Физические основы диагностики

1.

Novosibirsk State University
9

2. Физические основы диагностики

Проф. Ирина Георгиевна Пальчикова
Расписание
Лекции
Суббота 1050 -1230
Практические занятия
Понедельник 1240 -1800
измерительный практикум - 8 недель
Учебный семестр 5 февраля – 26 мая
( 16 учебных недель)

3.

Аннотация
Мультимедийные презентации соответствуют дисциплине «Физические основы диагностики». Она
освещает современное состояние и перспективы развития биомедицинской диагностики. Дается
систематизация методов диагностики. Освещаются следующие разделы курса: Физико-технические основы
электрофизических способов диагностики. Электрические свойства тканей. Электрокардиография.
Характерные амплитуды сигналов и спектры частот. Электроэнцефалография, электромиография. Измерение
объемного сопротивления тканей. Физико-технические основы радиологии. Устройство и принцип действия
рентгеновских диагностических приборов. Нормы радиационной безопасности. Магнитно-резонансная
томография, принципы получения изображения. Факторы опасности МР диагностики. Ультразвуковая (УЗ)
локация (диагностика). Принципы получения изображения и измерения параметров объектов. Звуковые
методы в диагностике. Термометрия и термография. Оптические методы диагностики. Использование
регулярных и нерегулярных световодов в эндоскопии, лапароскопии. Проточная цитометрия и
цитофотометрия. Оптическая микроскопия. Спектральный анализ. Применение микро и нанотехнологий для
медицинской диагностики. Безопасность диагностических комплексов. Основы электробезопасности.
Природные и техногенные внешние поля, окружающие в норме тело человека. Собственные физические поля
и излучения вокруг тела человека: инфракрасное, акустотепловое, радиотепловое, электрическое, магнитное,
химическое (газовое), оптическое (хемилюминесцентное), трибоэлектрический заряд, физиологическая
сейсмичность торса.
Мультимедийная презентация предназначена для студентов второго курса медицинского факультета и
может быть так же рекомендована для студентов физического факультета в рамках образовательных программ
направления подготовки «Медицинская физика» и «Радиационная медицина».
Мультимедийная презентация подготовлена в рамках
реализации Программы развития НИУ-НГУ на 2009–2018 г. г.
Новосибирск, 2013

4.

Учебная литература
Подробный список даётся в программе
На сайте ФФ представлены презентации лекций и
копии основных учебных материалов
http://www.phys.nsu.ru/ либо
https://gnsuru-my.sharepoint.com/
электронная библиотека https://ppt-online.org/21506

5. Природные и техногенные внешние поля, окружающие в норме тело человека

6.

7.

Карта гравитационной
аномалии в районе кратера
Чикшулуб. Красным и желтым
обозначены зоны высокой
гравитации, зеленым и синим
— низкой. Белая линия — это
берег полуострова Юкатан.
Белые точки — карстовые
воронки.

8.

10
Чуйское землетрясение 27 сентября 2003 года.
В зоне землетрясения произошли
многочисленные оползни, обвалы,
образовались зияющие трещины.

9. Земной магнетизм

Геомагнитное поле можно разделить
► на cледующие основные части:
► главное поле,
► поля мировых аномалий,
► внешнее магнитное поле
Магнитные аномалии и месторождения
железных руд на территории Курской области.

10.

11.

Запасы воды

12.

13.

14.

Стратификация атмосферы Земли
генератор электроэнергии из капель дождя:
продолжительное падение капель на политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон), материал с
квази-постоянным электрическим зарядом, обеспечивает новый метод аккумуляции и
хранения поверхностных зарядов высокой плотности. Когда капли воды постоянно падают
на поверхность ПТФЭ, поверхностный заряд накапливается и постепенно достигает
насыщения. Это открытие помогает обойти проблему низкой плотности заряда. Второй
фактор — уникальное устройство, напоминающее полевой транзистор. Оно состоит из
алюминиевого электрода и электрода из оксида индия и олова с нанесенной на него
пленкой из ПТФЭ. Электрод с пленкой отвечает за генерацию, хранение и индукцию заряда.
Когда падающие капли попадая на него распределяются по его поверхности, они
«соединяют» алюминиевый электрод и электрод с пленкой ПТФЭ, переводя исходную
систему в замкнутую электрическую цепь. Такая конструкция позволяет аккумулировать
поверхностные заряды высокой плотности. В то же время, когда вода соединяет два
электрода, все сохраненные заряды на ПТФЭ могут быть высвобождены для генерации
электрического напряжения. В результате и мгновенная удельная мощность, и
эффективность преобразования энергии становятся намного выше.

