Файл: Медицинская информатика.pdf

94 редачу по телекоммуникационным каналам связи и анализ в удаленном меди- цинском центре. В этой процедуре только этап анализа данных в какой-то мере может быть доступен врачу.
Биоинженерия. В отличие от специалистов по моделированию многие инженеры-биомедики имеют дело непосредственно с биологическими тканями
– мышцами, связками, сухожилиями – и даже клеточными мембранами. Чаще всего их работа связана с измерением физических параметров (таких, как проч- ность, жесткость, упругость) или функциональных показателей (электрической активности, количеств выделяемого вещества, осмотического давления в клет- ках и т.п.). Подобные измерения важны не только для фундаментальной науки, они создают основу для практически важных разработок, одним из примеров которых служит искусственное сердце. Одной из интересных тем биоинжене- рии является имплантация или эндопротезирование.
Биологический сигнал. Практически во всех задачах телеметрического контроля датчику – регистратору биологического сигнала – уделяется много внимания. От технических характеристик такого датчика, его функциональных возможностей зависит выбор канала передачи данных. Так, если предполагает- ся контролировать состояние биологического объекта на коротком расстоянии, скажем в пределах нескольких метров, то можно использовать как оптический, так и радиоканал передачи данных. Если же расстояние от датчика является ве- личиной переменной и требуется вести контроль состояния объекта на боль- шом от него расстоянии, то наиболее целесообразно использовать радиоканал.
Обобщенно, любое электрофизиологическое исследование представ-
ляется тремя последовательными этапами:
1) съем;
2) регистрация
3) обработка сигналов биологической активности (биосигналов).
Специфические особенности, присущие каждому этапу реализации, определя- ют комплекс требований и ограничений на возможную реализацию остальных.
Съем сигнала осуществляется посредством электродов.
Биологическим электродом называется устройство, используемое при съеме биоэлектрических потенциалов, имеющие токосъёмную поверхность и выходные элементы.
Токосъемная поверхность – часть поверхности электрода, непосредст- венно или через контактное вещество контактирующая с биообъектом и обес- печивающая съем биопотенциалов.
В зависимости от участия в съеме биопотенциалов, различают следующие виды электродов:
- Потенциальный электрод – отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, находящимся в электрическом поле исследуемого объек- та.
- Нулевой электрод – отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, в котором электрический потенциал стремится к нулю.

95
- Нейтральный электрод – электрод, не участвующий в съеме биоэлек- трических потенциалов, подключенный к нейтральной клемме измерительного прибора.
При съеме и регистрации биосигналов проявляют себя различные поме-
хи. Наибольшую погрешность в измерения вносят т.н. аддитивные помехи.
Среди них выделяют следующие виды:
- Артефакты или случайные помехи. Их причинами может быть био- электрическая активность органов, не имеющая непосредственного отношения к работе исследуемых органов и тканей
- Разностные и синфазные помехи – образуются, в первую очередь, как наводки промышленной частоты 50 Гц от сети переменного тока и всегда име- ются в помещениях, где производится регистрация.
- Мультипликативные помехи – изменяют параметры контура передачи сигнала, что приводит к случайной модуляции величины полезного сигнала.
Связаны в основном с изменениями сопротивления «кожа-электрод», вызван- ными высыханием токопроводящих или физиологического раствора. Мультип- ликативные помехи носят инфранизкий характер и проявляются при длитель- ных исследованиях.
Методы электрофизиологических исследований. В зависимости от ви- да органов, биоэлектрическая активность которых изучается, различают сле- дующие основные методы электрофизиологических исследований:
 Электрокардиография – исследование электрической активности серд- ца;
 Электроэнцефалография – исследование электрической активности го- ловного мозга;
 Электромиография – исследование электрической активности мышц;
 Электроокулография – исследование изменения потенциалов, обуслов- ленных движением глазного яблока.
Приведенный перечень может быть существенно расширен, в том числе в направлении изучения групп и даже отдельных клеток живых тканей.
При измерении электрических параметров биообъектов их соединяют с измерительной схемой с помощью биоэлектрических электродов. При этом можно выделить:
 отведение, т.е. зону контакта биообъекта с электродом,
 электродное контактное вещество (паста, физ. раствор),
 электрод,
 отводящие провода.
Все используемые отведения можно разделить на:
 униполярные,
 биполярные
 многоэлектродные.
- Униполярное отведение позволяет регистрировать биоэлектрическую активность в точке наложения электрода.
- Биполярное отведение – оба электрода являются измерительными, и разность потенциалов регистрируется между двумя точками поверхности тела.

