава 10. Метрология вокруг нас

120 м/с. И конечно, очень «проворен» должен быть ток крови, снабжающей кислородом все органы человеческого тела. Со скоростью 0,2 м/с кровь выталкивается в аорту. По мере продвижения по сосудам ее течение замедляется: в тончайших капиллярах она составляет всего лишь 3 · 10–4 м/с (0,3 мм/с). Медленно перемещается

Таблица 10.2

Характеристика биомедицинских параметров организма человека

Измеряемая величина

Диапазон

Погрешность

измерений

измерений, %

 

 

 

 

Биопотенциал тела

10–5–0,2 Â

± (10–15)

 

10-3–10–4 Ãö

± (10–15)

Сопротивление органов и

 

 

 

кожного покрова

10–2–106 Îì

± (10–20)

Вибрации органов, сосудов

0–103 ìêì

± (10–15)

 

0–3 ñì/ñ2

± (10–15)

 

0,002–0,1 Ãö

± (10–15)

Время распространения (затухания)

 

 

 

ультразвука в тканях

3·10–7–5·10–4 ñ

± (1–5)

Давление биожидкостей и газов в

 

 

 

органах и полостях тела

10–50 êãñ/ñì2

± (2–10)

Объемы и расходы:

 

 

 

биожидкостей

2–5 ë

± (10–15)

 

2·102–2·104 ìë/ìèí

± (10–15)

газов

0,1–10 ë

± (10–15)

 

10–1000 ë/ìèí

± (10–15)

Газовый состав выдыхаемого

Î2

0–30%

± (0,1–3)

воздуха и крови

ÑÎ2

0–100%

± (0,5–4)

 

ÐÎ2

0,01–5%

± 0,2

Температура тела и кожного покрова

16–42 °Ñ

± 1

Порог чувствительности

 

 

 

анализаторов:

 

 

 

тактильного

0,01–0,1 ì/ñ

± (5–10)

слухового

10–9 – 25·10–5 êãñ/ñì2

± (5–10)

зрительного

3·10–8 – 500 êä/ì2

± (5–10)

294

10.4. Метрология в биомедицине и спорте

пища в кишечнике (5 · 10–3 м/с = 0,5 см/с). Понятно, процессы созидания организма весьма ответственны и должны совершаться неторопливо.

Âпервый год жизни, когда человек растет быстрее всего, он прибавляет в росте четверть метра – иными словами, скорость его роста измеряется величиной порядка 10–8 м/с. С каждым последующим годом рост замедляется и к совершеннолетию прекращается вовсе. Впрочем, о созидательных процессах, непрерывно идущих в организме, нам постоянно напоминает рост ногтей (10–9 м/с = 2 мм/мес.) и волос (4 · 10–9 ì/ñ = 0,35 ìì/ñóò.).

Âтабл. 10.2 приведены диапазон и погрешность измерений различных биомедицинских параметров организма человека.

Все эти параметры сегодня регистрируются приборами, которые, безусловно, проходят метрологическое обслуживание. Классификация биомедицинских средств измерений приведена в табл. 10.3.

 

Таблица 10.3

Виды биоизмерений и соответствующая аппаратура

 

 

Вид биоизмерений

Аппаратура

 

 

Биоэлектрические и

1. Диагностические приборы для измерения био-

биомагнитные

электрических потенциалов мозга, сердца, мышц,

 

клеток, глаза, желудка и других органов, парамет-

 

ров их биомагнитного поля, а также электриче-

 

ского импеданса органов, участков тела и кожного

 

покрова.

 

2. Электростимуляторы и физиотерапевтические

 

аппараты низкочастотной электротерапии посто-

 

янным током (гальванизация, гидроэлектротера-

 

пия, электрофорез), низкочастотным током (элек-

 

тросон, терапия диадинамическим током, интер-

 

ференцтерапия, дефибрилляторы), постоянным

 

полем, высокочастотной электротерапии ВЧ-полем

 

(УВЧ, ДЦВ, СВЧ-терапия, дарсонвализация, диа-

 

термия, индуктотермия) и ионотерапии.

 

3. Гигиенические приборы для измерения статиче-

 

ского электричества, напряженности СВЧ поля и

 

мощности СВЧ, а также для измерения концентра-

 

ции ионов в воздухе.