15.

Резонансные колебания эл. магнитного поля
Земли
Существуют резонансные колебания эл. магн. поля Земли. Оценим их частоты.
Будем считать, что Земля – это проводящий шар. Эл. магн. волна
распространяется вдоль поверхности шара. Наибольшая длина пути волны
равна длине экватора. Для оценок возьмем длину экватора примерно 40000 км,
скорость волны 300000 км/c. Оценим резонансные частоты в ситуации, когда на
длине экватора укладывается целое число длин волн. Тогда наинизшая частота
будет равна 300000/40000= 7,5 (Гц). Следующая мода – 15 Гц, 22,5 Гц и т.д..
Сравните эти частоты со спектром энцефалограммы.
Выделяют несколько характерных
диапазонов спектра энцефалограммы:
(0,35-4,2 Гц) - дельта-ритм, (4,6-7,4 Гц) тета-ритм, (7,7-13,4 Гц) - альфа-ритм,
(13,7-30 Гц) - бета-ритм, (31-70 Гц) гамма-ритм, из которых наиболее ярко
выражен альфа-ритм.
Резонансные колебания могут возникать под воздействием грозовых
разрядов, пульсаций потоков частиц в полярных сияниях ( зависящих от
активности Солнца)

16. Физические поля человека и животных

17.

Систематизация методов диагностики

18. Приборы для усиления и регистрации биоэлектрической активности

19. Электрические явления в живом организме

20.

21.

22. Характерные величины биоэлектрических сигналов

23.

Электрические
свойства
тканей
Как и многие материалы, ткани
человека проявляют
диэлектрические свойства.
Однако они обладают и некоторой
способностью проводить ток.
Т.е. это диэлектрики со слабой
проводимостью.

24.

Биологические ткани разнородны по электропроводности
Проводники
Диэлектрики
Внутриклеточная и
межклеточная жидкости
Обладают свободными
зарядами (ионы)
Обладают связанными
зарядами (диполи)
Определяют
электропроводность
биологической ткани
Определяют
поляризацию
биологической ткани
Под действием внешнего электромагнитного поля возникают
Токи проводимости
Токи смещения
(Свыше 30 МГц)

25. Проведение по нервам

26.

Задача 1
Рассчитать характерные скорости
проведения возбуждения по
безмиелиновым и миелиновым
волокнам.

27. Клеточные мембраны

Потенциал покоя – разность потенциалов между
цитоплазмой клетки и окружающей средой
Рис. 12.9
Рис. 12.10
(И ионных каналов)

28.

Проницаемость
клеточной мембраны
Потенциал покоя – разность потенциалов между цитоплазмой клетки и окружающей
средой

29.

30. Варианты возбуждения мембраны

Мембрана нервной клетки возбуждается двумя способами, генерируя либо градуальные
потенциалы различной амплитуды, либо потенциал действия ПД строго определенной формы
Рис. 12.15

31.

32.

Распространение потенциала действия
Форма распространяющегося ПД

33. Физико- Математическая модель возбудимой мембраны

ФизикоМатематическая
модель возбудимой
мембраны

34. Скорость проведения ПД по нерву

Через кожу к нерву (например, к локтевому нерву руки) посылают стимулирующий импульс тока,
регистрируя сигналы от иннервируемой мышцы. Если переместить место стимуляции вдоль нерва,
то изменится задержка электромиографического сигнала от мышцы. Деля величину смещения
пары стимулирующих электродов на величину изменения задержки, получаем скорость
проведения по двигательным нервным волокнам.

35. Электрокардиография

36. Четыре главных клапана сердца

37.

38.

39. Электрокардиограмма (ЭКГ) является равнодействующей изменения напряжений многих млн элементарных мышечных волокон. Типичная

Хотя сердце электрически
нейтрально, и во время
сокращений общий заряд
сердца равен нулю, однако
при каждом сокращении
возникает динамическое
разделение между
положительными и
отрицательными зарядами.
Электрокардиограмма (ЭКГ)
является равнодействующей
изменения напряжений многих
млн элементарных мышечных
волокон. Типичная кривая
выводится как средняя по
данным обследования многих
пациентов и содержит 6 видов
характерных зубцов: P, Q, R, S,
T, U. Оценивается: наличие,
форма, величина зубцов и
интервалы между ними.

40.

41. Изменение ЭКГ во время и после острого инфаркта миокарда «с зубцом Q»

42. Электрический вектор сердца (интегральный вектор Эйнтховена)

43.

