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.).