Физические измерения в биологии и медицине

Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем с помощью технических средств.

Теория погрешностей.

Измерение физических параметров.

Измерения позволяют установить закономерности природы и яв­ляются элементом познания окружающего нас мира.

Различают измерения прямые, при которых результат получа­ется непосредственно из измерения самой величины (например, измерение температуры тела медицинским термометром, измере­ние длины предмета линейкой), и косвенные, при которых иско­мое значение величины находят по известной зависимости между ней и непосредственно измеряемыми величинами (например, оп­ределение массы тела при взвешивании с учетом выталкивающей силы, определение вязкости жидкости по скорости падения в ней шарика). Технические средства для производства измерений (сред­ства измерений) могут быть разных типов. Наиболее известным читателю средством измерений является измерительный при­бор, в котором измерительная информация представляется в фор­ме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (например, температура представлена в термометре длиной стол­бика ртути, сила тока — показанием стрелки амперметра или циф­ровым значением). К средствам измерений относят также и меру, которая предназначена для воспроизведения физической величи­ны заданного размера (например, гиря определенной массы).

Одно из распространенных средств измерений — измерительный преобразователь (датчик). Он предназначен для выработки сигна­ла измерительной информации в форме, удобной для передачи, даль­нейшего преобразования, обработки и (или) хранения (например, температура может быть представлена электрическим сигналом).

Значение физической величины, полученное при измерении, отличается от истинного. Степень приближения результатов из­мерения к истинному значению измеряемой величины характе­ризуется точностью измерений. Точность измерений является качественным показателем измерений.

Количественная оценка результата измерений дается абсо­лютной погрешностью — отклонением результатов измере­ний от истинного значения измеряемой величины. Чем меньше погрешность, тем выше точность измерений.

Случайные погрешности, это случайные величины, поэтому их можно обработать, проанализировать и таким образом учесть, используя соответствующий математический аппарат: теорию ве­роятностей и математическую статистику.

Одним из основных метрологических понятий является едини­ца измерения физической величины. Единицей измерения физи­ческой величины называют стандартное значение этой физиче­ской величины, принятое по соглашению в качестве основы для ее количественной оценки.

Единицы физических величин в основном группируются в сис­темы единиц. Основной является Международная система еди­ниц (система интернациональная, СИ).

В физических измерениях достаточно широкое распростране­ние получили относительные величины, которые являются отно­шением физической величины к одноименной физической вели­чине, принимаемой за исходную. В качестве примера можно ука­зать концентрацию раствора, диэлектрическую и магнитную проницаемости, коэффициент полезного действия, относитель­ную деформацию, коэффициент трения, вязкость крови относи­тельно вязкости воды и т. д.

Единицы измерения относительных величин не имеют размер­ности и названия. Однако в ряде случаев относительную величину традиционно выражают со стократным или тысячекратным увеличением. При этом соответствующая единица измерения будет иметь название: процент (%) или промилле (%о).

Для выражения уровня звукового давления, уровня интенсив­ности звука, уровня усиления электрического сигнала и т. п. удобнее использовать логарифм относительной величины (наибо­лее распространен десятичный логарифм):

Единицей логарифмической величины является бел (Б):

при а₂= 10 а₁

Достаточно распространена дольная единица — децибел (дБ):

1дБ = 0,1Б.

Заметим, что 1 дБ соответствует соотношению «энергетиче­ских» величин

а ₂ ~ 1,26 а ₁:

а для «силовых» величин а ₂ ~ 1,12 а ₁:

Метрологическое обеспечение

Измерения производятся с использованием технических средств. Результаты измерения должны соответствовать опреде­ленной точности и быть одинаковыми, если измеряются идентич­ные величины, независимо от того, производятся ли измерения одномоментно или в разное время, в одной лаборатории или в раз­ных.

Для выполнения этих условий необходимо соответствующее мет­рологическое обеспечение — установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необ­ходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Организационной основой метрологического обеспечения в на­шей стране является метрологическая служба России, состоящая из государственных и ведомственных метрологических служб.

Под единством измерений понимают одинаковость результа­тов тождественных измерений независимо от места и времени их проведения, а также достоверность измерений.

Для определения погрешностей средств измерений и установ­ления их пригодности к применению осуществляют их поверку. Поверка производится органами метрологической службы при помощи эталонов и образцовых средств измерений.

Эталонами называют средства измерений или комплексы средств измерений, обеспечивающие воспроизведение и хранение узаконенной единицы физической величины. Первичные этало­ны в нашей стране обеспечивают наивысшую точность воспроиз­ведения данной единицы. Кроме первичного есть вторичные эта­лоны, от которых передается размер единицы образцовым средст­вам измерения.

Образцовым средством измерения называется такое, кото­рое аттестовано в качестве образцового и применяется для поверки по нему рабочих средств измерений.

Рабочими средствами измерений называют такие, которые применяются для практических измерений в различных областях.

Таким образом, метрологическая цепочка, по которой переда­ется размер единицы физической величины, состоит из следую­щих основных звеньев: эталоны — образцовые средства измере­ний — рабочие средства измерений.

Медицинская метрология.