Отведения по Эйнтховену

44.

Компоненты вектора определяются
по формулам

45.

Задача 2
Согласно модели Эйнтховена сердце подобно электрическому диполю.
Электрический момент сердца-диполя периодически изменяется как по
величине, так и по направлению. Биопотенциалы (электрокардиограмма)
регистрируется между вершинами условно равностороннего
треугольника, который образуется двумя руками и одной ногой. Какой
вид имели бы ЭКГ, снятые в трёх возможных отведениях, если бы
электрический момент сердца равномерно вращался во фронтальной
плоскости. (Построить 3 графика ЭКГ зависимости .) Какой вид имели бы
ЭКГ, снятые в трёх возможных отведениях, если бы величина
электрического момента сердца-диполя изменялась по гармоническому
закону во фронтальной плоскости, сохраняя ориентацию в пространстве,
параллельно одной из сторон треугольника Эйнтховена. Построить
графики.
Формулы для справки по задаче 7: (А.Н.Ремизов, Н.Х.Исакова. Сборник задач
по физике для медицинских институтов. №12.13. )
p qi ri
i
p cos
4 0 r
2
B A
p cos sin 2
4 0 r
2

46.

Расположение электродов при снятии
ЭКГ. Отведения по Вильсону

47.

Расположение электродов при снятии
ЭКГ. Отведения по Гольдбергеру

48.

Однополюсное пищеводное отведение

49.

Электрокардиограф ECG-1003
Портативный цифровой трехканальный
электрокардиограф. Современный дизайн,
элегантный внешний вид. Простое и удобное
управление с пленочной клавиатуры.
Сохранение ЭКГ в памяти
электрокардиографа. Автоматическая
интерпретация измерений. Встроенный
аккумулятор, автоматическое переключение
источника питания.
Встроенный термопринтер. Передача данных
на ПК
Электрокардиограф ECG-1012 Expert
Современный удобный кардиограф
экспертного класса в формате ноутбука. Для
использования в стационарах или на выезде.
Цветной сенсорный экран диагональю 12
дюймов. Вывод предварительного диагноза,
автоматическая интерпретация измерений.

50.

Структурная схема типичного
одноканального электрокардиографа
Устройство
предполагается
использовать совместно
с персональным
компьютером. В
данной сигнальной
цепочке все виды
фильтрации сигнала
осуществляются с
помощью аналоговой
техники, тогда как
микропроцессор,
микроконтроллер или
процессор DSP
используется только
для целей
коммуникации,
управления.
Макетный образец

51. Браслеты

Ремешок на руку
Ремень для Холтера

52. Карты размером с кредитку

Отечественный вариант
КардиоКАРТА
https://www.cardioqvark.ru/
Данные сохраняются в карте
(до 50 измерений), поступают в
смартфон, дублируются на
сервере института им. Сеченова.
Заряда хватает на месяц.
Американский аналог

53. Фрагмент отчёта при нормальной кардиограмме

54. Фрагмент отчёта при мерцательной аритмии

55. Методы анализа сигнала ЭКГ

Существуют большое разнообразие метрических методов анализа
ЭКГ. К таким методам можно отнести:
► анализ амплитудных характеристик сигнала,
► анализ первой производной сигнала и ее экстремумов по
пороговым правилам,
► анализ вспомогательных зависимостей типа "функции формы",
► эталонные формы.

56. Методы анализа сигнала ЭКГ

► http://old.exponenta.ru/educat/referat/stud
ent1/index.asp
► Исследование вариабельности
сердечного ритма с помощью
электронных таблиц Excel
выполнила: Безлюдова Наталья,
Калужский филиал МГТУ им.Н.Э.Баумана
2004

57. Продолжим?

58. Электроэнцефалограмма Электрические сигналы мозга Применения

59. Способы отведения

Униполярное (однополюсное)
отведение – регистрируется
напряжение в отдельных точках
относительно общей опорной.
(например, соединение двух ушных
электродов) Сложность –
колебания напряжения в опорной
точке.
Разновидность опорной точки –
соединения всех точек отведения
через суммирующие напряжения
(рис. б). Выявление патологической
активности в виде острой волны в
одном отведении.
Биполярное отведение – разность
потенциалов между парами точек
отведения. Локализация отдельных
вспышек активности. Определение
положения очага малозаметной
локализованной активности.

60.