 

 

295

 

Глава 10. Метрология вокруг нас

 

 

 

 

 

Продолжение табл. 10.3

 

 

 

 

Вид биоизмерений

Аппаратура

 

 

 

 

Биоакустические

1. Диагностические приборы с целью измерения

 

 

параметров излучаемых акустических сигналов

 

 

организма (сердца, мозга, сосудов, легких, желуд-

 

 

ка, кишечника и др.), акустических импедансов

 

 

органов и участков тела и параметров слухового

 

 

анализатора (абсолютного порога чувствительно-

 

 

сти при воздушной и костной проводимости и

 

 

дифференциальных порогов по интенсивности и

 

 

частоте).

 

 

2. Фоностимуляторы и ультразвуковые физиотера-

 

 

певтические аппараты. Гигиенические приборы

 

 

для измерения шумов.

 

 

 

 

Биомеханические

1. Диагностические приборы для измерения пара-

 

 

метров перемещений тела и вибраций органов

 

 

(движения мышцы и клапанов сердца, грудной

 

 

клетки и всего тела при работе сердца, грудной

 

 

клетки при дыхании, стенок артерий и вен, опор-

 

 

но-двигательного аппарата, голосовых связок),

 

 

расположения и размеров внутренних органов,

 

 

давления в органах и полостях тела (в сердце и

 

 

крупных сосудах, внутричерепного, внутриглазно-

 

 

го, в желудке, кишечнике, желчном пузыре), объ-

 

 

ема и расхода крови и воздуха при дыхании,

 

 

а также вибрационной чувствительности тактиль-

 

 

ного анализатора.

 

 

2. Гигиенические приборы для измерения парамет-

 

 

ров вибраций.

 

 

 

 

Биооптические

1. Диагностические приборы для измерения пара-

 

 

метров зрительного анализатора (абсолютный по-

 

 

рог чувствительности, острота и поле зрения, кри-

 

 

тическая частота мельканий и интервал дискретно-

 

 

ñòè).

 

 

2. Фотостимуляторы и физиотерапевтические ап-

 

 

параты УФ, ИК и видимого излучения.

 

 

3. Гигиенические приборы для измерения УФ, ИК-

 

 

излучения, суммарной солнечной радиации (акти-

 

 

нометрия) и освещенности помещений.

 

 

 

 

296

10.4. Метрология в биомедицине и спорте

 

Окончание табл. 10.3

 

 

Вид биоизмерений

Аппаратура

 

 

Ионизирующих излу-

1. Диагностические приборы для измерения актив-

чений, биосубстратов

ности изотопа, введенного в органы и ткани (лег-

и окружающей среды

кие, щитовидную железу, позвоночник) и накоп-

 

ленного там.

 

2. Аппараты лучевой γ -, рентгенотерапии потоком

 

ускоренных частиц.

 

3. Гигиенические приборы для измерения ионизи-

 

рующих излучений окружающей среды.

 

4. Приборы лабораторного анализа для измерения

 

биохимического состава биосубстратов (фермен-

 

тов, белков, гормонов и др.), их газового состава,

 

концентраций микрочастиц (эритроцитов, лейко-

 

цитов, клеток и др.) и физических свойств (плот-

 

ности вязкости, объемов и т.д.).

 

5. Гигиенические приборы для измерения концен-

 

трации химически активных веществ в пробах сре-

 

ды и их физических свойств (запылености воздуха,

 

мутности воды и др.).

 

 

Времени, частоты и

1. Измерители временных интервалов и частот (ха-

теплофизических па-

рактеризующих функционирование организма),

раметров

диагностические приборы для измерения частоты и

 

периода сердечных сокращений, пульса, дыхания,

 

времени реакций.

 

2. Диагностические приборы для измерения темпе-

 

ратуры органов и частей тела, гигиенические при-

 

боры для измерения температуры окружающей

 

среды; генераторы тепловых воздействий – термо-

 

стимуляторы.

 

 

Примечание. В таблице: УФ – ультрафиолетовый; ИК – инфракрасный; ВЧ – высокочастотный; УВЧ – ультравысокочастотный; СВЧ – сверхвысокочастотный.

