6.2. Классификация медицинских приборно-компьютерных систем

По функциональным возможностям МПКС подразделяются на специализированные, многофункциональные и комплексные.

Специализированные (однофункциональные) системы предназ­начены для проведения исследований одного вида (например, элек­трокардиографических).

Многофункциональные системы позволяют проводить иссле­дования нескольких видов (например, электрокардиографические, реографические и электроэнцефалографические).

Комплексные системы обеспечивают комплексную автоматиза­цию важной медицинской задачи. Примером может служить автома­тизированная мониторная система для палаты интенсивного наблю­дения, позволяющая отслеживать важнейшие физиологические параметры пациентов, а также контролировать функционирование аппаратов искусственной вентиляции легких.

В данном разделе ограничимся рассмотрением спе­циализированных систем.

По назначению МПКС могут быть разделены на ряд классов. К ним относятся:

• системы для проведения функциональных и морфологических исследований;

• мониторные системы;

• системы управления лечебным процессом;

• системы лабораторной диагностики;

• системы для научных медико-биологических исследований.

Широкое распространение получают системы для проведения функциональных и морфологических исследований. С их по­мощью осуществляются:

• исследования системы кровообращения;

• исследования органов дыхания;

• исследования головного мозга и нервной системы;

• исследования органов чувств (зрение, слух и т. д.);

• рентгенологические исследования (в том числе компьютерная томография);

• магниторезонансная томография;

• ультразвуковая диагностика;

• радионуклидные исследования;

• тепловизионные исследования.

Мониторные системы предназначены для длительного непре­рывного наблюдения за состоянием пациента, в первую очередь в палатах интенсивной терапии, операционных и послеоперационных отделениях.

К системам управления процессами лечения и реабилита­ции относятся автоматизированные системы интенсивной терапии, системы биологической обратной связи, а также протезы и искусст­венные органы, создаваемые на основе микропроцессорной техно­логии.

К системам лабораторной диагностики относятся системы, предназначенные для автоматизированной обработки данных лабо­раторных исследований. В их число входят системы для анализа би­осред и биожидкостей организма больного (крови, мочи, клеток, тканей человека и т. п.), данных микробиологических и вирусологи­ческих исследований, иммуноферментных исследований и др.

Системы для научных медико-биологических исследований отличаются более широкими возможностями, позволяющими осу­ществлять более детальное и глубокое изучение состояния организ­ма больного. Кроме того, системы для научных исследований позво­ляют проводить исследования на животных.

6.3. 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 воздей­ствия 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 медико-биологической информации, средства осуществления лечебных воздействий и средства вычислительной техники. В самом общем виде блок-схема 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 программы, реализующие функционирование всей системы.

Медицинское обеспечение разрабатывается постановщиками задач — врачами соответствующих специальностей, аппаратное — инженерами, специалистами по медицинской и вычислительной технике. Разработка специализированных микропроцессорных уст­ройств ложится на специалистов по микроэлектронике. Программ­ное обеспечение создается программистами или специалистами по компьютерным технологиям.

В аппаратуре съема медико-биологической информации осу­ществляется преобразование физических характеристик состояния пациента в форму аналоговых электрических сигналов. Под аналого­вым сигналом понимают непрерывный электрический сигнал, один из параметров которого (например, напряжение) соответствует ин­тенсивности биофизической характеристики (например, температу­ре тела, органа или ткани).

Рис. 6.2. Принцип действия аналого-цифрового преобразователя

В то же время компьютер может обрабатывать информацию, представленную только в цифровой форме. Вся другая информация (например, биосигналы) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Поэтому аналоговые сигналы, по­лучаемые аппаратурой съема медико-биологической информации, для ввода в компьютер должны быть преобразованы в цифровую форму.

Под цифровой формой здесь понимается представление сигнала в двоичной системе счисления, где наличие электрического сигнала соответствует цифре 1, а отсутствие — цифре 0.

Одним из стандартных устройств преобразования непрерывного электрического сигнала (аналогового) в серию дискретных цифро­вых сигналов служит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (рис. 6.2). На вход АЦП подается аналоговый сигнал (непрерывный), на выходе получается цифровой (дискретный).Наиболее важными характеристиками АЦП являются разряд­ность и быстродействие. С разрядностью связана точность преобра­зования сигнала.С быстродействием связана возможность передачи быстро изме­няющихся сигналов.

Рассмотрим частотное представление аналого­вого сигнала. Любой сигнал может быть представлен набором опре­деленного количества синусоид. И чем быстрее изменяется сигнал, тем больше синусоид требуется для адекватного представления сиг­нала.

Представление сигнала в виде набора синусоид называется спектром сигнала. Принято говорить о максимальной частоте спект­ра сигнала. АЦП должен работать с частотой, вдвое превышающей максимальную частоту спектра сигнала.

Например, принято считать, что для электрокардиограммы мак­симальная частота спектра составляет 100 Гц. Следовательно, для удовлетворительного представления непрерывного сигнала кардио­граммы в дискретном виде отсчеты должны быть по крайней мере вдвое чаще, чем максимальная частота спектра, т. е. в нашем приме­ре — 200 отсчетов в секунду (200 Гц). На практике используют еще более высокую частоту дискретизации. Обычно принято при диск­ретном представлении ЭКГ брать 400 отсчетов в секунду. Тогда ЭКГ передается практически без искажений.

Подключение внешних устройств к компьютеру осуществляется через порты и разъемы расширения.