Особенности электроэнцефалографов
Компьютерный электроэнцефалограф последнего поколения Epas
предназначен для снятия, обработки и анализа ЭЭГ и полиграфических данных,
предоставляя все преимущества и возможности современных безбумажных
энцефалографов и полиграфических систем.
Основные возможности:
Запись 29/40/44/64/128 каналов ЭЭГ
Программное обеспечение Schwarzer-Harmonie для Windows XP
Запись цифрового видео-ЭЭГ с высокой точностью синхронизации (опция)
Мощная база данных SQL для эффективного управления всеми данными, ведения
архива и сохранения на современные носители
Сетевые возможности
Экспертный уровень программного обеспечения (спектральный анализ,
картирование и др.)
Фотостимулятор (опция)
Модульная структура: подбор системы в соответствии с требованиями диагноста, и
добавление, при необходимости, дополнительных модулей
Качественная оцифровка ЭЭГ и полиграфических каналов в предЪусилительной
коробке
Анализ данных:
•Автоматический анализ
•Свободно конфигурируемые цветные маркеры событий
•Представление ЭЭГ в нескольких окнах, пролистывание полной записи с различными установками
параметров
•Просмотр с различными скоростями, быстрое измерение времени и амплитуд
•Функция видео-зума, а также сохранение выделенного фрагмента
•Определяемые пользователем установки и опции

61.

Технические характеристики Epas
Основной блок:
Кол-во входов:
Входное сопротивление
Помехи
Ослабление синфазного сигнала
29/40/44/64/128
100Мом
< 1.5 Vpp (фильтр 70 Гц)
> 100 dB (100.000 : 1) at 50 Hz
Получение данных:
Чувствительность:
Фильтр высоких частот:
Фильтр низких частот
Постоянная времени
Режекторный фильтр:
Калибровочный сигнал
Амплитуда сигнала:
10-1000 мВ/div. (13 steps)
15-30-70-300-350 Гц
0.005-50 Гц (13 steps)
0.003-32 s (13 steps)
50 Гц
10 Hz sine wave or 0.33 Hz square wave
10-50-100 мВ
Оцифровка сигнала
Другие параметры:
Напряжение
сети:
Потребляемая мощность
Изолирующий трансформатор
Габариты
Вес с трансформатором, без монитора
Вес тележки
Безопасность пациента
Разрядность АЦП: 16 бит
Частота амплитудно-импульсной модуляции: 125-250-500-1000 Гц
230 В~ ±10%, 50 Гц
200 ВА (без монитора)
230 В ~ ±10%, 50 ГЦ, 420 ВА
72.5 x 88 x 64 см
20 кг
50 кг
Класс защиты I, тип CF согласно IEC 60601-1

62.

Анализ электроэнцефалограммы
При анализе ЭЭГ используются наиболее сложные в вычислительном отношении спектрально-аналитические
методы, которые подробно изложены в учебнике А.П. Кулаичев. Компьютерная электрофизиология и
функциональная диагностика. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: ИНФРА-М, 2007, с.178-230
Дополнительную информацию можно найти по адресу: http://protein.bio.msu.ru/~akula/Podr1~1.htm

63.

64.

Электромиография (ЭМГ)

65.

66.

Электромиограф Cadwell Sierra Wave
Программируемый ручной стимулятор и тест-контроллер StimTrollerTM
- 2- или 4-канальный усилитель
- Программируемый ножной переключатель
- Протоколы ЭМГ
- буфер просмотра с аудио сигналом (до 10 минут)
- неограниченный буфер сохраненных сигналов
- программируемый подсчет мышечных единиц
- сохранение стоп-кадров ЭМГ в отчетах
- Анализ отдельной моторной единицы (SMUA)
- Скорость проведения по нервным волокнам (моторным, сенсорным, смешанным, немиелинизированным)
- F-волна/H-рефлекс (режим маркеров)
- F-волна (режим курсоров)
- AnatomyVIEWTM
- Билатеральная асимметрия (NCV, F, H, ВП)
- DataABTM
- Мигательный рефлекс
- Повторная стимуляция
- Соматосенсорные ВП (верхние, нижние конечности, кожный ответ)
- Симпатический кожный ответ
- R-R интервалы (вариабельность ЧСС)
- Программируемый список исследований
- Автоматическое сравнение данных (автоматическое сравнение с нормой и создание заключений по NCV, F, H и
ЭМГ)
- Предоставление суммарных данных в табличной форме
- QuickReportTM – генератор отчетов на базе MS Word
- Анализ ВП (добавление, удаление, усреднение, множественное усреднение, инверсия)
- Конверсия ЭМГ в видео и аудио файлы
- Экспорт ASCII (все протоколы тестов)
- Встроенная калибровка
- Многопользовательский интерфейс

67.