По мнению ведущего специалиста в области биомедицинской метрологии Р.С. Дадашева, необходимость в создании специальных образцовых мер и средств измерений для метрологических медицинских измерений продиктована:

297

Глава 10. Метрология вокруг нас

Øнесовпадением диапазонов общетехнических и биомедицинских измерений (например, средства измерений биопотенциалов в диапазоне инфранизких частот);

Øневозможностью оценки существующими образцовыми средствами динамической погрешности рабочих средств измерений (например, диагностические приборы, предназначенные для измерения динамических величин, в том числе средства измерения переменных давлений крови, переменных расходов крови и воздуха при дыхании и др.);

Øотсутствием образцовых средств для оценки погрешностей средств измерений, связанных с условиями измерений на биологи- ческом объекте. Это относится к диагностической и физиотерапевтической аппаратуре, где возникает необходимость в создании образцовых средств с учетом свойств объекта исследования, тканеэквивалентных фантомов для измерения поглощенной энергии доз при физиотерапии;

Øотсутствием методов и образцовых средств измерений в определенном диапазоне той или иной физической величины.

Остановимся на техническом обеспечении кардиологии – области медицины, которая привлекает сегодня повышенное внимание во всем мире. В России создан комплекс кардиологической аппаратуры – не отдельные устройства, а именно целый комплекс. Одни из этих приборов стимулируют работу сердца. С помощью других исследуются кровообращение, работа сердечно-сосудистой системы, включая кровообращение мелких сосудов и локальный кровоток, кровообращение в сочетании с дыханием. Третьи измеряют и анализируют параметры органов дыхания, ударный объем сердца, систолическое, диастолическое и среднее артериальное давление, частоту сердечных сокращений, частоту дыхания и т. д. В ряде приборов заложены специальные программы для выявления скрытой патологии, проявляющей себя только при дозированной нагрузке.

Âсостав комплекса входят и ритмокардиометры, и электрокардиоскопы, и ритмокардиосигнализаторы индивидуального пользования. Последние программируются врачом применительно к каждому больному, позволяют точно дозировать нагрузку в период выздоровления.

298

10.4. Метрология в биомедицине и спорте

Простота в обращении и удобное отображение информации делают указанные приборы доступными персоналу, даже не имеющему специальной подготовки. Следует подчеркнуть еще одну особенность аппаратуры: способность анализировать информацию – это ценнейшее достоинство обеспечивают встроенные микропроцессоры.

Сбывшаяся мечта медиков – томограф в нейродиагностике. Этот измерительный комплекс не только увеличивает достоверность диагноза, но и имеет большое специальное значение – повышается доверие пациента к результатам обследования, что само по себе благотворно сказывается на здоровье, сокращаются время ожидания пациента в очереди на прием к специалистам и, соответственно, непроизводительные потери времени.

Но особенно интересен и перспективен «машинный диагноз», который ставит медицинская диагностическая экспертная инфор- мационно-измерительная система (ИИС) на основании результатов исследований лучших медиков, чьи знания о болезнях хранятся в памяти ЭВМ.

Сегодня медики и психологи уже умеют измерять интеллектуальные способности человека путем определения так называемого коэффициента IQ. Для нормального человека он определен на уровне 110–120 ед. Чем выше IQ, тем выше интеллект человека.

Интересно исследование, проведенное компаниями «Fauna Communication» и ENDEVCO (Дания) и связанное с биологией братьев наших меньших. Речь идет о кошке, ее мурлыканье и вообще о семействе кошачьих.

Принято считать, что кошка мурлычет, когда она довольна. Однако мурлычут также тяжелораненые, испуганные и даже рожающие кошки. Если бы кошки мурлыкали только от счастья, раненые кошки, несомненно, не делали бы этого, особенно если учесть, что мурлыканье требует определенных затрат энергии, а раненое животное не станет тратить на действия, не связанные напрямую с выживанием, драгоценную энергию, необходимую для выздоровления. Значит, мурлыканье вызывается каким-то жизненно важным механизмом, а не только удовольствием.

Говорят: «Положите рядом с кошкой мешок переломанных костей – и кости заживут». Многие ветеринары-ортопеды знают, на-

299

Глава 10. Метрология вокруг нас

сколько легче срастаются сломанные кости у кошек. Существуют также публикации, сообщающие, что у кошек, как правило, реже возникают послеоперационные осложнения. Ортопедические заболевания и повреждения мускулов или связок, характерные для собак, у кошек встречаются гораздо реже; также нетипичны для них и случаи несрастания переломов.

