Принципы преобразования медико-биологической информации

1.

Карагандинский медицинский университет
Принципы преобразования медико-биологической
информации.
Кафедра информатики и биостатистики
Ассистент профессор Коршуков И.В.

2.

Каковы три ключевые функции медицины?
Диагностика
Лечение
Профилактика

3.

А что нужно сделать в ходе диагностики?
Информация
Пациент
• Симптомы
(субъективны)
• Признаки
(объективны)
Врач
Диагноз
Информация – устранение неопределенности
Сигнал – физическое явление изменяющееся во времени и
пространстве и содержащее информацию

4.

Человек воспринимает окружающий мир с помощью
сенсорных систем
Механическая
Зрительная система
Слуховая система
Тепловая
Обонятельная система
Химическая
Электрического поля
Вкусовая система
?
Тактильная
Терморецепция
Магнитного поля
?
Ноцицепция
Проприоцепция
Электромагнитная
Вестибулярная система

5.

Сложности в получении информации человеком
1. Человек не восприимчив к некоторым видам энергии (электрического и
магнитного поля) либо к некоторым диапазонам частот (например
ультразвук не слышен, ультрафиолет не виден)
2. Не все сигналы от пациента могут достичь врача (например нельзя
осмотреть желудочно-кишечный тракт)
3. Человеческие органы чувств не позволяют получить количественную
оценку сигнала (не удастся измерить температуру с точностью до
градуса), кроме того человеческое восприятие всегда относительно
(например можно лишь сравнить температуру тела пациента с
температурой кожи врача).
Эти проблемы могут быть преодолены
используя медицинскую аппаратуру.

6.

Классификация приборов и аппаратов используемых в медицине
При классификации изделий медицинского назначения и медицинской техники
учитывают их функциональное назначение и условия применения. Принципы
классификации изделий медицинского назначения и медицинской техники
основаны на:
1) длительности применения: для кратковременного применения,
временного применения; длительного применения;
2) инвазивности: полного или частичного введения в тело через его
поверхность, либо анатомические полости в теле, либо посредством
хирургического вмешательства, либо в связи с ним;
3) наличии контакта с организмом или взаимосвязи с ним;
4) способах введения в организм;
5) применении для жизненно важных органов;
6) применении источников энергии.
Правила классификации безопасности изделий
медицинского назначения и медицинской техники. 2009 г.

7.

Классификация приборов и аппаратов используемых в медицине
По функциональному назначению, условиям и длительности применения на организм пациента
изделия медицинского назначения и медицинская техника подразделяются на следующие группы:
1. неинвазивные изделия медицинского назначения и медицинская техника;
2. инвазивные изделия медицинского назначения и медицинская техника, применение которых
связано с полостями в теле и которые не предназначены для присоединения к активным изделиям
медицинского назначения и медицинской технике;
3. хирургические инвазивные изделия медицинского назначения и медицинская техника
кратковременного применения;
4. хирургические инвазивные изделия медицинского назначения и медицинская техника временного
применения;
5. хирургические инвазивные изделия медицинского назначения и медицинская техника
длительного применения и имплантируемые изделия медицинского назначения;
6. активные изделия медицинского назначения и медицинская техника (активные терапевтические,
активные диагностические);
7. изделия медицинского назначения и медицинская техника, определяемые по особой
классификации.
Правила классификации безопасности изделий
медицинского назначения и медицинской техники. 2009 г.

8.

Классификация приборов и аппаратов используемых в медицине
1. Устройства для получения, передачи и регистрации медико-биологической
информации
2. Электронные устройства, обеспечивающие дозирующее воздействие на
организм различными физическими факторами
3. Кибернетические электронные устройства (например устройства для
управления процессами жизнедеятельности организма)
(Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика. 2023 г. )

9.

Электронные устройства, а как без них?
Электроника и электронные устройства получили распространение лишь во
второй половине 20-го века. До этого времени использовались механические и
комбинированные системы.
Тепловая
энергия
(увеличение
температуры) ведет к
расширению
ртути,
проходящей
по
капилляру
(механическая
энергия)
Объемная плетизмография
Рт
ут
ь
Ртутный термометр
Давление
крови
созданное
сердцем
(механическая
энергия)
ведет
к
увеличению
объема
конечности, через Уобразный
манометр
передается
перу
(механическая
энергия),
которое
вычерчивает кривую
объема
крови
в
конечности

10.

Общая схема получения медико-биологической информации
Пациент
Признаки
Медицинская
диагностическая
аппаратура
Устройства
регистрации
или
отображения
Врач
Диагноз

11.

