Количественные показатели в биологии и медицине

Для измерений количественных показателей в различных об­ластях человеческой деятельности разработан прикладной раздел науки, называе­мый метрологией.

Метрологией называют науку об измерениях физических величин и о способах обеспечения единства и требуемой точно­сти этих измерений.

К основным разделам метрологии относят: 1) общую теорию измерений физических величин, 2) единицы физических величин, их системы, методы и средства измерений, 3) метрологиче­ское обеспечение, существенную часть которого составляют эталоны и образцовые средства измерения, а также методы передачи раз­меров единиц измерения рабочим средствам измерения. Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов, протекающих в организме человека, в абсолютном большинстве случаев среди них выделяют физические процессы, проводят оп­ределенные измерения и по количественным показателям оцени­вают состояние биологиче­ской системы.

Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем с помощью технических средств. Под физиче­ской величиной следует понимать количест­вен­ное значение параметров, оцениваемых физико-химических процессов, происходящих в любых реальных объектах.

Физическая величина представляет собой либо обобщенное понятие - длина, площадь, объем, доза, масса, либо конкретную величину - инди­видуальную характеристику конкретного объек­та или явления - длина руки, объем крови, протекающей в сосу­дистой системе человека, частота пульса и т.д. Технические средства для производства измерений, часто их называют просто средства измерения, могут быть самыми раз­личными. В общем это измерительные приборы, в которых изме­ренная информация представляется в форме, доступной для вос­приятия. Наиболее распространенной формой представления ин­формации являются цифры. В последнее время одним из распространенных средств измерения является измерительный преобразователь (датчик). Он предназначен для выработки сигнала измеренной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, об­работки и хранения. При измерении различных объектов, значение измеряемой физической величины отличается от истинной. Степень прибли­жения результатов измерений к истинному значению характери­зуется точностью измерений, которая является качественным по­казателем измерений. Количе­ственной оценкой точности измерений является погрешность измерения - это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Сведения о теории погрешностей сообщаются на практичес­ких занятиях и постоянно будут использоваться в лабораторных работах при экспериментальных исследованиях. Основой для количественной оценки физической величины является единица измерения физической величины. Единицы измерения физических величин в основном группи­руются в системы единиц.

Под системой единиц физических величин понимают совокупность взаимосвязанных физических величин, используе­мых в отдель­ных областях естествознания.

Однако, система единиц может охватывать одну или несколь­ко областей естествознания (меха­нику, электричество, акустику, химическую и биологическую термодинамику, физическую хи­мию и др.). Система единиц измерения физиче­ских величин состоит из основных и производ­ных единиц. В системе МКСА основными единицами являются: метр (м), килограмм силы (кГс), секунда (сек), ампер (А). В системе СГСЭ - сантиметр (см), грамм массы (г), секунда (сек), электростатическая единица заряда (ед. заряда СГСЭ). В системе СИ - метр (м), килограмм массы (кг), секунда (с), ампер (А), кандела (Кд). Единицы измерений, образованные с помощью физических формул, называются производными. К их числу относятся, напри­мер, единица скорости - метр в секунду (м/с), единица давле­ния - ньютон на квадратный метр (Па), единица напряженности маг­нитного поля (Тл) и др. Организационной основой метрологического обеспечения в нашей стране является специаль­ная метрологическая служба как государствен­ная, так и ведомственная.

Существуют эталонные, образцовые и рабочие средства измерения: 1) эталонные - средства измерения обеспечивают воспроизведение и хранение узаконенной физической величины, 2) образцовые - средства измерения, аттестованные и докумен­тально подтвержденные, соответст­вующие своему назначению и хранящиеся в ведомствах и крупных лабораториях, 3) рабочие - средства измерения, применяемые на практике в различных обла­стях знаний.

Технические устройства, используемые для измерений в ме­дицине, принято называть обобщенным термином медицинская техника. Это большая часть медицинской аппаратуры, предназна­ченная для диагностических и лечеб­ных измерений. Метрологи­ческие требования к медицинским приборам, как измерительным устройствам, достаточно высокие и специфич­ные.

Рассмотрим некоторые проблемы характер­ные для медицинс­кой метрологии и частично для медицинского приборостроения.

1. Медицинские приборы целесообразно созда­вать градуиро­ванные в единицах физических величин, значения которых являют­ся конечной медицинской информацией (прямые измерения).

2. Время для измерения необходимо как можно меньшее, а информации и возможностей исполь­зования вычислительной тех­ники как можно больше.

3. При медицинском нормировании важно учитывать меди­цинские показания и особенно отклонения их у отдельных больных.

4. При использовании регистрирующих уст­ройств (электро­кардиограф, электроэнцефало­граф) следует учитывать погрешно­сти характер­ные для этой формы записи.

5. Одной из проблем в медицинской метрологии является терминология, с которой мы очень часто будем встречаться. Ре­гистрируемая физическая величина одна, а название прибора не отвечает этому принципу. ,

6. В ряде медицинских измерений информация может быть недостаточной при непосредствен­ном измерении физической ве­личины и соответ­ствующим медико-биологическим параметром. Так, например, при клиническом (бескровном) методе измерения артериального давления крови допускается, что давление воздуха внутри манжетки тонометра приблизительно равно давлению кро­ви в плечевой артерии. На самом деле эта связь зависит от ряда факторов, в том числе и от степени расслабления мускулатуры.

7. В процессе измерения медико-биологические параметры могут измениться. Поэтому, на практике стремятся сделать не­сколько измерений для исключения случайных погрешностей.

Всевозможные медико-биологические измере­ния могут быть классифицированы по принад­лежности к соответствующему раз­делу физики, либо по функциональному признаку.

Механические измерения - антропометрические параметры тела, скорость и ускорение частей тела, крови, акустические изме­рения.

Теплофизические измерения - температура органов тела и окружающей среды, калоримет­рия.

Электрические и магнитные измерения - биопотенциалы клеток и тканей, электрическое поле сердца, импеданс клеток и тканей.

Оптические измерения - измерения оптических характерис­тик глазных сред, спектральные измерения.

Атомные и ядерные измерения - дозиметрия ионизирующих излучений окружающей среды и внутренних органов человека.

Функциональный принцип классификации методов медико-биологических измерений можно рассматривать на примере из­мерения параметров сердечно - сосудистой системы (баллистокардиография, фонокардиография, измерения давления крови, электрокардиография и др.).