Многочисленные исследования подтверждают, что низкочастотные вибрации малой интенсивности обладают терапевтическим действием. Такие вибрации способствуют росту костей, заживлению переломов, ослаблению болей, излечению мускулов и сухожилий, увеличению подвижности суставов, уменьшению опухолей и снижению одышки и опасности удушья.

Для измерения частоты мурлыканья и распространения вибрации по телу кошек их клали на коврики и периодически гладили, чтобы вызвать мурлыканье. Миниатюрные и легкие акселерометры «Model 22» были помещены непосредственно на кожу кошек и зафиксированы при помощи смывающегося косметического клея и медицинской клейкой ленты. Каждый сеанс измерений продолжался от 6 до 10 мин. Данные записывали на цифровые магнитные ленты.

Анализ результатов измерений показал, что, несмотря на разли- чие в размерах и генетических данных, все кошки имеют выраженные частоты мурлыканья в диапазоне терапевтических частот, а также определенные уровни громкости. Частоты, равные 25 и 50 Гц, наиболее действенно способствуют увеличению прочности костей; за ними следуют частоты, равные 100 и 200 Гц. Воздействие этих частот повышает прочность костей примерно на 30%, а также увеличивает скорость заживления переломов.

Исследовалось мурлыканье животных пяти видов семейства кошачьих: гепардов, пум, сервалов, оцелотов и домашних кошек. Мурлыканье всех кошачьих имело частоту в диапазоне от 20 до 200 Гц. За исключением гепарда, частота мурлыканья которого на ±2 Гц отличалась от остальных, у всех видов были обнаружены характерные частоты мурлыканья: 25, 50, 100, 125 и 150 Гц, точно совпадающие с оптимальными значениями частот, полученными в последних исследованиях в различных областях медицины (рост костей, срастание переломов, ослабление боли, снятие удушья и воспаления). Все кошки, включая гепардов, мурлыкали на частотах, отличающих-

300

10.4. Метрология в биомедицине и спорте

ся на ±4 Гц от всех известных низких частот, имеющих терапевти- ческий эффект при любых болезнях.

То, что кошки производят вибрации на частотах, известных своим исцеляющим и укрепляющим действием, возможно, объясняет сохранение мурлыканья в процессе естественного отбора. После долгой дневной или ночной охоты мурлыканье, видимо, действует как внутренняя вибрационная терапевтическая система, своего рода «кошачий массаж», который поддерживает мускулы и связки в рабочей форме и предохраняет их от повреждений. Кроме того, мурлыканье может укреплять кости и предупреждать костные заболевания.

Таким образом, основные направления работ по метрологическому обеспечению биологических и медицинских измерений сводятся к разработке:

Øметодов оценки для диагностических приборов основной погрешности измерения динамических величин (процессов) электри- ческой и неэлектрической природы и созданию образцовых мер и средств их воспроизведения и контроля преимущественно в диапазоне инфранизких частот;

Øметодов оценки для физиотерапевтических аппаратов поглощенной биологическим объектом энергии (доз) при различных физических воздействиях в широком диапазоне частот;

Øметодов и средств измерения гигиенических параметров сре-

äû;

Øстандартных образцов состава и свойств различных биосубстратов и проб среды для приборов лабораторного анализа.

В антропологии сформулировано научное направление антропометрия – наука об измерениях линейно-угловых размеров человеческого тела. В зависимости от того, какие кости измеряются, различают:

Øостеометрию – науку об измерении размеров костей;

Øкраниометрию – науку об измерении размеров черепа;

Øпельвиметрию – науку об измерении размеров таза. Разработаны и актуальные измерительные средства – антропо-

ìåðû.

Сегодня трудно представить спорт без метрологии, регистрации скоростей, высот и очков. Л.Н. Брянский и А.С. Дойников счита-

301

Глава 10. Метрология вокруг нас

ют, что все виды спорта (или, по крайней мере, большинство из них) можно условно разделить на три группы: в первой превалируют объективные методы оценки результатов, во второй объективные и субъективные методы оценки играют примерно одинаковую роль,

âтретьей превалируют субъективные оценки.

