Полная версия

Главная arrow Техника arrow БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ БТС

Диагностическая техника - мощное средство получения информации о состоянии различных органов пациента для диагностики различных заболеваний.

В зависимости от принципов, положенных в основу взаимодействия биообъект — техническое устройство, диагностическую технику под- разделют на технику, основанную на физико-химических и физических методах исследования организма и его частей.

Принципы проектирования БТС для лабораторной диагностики

Проектирование БТС предполагает последовательное выполнение этапов (см. гл. 10): биологического, теоретического и конструкторского. В ходе их реализации исходят из трех принципов проектирования БТС: целеполагания, биоадекватности и идентификации.

Биотехнические системы для лабораторной диагностики относятся к классу комбинированных БТС (рис. 12.1), т. е. основанных на физико-химических методах.

Биологический этап. Целевое назначение БТС для лабораторной диагностики. На этапе исследования биообъекта разработчик должен:

  • • определить процессы, лежащие в основе биологического функционирования биообъекта, и параметры, которые необходимы для описания его функционального состояния;
  • • формализовать имеющуюся базу данных и сформировать вербальную, физическую и математическую модели биообъекта.
Классификация диагностических БТС

Рис. 12.1. Классификация диагностических БТС:

РД - рентгенодиагностика; АМПЭ - анализатор морфологических параметров эритроцитов; ИАЖКО - импедансометр для анализа жидкостного компонента организма; ПЦР - полимеразная цепная реакция; НАР - неспецифическая адаптационная реакция; ЖКТ - желудочно-кишечный тракт

Особенностью рассмотрения биообъекта при построении диагностических БТС является то, что взаимосвязь параметров внутренней среды организма с функциональным состоянием биообъекта носит стохастический характер. Это связано с понятием «биологическая вариация», характеризующим диапазон нормы (т. е. диапазон значений параметров, которые они могут принимать у здоровых людей). Величина этого диапазона связана с той физиологической функцией, которую выполняет в организме анализируемое вещество.

Наименьшая биологическая вариация обнаружена у веществ с наилучшей регуляцией гомеостаза и наиболее важных для стабильного состава и объема внеклеточных жидкостей (ВНЖ) и крови. К таким веществам относятся Na+, СГ, СО2, Са+, Mg альбумин, общий белок, а также показатель кислотности крови.

Средняя степень регулирования гомеостаза и соответственно среднее значение биологической вариации найдена у веществ (например, глюкозы, холестерина, фосфора), участвующих в анаболизме.

Наибольшая биологическая вариация обнаружена у компонентов сыворотки, которые являются конечными продуктами катаболизма (мочевая кислота, мочевина, креатинин), а также у выделяемых из тканей веществ и ферментов (лактатдегидрогеназа, ами- нотрансфераза и др.).

На основании анализа биологической вариации и литературной базы данных можно определить требования к точности проведения анализа и к эффективности лабораторного теста.

Анализ диагностической эффективности теста

Рис. 12.2. Анализ диагностической эффективности теста

В качестве статистических показателей определения диагностической эффективности теста в 1947 г. И. Иермиалма ввел термины «чувствительность» и «специфичность». Эти показатели рассчитывают на основе анализа истинно положительных и ложно отрицательных результатов (рис.

12.2), для которого определяют диагностические чувствительность и специфичность.

Диагностическую чувствительность (ДЧ) находят из соотношения

где ИП, ЛО - истинно положительные и ложно отрицательные результаты соответственно. Диагностическая чувствительность теста при определенной болезни представляет собой процентное выражение частоты положительных результатов теста у больных этой болезнью, т. е. вероятность положительного теста- при наличии болезни.

Диагностическая специфичность

где ИО, ЛП - истинно отрицательные и ложно положительные результаты. Диагностическая специфичность - это вероятность отрицательного теста при отсутствии болезни, т. е. процентное выражение частоты отрицательных результатов теста у лиц, не страдающих этой болезнью.

Данные показатели эквивалентны ошибкам первого и второго рода в теории математической статистики. Если гипотеза состоит в наличии болезни, то а = 1 - ДЧ/100, a Р = 1 - ДС/100.

На основании заданных значений ошибок первого и второго рода можно установить требования к точности оценки измеряемых параметров. Таким образом определяют вероятности пребывания биообъекта в различных состояниях (вероятность нормы или патологии); перечень параметров, подлежащих определению; требуемые ошибки первого и второго рода; необходимую точность оценки определяемых параметров биообъекта; диапазон изменения определяемых параметров биообъекта.

Следующая особенность БТС для лабораторной диагностики связана с видом анализируемого биологического материала - пробами.

Проба представляет собой часть внутренней среды организма, извлеченной с применением различных методов и манипуляций, по параметрам которой судят о состоянии всего организма.

На основании определенных выше данных о биообъекте формируются следующие требования к пробам.

1. Определение достоверности оценки того или иного состава пробы при конкретном состоянии организма (рис. 12.3). Например, число лейкоцитов в крови человека может достигать 30 млрд и более. Однако лейкоцитарную формулу (процентное соотношение различных типов лейкоцитов) устанавливают при анализе мазка крови всего по 200 клеткам. Возникает вопрос: насколько достоверна такая оценка?