Четырехканальный полнофункциональный
электромиограф «Синапсис» по всем своим
прикладным и техническим характеристикам
превосходит либо не уступает известным
российским и большинству зарубежных аналогов.
Среди основных преимуществ можно выделить
следующие:
питание от интерфейса USB компьютера или
ноутбука, что позволяет использовать
электромиограф в любых условиях, даже там, где
нет источника 220 В;
использование 24-х битного АЦП, что позволяет
различать компоненты сигнала в диапазоне
амплитуд от 0,1 мкВ до 200 мВ;
полоса пропускания от 0 до 10 000 Гц при частоте
дискретизации 40 000 отсчетов в секунду по
каждому каналу, что является важнейшим
показателем высококачественной регистрации
электромиограммы;
32 разряда данных на каждый цифровой отсчет – соответствие последним техническим достижениям
микропроцессорной техники;
контроль качества наложения электродов в реальном времени;
полное цифровое управление всеми параметрами прибора;
небольшие габариты;
встроенные блоки управления всеми видами стимуляции;
широкий спектр медицинских методик, позволяющих выполнить как стандартный, так и углубленный
электромиографический анализ, зарегистрировать вызванные потенциалы всех модальностей, а также
провести ряд стоматологических исследований, необходимых для изучения биоэлектрической
активности мышц и нервов лица.

68. Скорость проведения ПД по нерву

Через кожу к нерву (например, к локтевому нерву руки) посылают стимулирующий
импульс тока, регистрируя сигналы от иннервируемой мышцы. Если переместить
место стимуляции вдоль нерва, то изменится задержка электромиографического
сигнала от мышцы. Деля величину смещения пары стимулирующих электродов на
величину изменения задержки, получаем скорость проведения по двигательным
нервным волокнам.

69.

Реография
Метод исследования пульсовых колебаний кровенаполнения сосудов
различных органов и тканей, основанный на графической регистрации
изменений полного электрического сопротивления тканей.
Диагностика по Фоллю

70.

Литература
1. Владимирский Б. М., Кисловский Л. Д. Солнечная активность и
биосфера. М.: Знание, 1982.
64 с.
2. Фролов А.В. Цифровая обработка биомедицинских сигналов и
изображений. Минск : БИГУИР, 2016. 64 с.
3. Катон Золтан. Электроника в медицине: пер. с венг. / под ред. М К.
Размахнина. М.: Сов. радио, 1980. 144 с.
4. Новые методы электрокардиографии / под ред. С. В. Грачева, Г. Г.
Иванова, А. Л. Сыркина. М.: Техносфера, 2007. 552 с.
5. Физический энциклопедический словарь / гл. ред. А. М. Про-хоров.
М.: Советская энциклопедия. 1983. 928 с.
6. Катон Золтан. Электроника в медицине: пер. с венг. / под ред. М К.
Размахнина. М.: Сов. радио, 1980. 144 с.
7. Годик Э. Э., Гуляев Ю. В. Физические поля человека и животных // В
мире науки. 1990. № 5. С. 75–83.
8. Беркинблит М. Б., Глаголева Е. Г. Электричество в живых организмах.
М.: Наука, 1988. 288 с.
9. Мизун Ю. Г. Процессы в геосфере. М.: Знание, 1988. 64 с. Сер.
"Физика", № 9.

71.

Спасибо за внимание

72.

Приложение

73.

Приложение

74.

Приложение

75.

Приложение

76.

► Живой организм - совокупность клеток
► Разделение функций между комплексами клеток – координация
взаимодействия – система нервных клеток
► Центральная и периферическая нервная система совместно
обеспечивают приспособление к внешнему миру.
► Задача периферической части- получение и передача
информации извне, а так же передача и исполнение «приказов»
центра. ЦНС воспринимает, обрабатывает информацию на основе
результатов обработки формирует «приказы», подлежащие
исполнению.
► Функциональное деление: ЦНС и вегетативная система.
Вегетативная система обеспечивает равновесие внутреннего
состояния и управляет двумя функциями: динамическая связь с
внешней средой (симпатический эффект), регенерирование
организма (парасимпатический эффект)
► ЦНС – нервные клетки + отростки (дендриты и аксоны) (мозг
содержит~10 млрд нейронов). Связь между нейронами – синапсы
– передают информацию только в одном направлении. Сигнал
имеет электро - химическую природу.
► Раздражаемость живых клеток. Под действием импульса клетки
возбуждаются и выполняют ту или иную специфическую
функцию. Существует наименьшая интенсивность раздражения,
которая возбуждает клетку – порог раздражения.