96
- Многоэлектродное отведение – в требуемых точках биообъекта накла- дываются две группы электродов, электроды каждой группы соединяются через суммирующие цепи и образуют две ветви отведения.
В настоящее время приоритетным направлением развития методологии электрофизических исследований является разработка методов автоматическо- го анализа, оптимальных для решения каждой конкретной задачи. Достовер- ность выделения информативных признаков должна быть ограничена только принципиально неустранимой неопределенностью данных вследствие наличия комплекса помех. Необходимой теоретической основой для решения подобного рода задач является аппарат статистической теории.
Медицинские телеметрические системы могут сочетать в себе и другие функции, например контроль состояния технологического оборудования и со- стояние здоровья операторов. Разработка приборов и систем автоматического анализа биосигналов связана с созданием высокотехнологичного программного обеспечения, реализующего современные методы обработки сигналов, распо- знавания образов и искусственного интеллекта.
Понятие медицинского изображения. Одним из направлений примене- ния компьютера в медицине является работа с графической информацией. Это направление изучается в специальном разделе медицинской информатики - анализе медицинских изображений.
Медицинское изображение предоставляет визуальную информацию о внутренних структурах и функциях человеческого тела. Оно может быть полу- чено радиологическими или нерадиологическими методами.
Назначение радиологических методов – сделать доступным для визу- ального восприятия информацию, которая не воспринимается непосредственно зрением. Такую информацию получают с помощью излучения. Это излучение имеет, как правило, электромагнитную природу. Медицинские изображения органов, полученные средствами радиологической диагностики, являются главным источником информации в области здравоохранения.
Нерадиологическими методами получают изображения, отснятые ви- деокамерой (эндоскопия) или сфотографированные (микроскопические изо- бражения в гистологии, патологии, дерматологические изображения и т.д.).
Эти типы изображений также могут быть переведены в цифровую форму и со временем обработаны.
В дальнейшем будем рассматривать преимущественно медицинские изо- бражения, полученные радиологическими методами. Именно поэтому под по- нятием «медицинское изображение» будем понимать доступную зрительному восприятию картину пространственного распределения любого вида излуче- ния, трансформированного в видимую часть оптического диапазона.
Медицинское изображение как объект медицинской информатики.
Все медицинские изображения, независимо от способов их получения, принадлежат к одной из двух групп: аналоговые и цифровые изображения.
К аналоговым изображениям относятся те, которые несут в себе инфор- мацию беспрерывного характера. Например, изображения на рентгенограмме.