Область принятия гипотезы о достоверности оценки состава д

Рис. 12.3. Область принятия гипотезы о достоверности оценки состава д: пробы при конкретном состоянии организма:

р(х) - плотность вероятности выборочного распределения состава х

Требуемое число клеток в мазке, объем жидкой пробы и другие характеристики можно установить из найденных ранее необходимой точности измерения и диапазона изменения измеряемого параметра.

Так, для оценки лейкоцитарной формулы с 5%-ными ошибками первого и второго рода во всем диапазоне возможных изменений относительных концентраций клеток разных типов следует проанализировать не менее 10 000 лейкоцитов.

  • 2. Учет контаминации (загрязнения) пробы при его взятии. Например, одна из основных проблем диагностического метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) (метод ПЦР используют для генной диагностики) - высокое количество ложно положительных результатов вследствие контаминации пробы на этапе выделения молекулы ДНК из исследуемого материала (проба крови, мочи, биоптат и т. п.). В результате снижается ДЧ теста, т. е. увеличивается ошибка второго рода.
  • 3. Учет возможного изменения исследуемых параметров в процессе приготовления пробы. Так, для визуального микроскопического исследования морфологии клеток крови требуется фиксировать клетки крови на стекле и окрашивать их. При этом в результате протекания различных биохимических процессов структура клетки, т. е. ее морфология, может измениться. Это расширяет диапазоны нормы и патологии, а следовательно, увеличивает ошибки первого и второго родов.

После рассмотрения второго и третьего требований следует уточнить требования к пробе в соответствии с первым пунктом. При рассмотрении указанных особенностей, определяется тип пробы, которую нужно анализировать, и ее характеристики (объем, методика приготовления, требования к качеству приготовления и т. п.).

На основании анализа на первом этапе синтеза БТС всех перечисленных выше факторов формируется целевая функция БТС, которая учитывает все требования, предъявляемые к лабораторному анализу (набор измеряемых параметров, их требуемый диапазон, точность оценки и т. д.). Это составляет сущность принципа целеполагания.

Теоретический этап. Регистрация и обработка биопроб. На

этапе теоретического исследования создается математическая модель рассматриваемой БТС для лабораторной диагностики, на основе которой формулируются требования к ее технической части. При этом необходимо определить законы функционирования такой БТС, т. е. установить взаимосвязь измеряемых характеристик с параметрами и оценок параметров с характеристиками (рис. 12.4). Например, параметр (свойство) X(t) биообъекта - концентрация

вещества в пробе, измерямая характеристика А*(/) - оптическая плотность пробы.

Схема процедуры измерения и интерпретации параметров биопробы

Рис. 12.4. Схема процедуры измерения и интерпретации параметров биопробы

Описание процессов в БТС можно разделить на два этапа: решение прямой задачи (нахождение значений измеряемых характеристик в зависимости от значений исследуемых параметров пробы) и обратной задачи (определение оценок параметров пробы по измеренным характеристикам).

Прямая задача чаще всего формулируется на основе известных точных или приближенных законов:

  • • закон Бугера - Ламберта (определение концентрации веществ по спектрам поглощения);
  • • законы взаимодействия движущихся зарядов с электромагнитным полем (закон Лоренца в методе масс-спектрометрии);
  • • законы радиоактивного распада (радиоиммунный анализ);
  • • законы электрохимии (Фарадея, Нернста, Никольского - Эйшен- мана при определении концентрации ионов и газов);
  • • законы седиментации молекул (определение молекулярных масс по скорости седиментации);
  • • законы распределения веществ между двумя фазами в двухфазных системах (хроматографическое разделение веществ);
  • • законы и взаимосвязь электрофоретической подвижности веществ с их строением и техническими параметрами электрофоретической установки (метод электрофореза).

По результатам моделирования прямой задачи определяют характеристики, содержащие информацию о параметрах биопробы, т. е. характеристики, которые необходимо измерять.

Решение обратной задачи проводится для интерпретации результатов измерений характеристик, т. е. для оценки параметров биопробы. При этом происходит обращение причинно-следственной связи.

При решении обратных задач необходимо ответить на три вопроса: существует ли решение? если существует, то устойчиво ли решение, является ли оно единственным?

В рассматриваемых задачах можно быть уверенным в существовании решения, которое, как правило, единственно. Однако решение обратной задачи всегда неустойчиво, т. е. малое отклонение значения характеристики (например, вследствие шума) может привести к сильному отклонению оценки параметра от его истинного значения. Неустойчивость решения можно интерпретировать как возрастание случайных погрешностей вычисляемых оценок. Таким образом, все задачи, решаемые в лабораторной диагностике, являются некорректными. При этом существует взаимосвязь между устойчивостью и точностью решения: чем выше точность решения (например, меньше шаг дискретизации определяемой функции), тем ниже устойчивость. Чем точнее должно быть решение (снижение систематической погрешности), тем менее устойчиво получаемое решение к малым воздействиям шума (возрастание случайных погрешностей). Это можно записать и по-другому: чем меньше переменных в системе уравнений, тем меньше проявляется неустойчивость.