Структурная схема съема, передачи и регистрации медикобиологической информации
Исследуемая биологическая
система
Устройство съема (электрод
или датчик)
Усилитель
Блок обработки (фильтрация,
интегрирование,
дифференциирование)
Устройство
отображения/регистрации
Исследуемая биологическая
система
Устройство съема (электрод или
датчик)
Усилитель
Аналогово-цифровой
преобразователь
Компьютер или иное цифровое
устройство (обработка,
регистрация и отображение)

12.

Медицинская электроника
Устройства для получения, хранения и передачи информации в виде электронных
сигналов. Возможно два варианта представления информации:
Аналоговый (например запись на магнитной пленке)
Цифровой (вся информация доступная на компьютерах, смартфонах и т.д.)
Для перевода аналогового сигнала в цифровой используется аналогово-цифровой
преобразователь (АЦП), который измеряет входную величину (напряжение) через
равные промежутки времени (частота дискретизации).
1,5
1,5
1
1
0,99
0,99
0,91
0,84
Измеряемая величина
0,66
0,76
0,65
0,42
0,41
0,5
0,5
0,96
0,91
0,84
0,15
0,14
-0,01
0
0
0
5
10
15
20
25
30
0
АЦП
-0,5
-0,5
5 -0,28
-1
-1,5
-1,5
Время
20
-0,13
25
-0,54 -0,54
-0,75
-0,76
-0,96
-1
10
15-0,29
-1,00
-0,96
-0,85
-0,91
30

13.

Медицинские методы электрографии. Реография
Если получаемая информация уже в форме изменений электрического поля то преобразование
сигнала не требуется. Используются проводники соединяющие биообъект с диагностическим
устройством, т.е. электроды. Такой подход используется в электрографических методах, в случае
исследования биоэлектрической активности органов состоящих из возбудимых тканей (нервной,
мышечной, железистой). Либо при использовании зондирующих токов, созданных в
диагностическом приборе (например разновидности реографии). Электрографические методы и
объекты исследования электрической активности:
• Электро Кардио Графия – сердечной мышцы
• Электро Мио Графия – скелетных мышц и нервно-мышечной проводимости
• Электро Окуло Графия – мышц и наружных слоев сетчатки глаза
• Электро Ретино Графия – сетчатки глаза
• Электро Гастро Энтеро Графия – мышц ЖКТ
• Кожно-Гальваническая Реакция (метод Тарханова) – электрическая активность кожи
Организм
человека
Ионный
ток
Зондирующий
ток
Электроды
Электричес
кий ток
Блоки обработки
и усиления
сигнала

14.

Классификация медицинских электродов
По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на
следующие группы (Ремизов А.Н. 2023):
1. для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики,
например для разового снятия электрокардиограммы;
2. для длительного использования, например при постоянном наблюдении за
тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии;
3. для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или
космической медицине;
4. для экстренного применения, например в условиях скорой помощи.
По методу исследования (функциональному назначению, т.е. регистрируемой
электрофизиологической активности) медицинские электроды можно разделить на:
электрокардиографические, электромиографические, электроэнцефалографические,
микроэлектроды для внутриклеточного исследования и т.д.
По способу контакта с биообъектом различают накожные (поверхностные) и
подкожные (игольчатые) электроды.

15.

Требования к медицинским электродам. Отведения.
Медицинские электроды должны соответствовать следующим
требованиям (Ремизов А.Н. 2023):
• они должны быстро фиксироваться и сниматься,
• иметь высокую стабильность электрических параметров,
• быть прочными,
• не создавать помех,
• не раздражать биологическую ткань
основным
При регистрации электрических сигналов от тела человека (методы электрографии)
электроды используются в составе отведений. Отведение представляет собой
комбинацию электродов (двух и более), образующих воображаемую линию (ось
отведения) в объекте, вдоль которой измеряются электрические сигналы.

16.

Для биологических неэлектрических сигналов нужен
измерительный преобразователь (датчик)
Датчик преобразует измеряемую (входную) величину в сигнал, подходящий для
передачи, дальнейшего преобразования или регистрации.
Окружение
• Входная
величина
• Помехи
Датчик
(физический
процесс)
• Выходная
величина
• Ложные
сигналы
Другие
блоки
устройства
сигнал
Из окружающей датчик среды приходит не только полезный сигнал (входная величина) но и другие
сигналы, для которых датчик не предназначен – помехи. В результате на выходе формируется как
выходная величина так и ложные сигналы.
В соответствии с процессом преобразования возможности датчика можно описать индексом
Миллера: трехмерной диаграммой видов энергии используемых данным датчиком. Ось Х – вид
энергии входной величины, ось Y - вид энергии выходной величины, ось Z – вспомогательный вид
энергии (обычно питание самого датчика). Например термопара: (тепловая энергия; электрическая
энергия; нет).