Специфика медико-биологических измерений

Технические устройства, используемые в медицине, называют обобщенным термином медицинская техника. Большая часть ме­дицинской техники относится к медицинской аппаратуре, кото­рая, в свою очередь, подразделяется на медицинские приборы и медицинские аппараты.

Медицинским прибором принято считать техническое устрой­ство, предназначенное для диагностических или лечебных изме­рений (медицинский термометр, сфигмоманометр, электрокарди­ограф и др.).

Медицинский аппарат — техническое устройство, позволяю­щее создавать энергетическое воздействие терапевтического, хи­рургического или бактерицидного свойства, а также обеспечивать в медицинских целях определенный состав различных субстан­ций (аппарат УВЧ-терапии, электрохирургии, искусственной почки, кохлеарный протез и др.).

Метрологические требования к медицинским приборам как к измерительным устройствам достаточно очевидны. Многие меди­цинские аппараты призваны оказывать дозирующее энергетиче­ское воздействие на организм, поэтому они также включены в сферу внимания метрологической службы.

Измерения в медицине (медицинские или медико-биологиче­ские измерения), а также соответствующие средства измерений достаточно специфичны. Эта особенность побуждает выделить в метрологии отдельное направление — медицинскую метрологию.

В настоящее время медицинские измерения в большинстве случаев проводит медицинский персонал (врач, медсестра), не яв­ляющийся технически подготовленным. Поэтому целесообразно создавать медицинские приборы, градуированные в единицах фи­зических величин, значения которых являются конечной меди­цинской измерительной информацией (прямые измерения).

Желательно, чтобы время измерения, вплоть до получения конечного результата, было как можно меньше, а информация как можно полнее. Этим противоречивым требованиям удовлет­воряют измерительные комплексы, включающие вычислитель­ные машины.

При метрологическом нормировании создаваемого медицин­ского прибора важно учитывать медицинские показания. Врач должен определить, с какой точностью достаточно представить результаты, чтобы можно было сделать диагностический вывод. При этом должны быть учтены возможные отклонения этих пока­заний у отдельных больных.

Многие медицинские приборы выдают информацию на реги­стрирующем устройстве (например, электрокардиограф), поэтому следует учитывать погрешности, характерные для этой формы за­писи.

Одна из проблем — терминологическая. Согласно требованиям метрологии, в названии измерительного прибора должна быть указана физическая величина или единица измерения (амперметр, вольтметр, частотомер и др.)- Название для медицинских приборов не отвечает этому принципу (электрокардиограф, и др.). Так, электрокардиограф следовало бы назвать милливольтметром с регистрацией показаний (или регистрирующим милливольтметром).

В ряде медицинских измерений может быть недостаточная
информация о связи между непосредственно измеряемой физической величиной и соответствующими медико биологическими параметрами. Так, например, при клиническом (бескровном) методе измерения давления крови допускается, что давление воздуха внутри манжеты приблизительно равно давлению крови в плечевой артерии. На самом деле эта связь не слишком простая и зависит от ряда факторов, в том числе и от степени расслабления мускулатуры.
Лабораторные измерения (in vitro) могут отличаться от значений
ответствующего параметра в условиях организма (in vivo).

В процессе измерения медико-биологические параметры
гут изменяться.

Естественно, что при создании медицинской аппаратуры до. ны быть учтены и иные требования (санитарно-гигиеничес* вопросы безопасности, надежности и др.); некоторые из них ] сматриваются дальше.

Большинство измерений в медицине является измерена физических или физико-химических величин.

В количественной диагностике это может быть давление крови, временная зависимость биопотенциалов, оптическая сила глаза и др.

Всевозможные физические медико-биологические измерения могут быть классифицированы либо по функциональному при­знаку, либо по принадлежности к соответствующему разделу фи­зики. Физическая классификация более близка структуре данно­го курса, поэтому она и приведена ниже.

Механические измерения: антропометрические параметры те­ла, перемещение, скорость и ускорение частей тела, крови, возду­ха, акустические измерения, давление крови и жидкостей в орга­низме и воздуха в окружающей среде, измерение вибраций и др.

Теплофизические измерения: температура органов, частей те­ла и окружающей среды, калориметрические измерения биологи­ческих объектов, продуктов питания и др.

Электрические и магнитные измерения: биопотенциалы, ин­дукция магнитного поля сердца, измерение импеданса биологиче­ских объектов с диагностической целью, параметров электромаг­нитных полей и концентрации ионов с гигиенической целью и др.

Оптические измерения: колориметрические измерения, изме­рения оптических характеристик глазных сред с диагностической целью, спектральные измерения для диагностики и судебно-меди­цинского назначения, измерение характеристик ультрафиолетово­го, инфракрасного и видимого света для гигиенических целей и др.

Атомные и ядерные измерения: измерение ионизирующих излучений (дозиметрия) и др.

Кроме того, можно указать и физико-химические измерения: количественное определение состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, газовый состав крови, рН крови и других биологических сред.

Функциональный принцип классификации методов меди­ко-биологических измерений проиллюстрируем на измерении па­раметров сердечно-сосудистой системы. Здесь встречаются меха­нические (баллистокардиография, фонокардиография, измерение давления крови), электрические и магнитные (электрокардиогра­фия, магнитокардиография), оптические измерения (оксигеомет-рия). Возможно применение и других физических методов

Дата добавления: 2013-12-13