Порты служат для ввода дан­ных, представленных в определенном виде, т. е. поддерживают опре­деленный интерфейс. Под интерфейсом понимают технические средства и протоколы взаимодействия, предназначенные для сты­ковки и сопряжения всех составных частей системы. В компьютерах используются так называемые малые интерфейсы периферийно­го оборудования — последовательный (RS-232C) и параллельный (Centronics).

Последовательный порт поддерживает интерфейс RS-232C. В этом случае передача данных осуществляется последовательно во времени поразрядно (бит за битом). Преимуществом последователь­ного интерфейса является возможность передачи данных на боль­шие расстояния (до нескольких километров). Недостатком является относительно низкое быстродействие. Он применяется для связи с медаппаратурой, другими компьютерами и т.д.

Параллельный порт поддерживает интерфейс Centronics. В этом случае передача данных осуществляется сразу по целому байту (8 разрядов) по параллельным проводам. Преимуществом парал­лельного интерфейса является быстродействие, недостатком — воз­можность передачи только на малые расстояния (до нескольких мет­ров). Обычно применяется для связи с принтерами.

Разъемы расширения используются для непосредственного подключения внешних устройств к шине компьютера, т. е. исполь­зуется машинный интерфейс. Это самый быстродействующий ин­терфейс, но и расстояние его минимально, т. е. само устройство дол­жно располагаться непосредственно в корпусе системного блока.

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 мульти­плексор — устройство, предназначенное для поочередного подклю­чения 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 физиологиче­скими параметрами организма (температура тела, артериальное дав­ление, 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 оборудо­вания 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. Далее выбирают число каналов поступления информации, регистрируемой в данном иссле­довании. Устанавливают характеристики каналов, коэффициенты их усиления, калибровки, частоты дискретизации и т. п. Проводят установку датчиков на пациенте и их подключение к системе. Уста­навливают режимы выполнения исследования, характеристики функциональных проб, режимы записи в буфер (заранее выделен­ный участок оперативной памяти), отображения данных на экране монитора. Кроме того, заполняется паспортный бланк испытуемого. Все эти установки врача запоминаются в дисковом файле и в даль­нейшем выполняются автоматически.

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 ре­зультатов 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 био­логической обратной связи.

Просмотр и редактирование связей. По окончании обследова­ния необходимо просмотреть полученные записи, чтобы выделить сегменты, представляющие интерес для дальнейшего анализа, и уда­лить артефакты.

Обычными средствами здесь являются плавное движение запи­си, масштабирование и позиционирование каналов, а также исполь­зование 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 экстремумов, вычитание или сложение сигналов по двум вы­бранным 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 параметров 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 голо­вы. 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.

При анализе ЭКГ, являющейся следующим по степени сложнос­ти физиологическим показателем, первостепенный интерес для вра­ча представляют временные изменения и статистика распределения структурных параметров: временных интервалов (RR, PQ, QRS, ST) и амплитуд (P, R, ST, T) с выдачей описательной статистики, вре­менных графиков, гистограмм и диаграмм рассеяния.

При анализе таких физиологических показателей, как реограмма (РГ), электромиограмма (ЭМГ), кожно-гальваническая реакция (КГР), спирограмма и т. п., врача, главным образом, интересуют по­казатели различных структурных отношений, латентности, диапа­зона изменения сигнала, скорости его возрастания и уменьшения, интегральные характеристики (площади под участком кривой с уче­том или без учета знака) и др. Для такого типа сигналов обычно ис­пользуют ручное считывание визирами основных амплитудных и интервальных параметров по индивидуальным волнам или по ре­зультатам усреднения серии волн и накоплению их в специальном внутреннем массиве.

Далее с помощью введенных формул могут вычисляться различ­ные индексы и производные характеристики (например, жизненная или остаточная емкость легких), выполняться разнообразные алгеб­раические преобразования, а также строиться графики различных зависимостей и производиться статистические оценки.

Оформление заключения. Словесное заключение, которое де­лается по результатам анализа и сопровождает конкретную запись биосигналов, необходимо для документального завершения прове­денного исследования. Однако автоматизация процесса оформления заключения встречает значительные трудности, характерные для разработки экспертных систем.

Поэтому в большой части МПКС генерация заключения осу­ществляется самим клиницистом без использования каких-либо «экспертных оболочек», путем выбора соответствующих полей из ранее созданной и предлагаемой ему так называемой «древовидной классификации» возможных отклонений от нормы, симптомов, синдромов и нозологических форм. Даже в системах, где реализова­ны алгоритмы автоматической генерации заключения, такие заклю­чения следует рассматривать лишь как предварительные, предназна­ченные для того, чтобы обратить внимание клинициста на основные отклонения измеряемых параметров от пределов физиологической нормы. Такие предварительные заключения нуждаются в дальней­шей верификации и ручной корректировке.

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. Это весьма актуальная проблема, поскольку объем данных, хранимых врачом функциональной диагностики, нарастает лавино­образно. Поэтому наиболее важной функцией этого модуля является организация поиска записей по их специфическим характеристикам (план и условия исследования, сведения о пациенте и т. п.).

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 патологий.

Интерфейс пользователя. Современное программное обеспе­чение должно обеспечивать так называемый дружественный интер­фейс пользователя. Напомним, что понятие «дружественный интер­фейс» подразумевает наглядное представление информации на экра­не монитора, использование набора меню и манипулятора «мышь», наличие как контекстно-зависимой 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.