97
К цифровым относят изображения, полученные с помощью компьютера.
Они имеют в своей основе матрицу, которая содержится в памяти ПК. Таким образом, цифровые изображения, в отличие от аналоговых, имеют дискретный характер. Поскольку в основе цифровых изображений лежит компьютерная технология, они становятся доступными для разнообразной обработки на ЭВМ.
Необходимо отметить, что аналоговые изображения могут быть преобра- зованы в цифровые и, наоборот. С этой целью применяют специальные уст- ройства: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Цифровое изображение формируется путем сканирования электронным лучом. Память дисплейного процессора организована в виде матрицы, каждо- му из элементов которой отвечает свой определенный участок дисплея. Подоб- ная элементарная единица цифрового изображения, которой отвечает зануме- рованный участок памяти, получила название «пиксель». Таким образом, плос- кость экрана представляет собой матрицу - совокупность пикселей. В лучевой диагностике площадь дисплея может формироваться в виде матриц 32х32,
64х64, 128х128, 256х256, 512х512, 1024х1024, 1024х1280 пикселей и выше. Чем на больше число пикселей разбита площадь дисплея, тем выше разрешающая способность системы отображения.
Все медицинские изображения в лучевой диагностике могут существо- вать в виде твердых копий - рентгенограмм, отражений на бумаге, фотобумаге; или на магнитных носителях - лентах, дисках; или в нефиксированном виде -
на экране дисплея или рентгенодиагностического аппарата.
Объекты медицинского изображения можно разделить на твердые фраг- менты (например, кости) и фрагменты, которые могут быть деформированы
(например, структуры мягкой ткани); или на статические фрагменты (например, череп) и динамические (например, сердце).
Методы получения медицинских изображений. Для получения одно или двумерных медицинских изображений можно использовать:
 электромагнитное излучение:
 ультразвук.
Методами получения двумерных медицинских изображений являются:
 цифровая радиология;
 компьютерная томография;
 ядерный магнитный резонанс;
 2D-ультразвук.
Методами и источниками трехмерных изображений являются:
 последовательность радиологических изображений или томографиче- ское изображение динамического объекта;
 объемное томографическое изображение части статического объекта.
Коротко опишем указанные методики.
Рентгенология (обычная радиология) использует ионизирующее излу- чение из источника рентгеновских лучей. Это самый распространенный метод в отделениях радиологии. Изображение получается на рентгенографической пленке, чувствительной к рентгеновским лучам, и может быть впоследствии из этих пленок переведено в цифровую форму. Но можно получить цифровое

98 изображение, минуя стадию рентгенографической пленки - в новых аппаратах, которые вместо пленок используют специальные матрицы.
Цифровая ангиография показывает сосуд, убирая из изображений не- желательные структуры (кости и внутренние органы). Исследования проводят в два этапа. Сначала получают изображение перед инъекцией контрастного вещества и переводят их в цифровую форму. Потом они используются для соз- дания маски, которая будет удалена из изображений, полученных после инъек- ции.
Компьютерная томографии (КТ) также использует рентгеновские лучи, но вместо одного плоского изображения КГ-изображение восстанавливается компьютером из нескольких изображений, полученных в разных направлени- ях.
При ядерно-магнитном резонансе (ЯМР) компьютер восстанавливает изображение от полученных радиосигналов, интенсивность и продолжитель- ность которых зависит от биологических характеристик ткани. Не используя ионизирующую радиацию, ЯМР предоставляет изображение, вид которого за- висит от обмена веществ и характеристик тканей. Ультразвуковое исследо-
вание (УЗИ) базируется на акустическом исследовании. Зонд испускает ульт- развуковые волны и получает отражение, которое с помощью пьезоэлектриче- ских кристаллов превращается в электрические сигналы. Сигналы, которые получены от нескольких параллельных каналов, переводятся в цифровую фор- му и обрабатываются, в результате чего получается изображение.
Во время сцинтиграфии в организм вводится радиоактивная метка, об- ладающая тропизмом к определенному виду ткани. Испускаемое излучение фиксируется с помощью чувствительной к радиации камеры. Это изображения, захваченные видеокамерой (эндоскопия) или сфотографированные (микроско- пические изображения в гистологии, патологии, дерматологические изображе- ния и т. д.).
Все радиологические методики получения изображения могут быть представлены в виде следующей схемы (рис. 8.1).
Первый блок в этой схеме – источник излучения. Источник излучения может находиться вне пациента (например, при рентгенологическом и ультра- звуковом исследовании) или может быть введенным в организм (например, при радионуклидных исследованиях).
Следующий блок – детектор излучения. Он непосредственно взаимодей- ствует с объектом (пациентом). Его назначение – уловить электромагнитное из- лучение или упругие колебания и превратить их в диагностическую информа- цию. В зависимости от вида излучения детектором могут быть флуоресцентный экран, фото- или рентгеновская пленка, и др.