17.

Для биологических неэлектрических сигналов нужен
измерительный преобразователь (датчик)
В общем случае датчик на выходе может выдавать любой вид энергии, но подавляющее
большинство современных устройств являются электронными, а значит выходной сигнал должен
быть в виде электрической энергии.
По принципу работы датчики можно разделить на
биоуправляемые и энергетические.
Биоуправляемые изменяют характеристики при непосредственном действии сигнала от живой
системы.
Однако не все виды сигнала могут создаваться организмом человека, в таком случае
используются энергетические датчики, использующие стимулирующий сигнал, т.е. подающие
энергию в живую систему, затем получая отклик и измеряя его. Например при ультразвуковом
исследовании (эхографии) в тело человека посылается ультразвуковой импульс, который отражается
от внутренних структур и возвращается назад в диагностическое устройство (УЗИ аппарат).
Питание
датчика
Стимулирующий
сигнал
Организм
человека
Неэлектри
ческий
сигнал
Датчик
Электриче
ский
сигнал
Блоки обработки
и усиления
сигнала

18.

Классификация датчиков и некоторые примеры
(Ремизов А.Н. 2023)
Датчики
По
наличию
питания
датчики можно разделить на
генераторные (не требуют
питания, сами создают ЭДС,
используя
энергию
входного
сигнала)
и
параметрические (требуют
питания, изменяется один
из
электрических
параметров: сопротивление,
емкость, индуктивность).
Генераторные (активные)
под воздействием измеряемого
сигнала непосредственно
генерируют напряжение или ток
пьезоэлектрические,
пьезоэлектрический эффект
термоэлектрические,
термоэлектричество
Параметрические (пассивные)
под воздействием измеряемого
сигнала изменяется какой-либо
параметр
емкостные, емкость
реостатные, омическое
сопротивление
индукционные,
электромагнитная индукция
фотоэлектрические,
фотоэффект
индуктивные,
индуктивность или
взаимная индуктивность
.

19.

Для биологических неэлектрических сигналов нужен
измерительный преобразователь (датчик)
Выходная величина
Функция преобразования y=0,5*х+2
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
7
8,5
8
7,5
10
9 9,5
10,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Входная величина
переходной диапазон
линейный участок
нелинейный участок
"мертвая зона"
Работа
измерительного
преобразователя (датчика)
описывается
функцией
преобразования,
т.е.
функцией
описывающей
зависимость
величины
выходного сигнала (y) от
входного
(x).
Обычно
используется
диапазон
значений входной величины
при котором данная функция
является линейной: y=k*x+b.

20.

Для биологических неэлектрических сигналов нужен
измерительный преобразователь (датчик)
Выходная величина
Функция преобразования y=0,5*х+2
20
15
10
10 10,5
9,5
9
8,5
7 7,5 8
5
0
0
1
2
3
4
5
переходной диапазон
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Входная величина
линейный участок
нелинейный участок
"мертвая зона"
Не все значения входной величины могут быть успешно преобразованы в
выходную величину. На графике выше и в таблице значений справа можно видеть
что данный датчик не создает выходной сигнал при значениях входной величины
меньших чем 9. Затем следует короткий линейный участок от 9 до 10, который
малопригоден для реальной работы, т.к. угол наклона прямой отличается от
следующего участка. И лишь при значениях от 10 до 17 имеется протяженный
линейный участок: это рабочая часть (область) функции преобразования. В этом
диапазоне значений и должен эксплуатироваться такой датчик.
x
y
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
0
0
0
0
0
0
0
0
0
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
10,5
12
15
19

21.

Некоторые характеристики датчиков
Кроме знания функции преобразования нужно учитывать характеристики датчиков,
которые зависят от используемого физического явления и конструктивных
особенностей. Ниже перечислены некоторые характеристики датчиков:
• Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина
реагирует на изменение входной: z=Δy/Δx.
• Погрешность (точность): отклонение измеренного значения величины от её
истинного значения.
• Гистерезис: отличающиеся значения выходного сигнала для одного и того же
значения входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании.
• Диапазон входных значений: минимальное и максимальное возможные
значения входной величины, между которыми датчик выполняет преобразование,
не превышая уровень допустимых погрешностей.
• Разрешающая способность: минимальное изменение измеряемой величины,
которое может зафиксировать датчик
• «Мертвая» зона: отсутствие изменений выходного сигнала датчика в
определенном диапазоне входных сигналов.