Êпервой группе относятся виды, где результат фиксируется по факту. «Быстрее, выше, сильнее!» – таков девиз спорта. Вопрос, кто быстрее, решается в спортивных состязаниях по бегу, плаванию, спуску по снежной трассе и т. д. Своеобразное состязание можно было бы устроить и между всеми другими видами спорта, связанными с перемещениями. Вот результаты подобного сравнения: бегун на короткие дистанции развивает скорость 10 м/с, бегун на длинные – 7 м/с, прыгун в длину – 9,5 м/с, прыгун в высоту – 6,7 м/с, пловец – 2 м/с. Сравним теперь скорости, которые получают спортивные снаряды в соревнованиях по метанию. Все они лежат в довольно узком интервале около отметки 30 м/с.

Человек существенно расширил этот интервал, используя им же изобретенные орудия: стрела из лука – 70 м/с, пуля из спортивного ружья – до 800 м/с. Техника помогла повысить скорости в спорте: велосипед – 14 м/с, мотоцикл – 140 м/с.

Наглядным примером вида спорта первой группы является и тяжелая атлетика. Атлеты по массе тела разбиваются на весовые категории, а затем результаты фиксируются в килограммах (раздельно или в сумме движений) – применяется шкала отношений. Фиксируются рекорды всех уровней.

Êэтой же группе относятся все прыжковые (высота, длина) дисциплины, кроме акробатических прыжков, прыжков на батуте и с трамплина. Также объективно в шкалах разностей оцениваются результаты в бобслее, санном и гребном спорте. То же можно сказать и о большинстве заплывов в бассейне. Исключение – эстафеты, где фиксируется дополнительно очередность финиширования – шкала порядка. Рекорды также фиксируются (кроме гребли, где влияют волнение, глубина канала и т. п.). Достаточно сложен под- счет очков в легкоатлетическом многоборье (десяти-, семи-, пятиборье). Здесь метры и секунды переводятся в очки, которые суммируются. Такие суммы можно интерпретировать как значения в своеобразной дискретной шкале порядка.

302

10.4.Метрология в биомедицине и спорте

Âлыжном спорте рекорды не фиксируются – разные трассы, разная погода. В гонках с раздельным стартом (это относится и к биатлону) фиксируется время прохождения дистанции. В остальных случаях – порядок прихода на финиш. То есть применяются шкалы разностей и порядка.

К первой группе можно отнести и спортивные игры – футбол, гандбол, хоккей, волейбол, баскетбол, водное поло. Подсчет забитых голов, шайб, набранных очков каждой командой ведется по абсолютной дискретной (счетной) неограниченной шкале, а окон- чательный результат определяется по шкале порядка по соотношению засчитанных голов, шайб, очков.

Ко второй группе можно отнести, например, прыжки в воду.

Ñодной стороны, для каждого рисунка прыжка устанавливается коэффициент трудности, исходя из которого определяется потолок оценки. С другой стороны, снятие баллов и их долей зависит от впе- чатления судей. Похожая ситуация в спортивной гимнастике, в прыжках на батуте. В обоих случаях работают шкалы порядка (с последующим суммированием полученных баллов). В прыжках с трамплина кроме дальности прыжка оценивается и стиль его выполнения (появляется субъективная оценка). Фиксируются «рекорды трамплина».

Как ни странно, близка к этому ситуация в спортивной ходьбе. Мало закончить дистанцию, еще нужно избежать дисквалификации за пробежку. А тут не обойтись без субъективности. Очень сложная ситуация в современном пятиборье (езда на лошади, фехтование, стрельба, плавание, кросс). Здесь и секунды, и очки, и баллы, и еще такой фактор, как взаимоотношение между всадником и лошадью, которые встречаются впервые.

К третьей группе следует отнести художественную гимнастику, фигурное катание, синхронное плавание. В них, безусловно, присутствуют количественные оценки, но основную роль играют субъективные впечатления судей, т. е. шкалы порядка. Из сказанного оче- видно, что в спорте используют почти все типы шкал.

Предварительные квалификационные забеги (заплывы) можно считать тестированием с целью определения способности человека в данный момент времени.

303