В простых анализаторах для определения одного-двух параметров используют калибровочную кривую, по которой находят оценку параметра. Здесь можно достичь приемлемой точности без существенной потери устойчивости оценки.

В более сложных системах, например кооксиметрах, применяемых для определения нескольких фракций гемоглобина, или в гемоанализаторах, служащих для определения лейкоцитарной формулы (подразделение лейкоцитов на шесть и более классов), в связи с возрастанием числа переменных неустойчивость проявляется сильнее. Следовательно, необходимо найти компромисс между точностью определения параметров и устойчивостью их оценок. Найти этот компромисс на научной основе позволяют процедуры регуляризации решения.

Процедуры регуляризации решения заключаются в использовании априорной информации о свойствах исследуемого биообъекта, полученной на первом этапе. Учитывая стохастический характер биообъекта, наиболее целесообразно применять метод статистической регуляризации. Исходная информация для этого метода - вероятности различных состояний биообъекта и плотность вероятности шума, основной вклад в который вносят особенности приготовления пробы и шумы технической системы. В частных случаях можно использовать методы регуляризации по А.Н. Тихонову (априорная информация о степени гладкости определяемой функции, например функции распределения эритроцитов по размерам в мазке крови) и др.

Таким образом, анализируют способность БТС правильно оценивать параметры биообъекта во всем диапазоне их изменения (как в норме, так и при патологии), а также в зависимости от качества приготовления пробы. Кроме того, на основании определенного на первом этапе вида целевой функции БТС осуществляют ее расчет для разных вариантов проведения анализа. В качестве принимаемого метода выбирают тот, который обеспечивает оптимальное значение целевой функции.

По итогам выполнения второго этапа проектирования БТС устанавливают:

  • • метод проведения анализа;
  • • комплекс измеряемых характеристик, адекватный анализируемым параметрам пробы;
  • • требования к точности измерения данных характеристик;
  • • требования к основным параметрам технической системы БТС (динамический диапазон фотоприемника, интервалы дискретизации и квантования сигналов, максимальный уровень шумов всей БТС и т. д.);
  • • уточненные требования к качеству приготовления пробы;
  • • математический аппарат (программу) вычисления параметров пробы по измеренным характеристикам.

Выполнение всех пунктов анализа на втором этапе синтеза БТС означает выполнение условия минимума потока энтропии в биообъекте со стороны технической системы, что составляет сущность принципа биоадекватности. При этом техническая система (в том числе алгоритмический блок) вносит минимальные искажения в значения оцениваемых параметров биопробы, т. е. минимальные систематические и случайные погрешности.

Структура технической системы БТС для лабораторной диагностики. Конструкторский этап. На этом этапе проектирования определяют структуру технической системы БТС для лабораторной диагностики: ее схему, элементный состав и содержание связей (рис. 12.5). Эта структура, по существу, более детально отображает общую схему взаимодействия биообъект В - техническое устройство Т (см. рис. 11.3).

Структура БТС для лабораторной диагностики

Рис. 12.5. Структура БТС для лабораторной диагностики

В данной БТС можно выделить рецепторную подсистему в составе измерительного преобразователя и устройства обработки и

отображения информации. Особенность такой БТС - наличие дискретной нейтральной обратной связи через врача.

Воздействующий блок оказывает энергетическое или вещественное воздействие на пробу, которая модулирует характеристики воздействия (например, интенсивность света) или преобразовывает их в другие (например, напряжение - в ток) в соответствии со значением своих параметров.

Измерительный преобразователь регистрирует и преобразовывает сигнал с выделением информационной компоненты этого сигнала и передает ее в устройство обработки и отображения информации.

Врач получает подготовленную в удобном для него виде информацию об измеренных характеристиках пробы, ставит или корректирует диагноз, воздействует на пациента всеми доступными ему способами. При этом определяющий вид воздействия - информационный, при котором происходит вмешательство лекарственного вещества или физического воздействия в собственные обменные и другие процессы организма в целях их коррекции.

На конструкторском этапе проектирования БТС, исходя из выводов, сформированных на теоретическом этапе, определяют ряд требований к технической системе БТС. Это требования по пропускной способности (количеству анализов в час) и надежности (помехозащищенности) отдельных связей и элементов. Проводят анализ влияния внутренних шумов отдельных технических систем на точность результатов анализа, оптимизируют конструкции блоков, устанавливают нормируемые технические и технологические параметры (допустимые аберрации, требования к юстировке, шумы датчиков, уровни фоновой засветки и т. д).

В результате конструкторского исследования разработчик составляет медико-технические требования (МТТ), которые являются основным документом при проектировании технической системы.

После создания макета проводят эксперименты, по итогам которых при необходимости осуществляют корректировку МТТ.

Цель третьего этапа проектирования БТС заключается в достижении единства информации биологической и технической систем в едином контуре БТС, что составляет сущность принципа идентификации.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>