22.

Чувствительность датчика
• Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение
входной: z = Δy/Δx
Рабочая область функции
преобразования y=0,5*х+2
11
Выходная величина
Чувствительность датчика тесно связана с его
функцией преобразования, фактически это
величина коэффициента k (в уравнении
y=k*x+b).
Для примера возьмем две точки в линейной
части графика:
(x1=11; y1= 7,5) и (x2=14; y2= 9)
Таким образом
Δx = 14 -11= 3
Δy = 9 - 7,5 = 1,5
И следовательно:
z = Δy/Δx = 1,5/3 = 0,5
10
10,5
10
9
9,5
9
8
8,5
8
7
6
7,5
7
10
11
12
13
14
15
Входная величина
16
17

23.

Погрешность датчика делает необходимой калибровку
Погрешность (точность): отклонение измеренного значения величины от её истинного
значения. Определение величины погрешности датчика позволяет провести настройку датчика
либо внести поправки в расчет входной величины. Такая процедура называется калибровкой.
Рабочая область функции
преобразования
Выходная величина
Погрешность измерений может
появляться по целому ряду причин, ниже
перечислены некоторые (по Ремизов А.Н.
2023):
1. температурная
зависимость
функции
преобразования;
2. гистерезис - запаздывание у от х даже при
медленном изменении входной величины,
происходящее в результате необратимых
процессов в датчике;
3. непостоянство функции преобразования во
времени;
4. обратное
воздействие
датчика
на
биологическую систему, приводящее к
изменению показаний;
5. инерционность датчика (пренебрежение его
временными характеристиками).
11
10,1
10
9
8,3
8
7
6
6,9
7
10
7,2
7,5
8
11
12
8,7
8,5
9
9
9,5
9,5
13
14
15
Входная величина
без погрешности
с погрешностью
10
16
10,5
10,5
17

24.

Термодатчики. Термометрия
Используется для измерения температуры различных частей тела человека.
Термодатчики могут быть :
• Генераторные – термопара соединение двух
металлов
(чаще
сплавов,
например
железо/константан – сплав меди и никеля)
вырабатывает
ЭДС
при
изменении
температуры
(Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика. 2023г.
Параграф 15.6. «Внутренняя контактная разность потенциалов.
Термоэлектродвижущая сила.»)
Термопара
• Параметрические – терморезистор (термистор)
из металла (при увеличении температуры
сопротивление растет) либо полупроводника
(чаще
при
увеличении
температуры
сопротивление снижается). Это явление
характеризуется величиной температурного
коэффициента сопротивления.
(Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика. 2023г. Параграф
22.4. «Усилитель на транзисторе»)
терморезистор
Тепловая энергия
Тепловая энергия
биообъект
биообъект

25.

Ультразвуковой датчик
Ультразвуковое исследование опирается на два физически отличающихся подхода: эхолокация
(отражение звуковых волн) и допплеровский сдвиг.
В обоих случаях используется массив пъезокристаллов, по очереди выполняющих две функции:
создание (обратный пъезоэффект) и прием (прямой пъезоэффект) отраженных ультразвуковых
колебаний.
Один и тот же пъезодатчик работает в двух
режимах:
В первом случае электрический ток от
генератора колебаний преобразуется в
Трансдьюсер
механические колебания ультразвуковой
частоты.
Массив пъезокристаллов
Во втором механические колебания,
отраженные от границы внутренних
УЗ волны
структур (например внутренних органов),
преобразуются в электрический ток.
биообъект
Внутренний
орган
(Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика. 2023г.
Параграфы 14.7. «Пьезоэлектрический эффект», 7.11.
«Эффект Допплера», 8.6. «Ультразвук и eго применения в
медицине»)

26.

Датчики потока воздуха
Термистор
Струна
Используются в методах определения функции внешнего дыхания.
Позволяют измерить объемную скорость воздуха (пневмотахометрия) проходящего через прибор
(либо объем воздуха путем интегрирования объемной скорости - спирография).
По принципу действия их можно подразделить на:
• Роторные (турбинные): определяют скорость потока по частоте вращения зонда-крыльчатки;
• Термоанемометрические:
измеряют температуру нагретой струны, изменяющуюся под
воздействием воздушного потока
• С дифференциальным манометром: определяют разность давлений между различными точками
трубки (трубки Флейша, Лили, Пито)
• Ультразвуковые: измеряют скорость (время) прохождения ультразвуковых импульсов при
прохождении по движущемуся потоку воздуха.
Для контроля температуры может
использоваться
термистор
–
полупроводниковый
датчик,
Поток
Поток
сопротивление которое снижается при
воздуха
воздуха
повышении
температуры.
Температурный
коэффициент
сопротивления
такого
устройства
гораздо
выше
металлических
терморезистров.

27.

Датчики потока воздуха
УЗ волна
Поток
воздуха
УЗ волна
Пъезоэлемент
Пъезоэлемент
Используются в методах определения функции внешнего дыхания.
Позволяют измерить объемную скорость воздуха (пневмотахометрия) проходящего через прибор
(либо объем воздуха путем интегрирования объемной скорости - спирография).
По принципу действия их можно подразделить на:
• Роторные (турбинные): определяют скорость потока по частоте вращения зонда-крыльчатки;
• Термоанемометрические:
измеряют температуру нагретой струны, изменяющуюся под
воздействием воздушного потока
• С дифференциальным манометром: определяют разность давлений между различными точками
трубки (трубки Флейша, Лили, Пито)
• Ультразвуковые: измеряют скорость (время) прохождения ультразвуковых импульсов при
прохождении по движущемуся потоку воздуха.
Скорость распространения УЗ волн
зависит от скорости движения среды, т.е.
потока воздуха. Электронная схема
сравнивает скорости УЗ волн по потоку и
против потока и вычисляет скорость
движения
воздуха.

28.

Фотодатчики. Пульсоксиметрия. Фотоплетизмография
Фотодатчики на основе полупроводников могут быть
• Генераторные
создают
ЭДС
при
поглощении
материалом
электромагнитных волн (вентильный фотоэффект)
• Параметрические – изменяют сопротивление при поглощении материалом
электромагнитных волн (фотопроводимость)
(Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика. 2023г. Параграф 27.8. «Фотоэлектрический эффект и его
некоторые применения»)
Источник
света
Кровь в артериолах
Биообъект
(фаланга пальца, мочка уха)
Фотодатчик
Могут быть собраны в матрицу,
состоящую из огромного количества
микроскопического
размера
датчиков, выполненных на одном
кристалле
полупроводника.
Так
устроены
цифровые
камеры,
содержащие миллионы отдельных
фотодатчиков, каждый из которых
формирует пиксель на изображении.

29.

Цифровой рентгеновский аппарат
Новые модели рентегеновских аппаратов (Digital Radiography – DR) позволяют
сразу получать цифровое изображение.
Используется плоскопанельный детектор прямого действия, который
представляет собой слой аморфного селена, используемого как
фотопроводящий слой, где под действием рентгеновского излучения
формируются ионные пары, которые затем считываются матрицей
тонкопленочных транзисторов.
Ренген
овская
трубка
Пучок
рентгенов
ского
излучения
биообъект
Фото
Матрица
проводящий
транзисторов
слой

30.

Датчики используемые в МРТ
В аппарате магнитно-резонансной томографии используется создание
электромагнитных волн (ЭМВ) с помощью радиочастотных (РЧ) катушек,
которые поглощаются атомами водорода. Весь организм при этом находится в
сильном линейном магнитном поле. Атомы водорода затем испускают ЭМВ,
которые улавливаются РЧ катушками, индуцируя в них электрический ток.
Таким образом РЧ катушки выполняют роль как излучателя, так и приемника.
(Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика. 2023г. Параграфы 17.1. «Основной закон электромагнитной
индукции» и 18.1. «Свободные электромагнитные колебания»)
Радиочастотная
катушка
Н
Н
Н
биообъект
содержащий атомы водорода

31.

Литература для подготовки
Основная литература:
Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика : учебник /
А. Н. Ремизов. - 4-е изд. , испр. и перераб. - Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2023.
• Глава 20. «Содержание общей и медицинской электроники»
• Глава 21. «Система получения медико-биологической информации»
• Глава 22. «Усилители»
И параграфы:
• Параграф 15.6. «Внутренняя контактная разность потенциалов. Термоэлектродвижущая сила»
• Параграф 14.7. «Пьезоэлектрический эффект»
• Параграф 27.8. «Фотоэлектрический эффект и его некоторые применения»
• Параграф 17.1. «Основной закон электромагнитной индукции»
• Параграф 18.1. «Свободные электромагнитные колебания»
• Параграф 7.11. «Эффект Допплера»
• Параграф 8.6. «Ультразвук и eго применения в медицине»
https://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970474983.html
Дополнительно:
Спирометрия. Ее техническое обеспечение. Проблемы и перспективы
Е.И. Сокол и др. 2008. https://core.ac.uk/download/pdf/50575235.pdf