Современные достижения и тенденции развития приборов и аппаратов для научной и практической дисциплины

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РТС

РЕФЕРАТ

На тему:

«Современные достижения и тенденции развития приборов и аппаратов для научной и практической дисциплины»

МИНСК, 2008

Сложность выполнения биомедицинских измерений связана также со сравнительно малыми значениями амплитуд биологических сигналов (в некоторых случаях — единицы мкВ) при высоком уровне шумов (как за счет работы других подсистем — внутренние шумы, так и за счет наводимых из внешней среды — внешние помехи), соизмеримых с амплитудами сигналов. Причем частотный спектр выходных сигналов обычно достаточно широк: от области инфранизких частот (сотые, тысячные доли Гц) до сотен герц и более. Затруднено также получение точных математических зависимостей между регистрируемыми параметрами и соответствующими им медико-биологическими показателями, так как еще недостаточно изучены сами системы и не разработан адекватный математический аппарат, пригодный для их описания.

Отмеченные особенности отражаются на методиках применения практически всего арсенала технических средств медико-биологических исследований.

Система методов медико-биологических исследований

Инструментальные средства медико-биологических исследований представляют собой совокупность приборов, аппаратов, систем, комплексов и приспособлений к ним, в которых реализуются физические и физико-химические методы исследования различных биологических объектов. Выполнение этих исследований позволяет получить диагностическую информацию о состоянии объекта в виде множества медико-биологических показателей (МБП) и записей физиологических процессов, на основании анализа которых строится диагностическое заключение. Таким образом, надежность и достоверность заключений в значительной степени зависят от выбора диагностического метода (или их совокупности). Однако не всегда исследователь волен в выборе метода исследования.

К сожалению, в медико-биологической практике отсутствует универсальный метод, позволяющий предоставить полный объем требуемой диагностической информации для всех случаев формирования диагностических заключений. Даже в простых ситуациях требуется одновременное использование нескольких методов диагностики, проведение комплексных исследований. В то же время не все методы хорошо согласуются друг с другом и могут быть реализованы одновременно. Кроме того, частое применение наиболее диагностически эффективных методов сопряжено с методическими приемами, из-за которых возникают технологические ограничения, не позволяющие их использовать в реальных условиях эксперимента, либо их применение экономически не оправдано — связано высокими затратами средств и труда обслуживающего персонала.

Получаемая при этом информация может отставать от момента времени, когда она необходима для принятия решений о лечебных мероприятиях. Приходится искать компромиссное решение, использовать, может быть, и менее эффективные методы, которые в совокупности позволяют получить информацию за более короткий срок обследования.

Выбор оптимального набора методов для каждой задачи упрощается, если весь комплекс методов медико-биологических исследований представить 1% в виде «единой системы, между элементами которой существуют специфические формы взаимодействия». Как любая другая система, является развивающейся, характеризуется присущими только ей системными свойствами, структурой и целевыми функциями. За счет технологии выполнения экспериментов, а также технической и технологической базы производства технических средств совершенствуются методы, хорошо зарекомендовавшие себя на практике.

Электрофизиологические, фотометрические методы

Электрофизиологические и фотометрические методы медико-биологических исследований относятся к наиболее популярным, широко распространенным на практике. Более 60% выпуска медицинской электронной техники составляют приборы и системы, с помощью которых реализуются методы этих двух групп. Такое положение объясняется широкими диагностическими возможностями электрофизиологических и фотометрических методов, простотой и доступностью технических средств, используемых для выполнения исследований с их помощью.

Распространение этих методов объясняется также и тем, что они позволяют как сложные системы для тончайшего анализа различных сред, так и простые, компактные и дешевые приборы, которые измеряют целый ряд важнейших медико-биологических показателей, характеризующих свойства, состав или концентрацию отдельных компонентов сложных биосубстратов и жидкостей.

Большой арсенал разработанных и выпускаемых серийно радиоэлектронной промышленностью различных элементов; излучателей лучистой энергии и оптико-механических устройств для направленного изменения характеристик излучений, фотоэлектрических преобразователей для аналоговой и цифровой обработки сигналов — делают проблему разработки фотометрических приборов и систем весьма перспективной.

Основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов

Медицинскую электронную аппаратуру можно разделить на два класса: медицинские приборы и медицинские аппараты.

Медицинский прибор — техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений (медицинский термометр, электрокардиограф и др.).

Медицинский аппарат — техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие (часто дозированное) терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства (аппарат УВЧ терапии, аппарат искусственной почки и др.), а также обеспечить сохранение определенного состава некоторых субстанций.

Выделены следующие основные группы приборов и аппаратов, используемые для медико-биологических целей.

— Устройство для получения (съема), передачи и регистрации медико-биологической информации. С физической точки зрения эти устройства являются генераторами различных электрических сигналов.

—Кибернетические электронные устройства. В ряде случаев электронное устройство может совмещать в себе различные группы приборов и аппаратов.

Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации

Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о медико-биологической системе, необходимо иметь целую совокупность устройств. Структурная схема состоит из устройства съема (электрод или датчик), усилителя, передатчика, приемника, измерительного прибора.

Определение и основные категории в РТС.

Радиотехнической системой называют организованную совокупность устройств, предназначенных для извлечения, обработки, передачи информации или энергии в целях управления процессами или объектами с использованием радиоволн. Рассмотрим основные категории, вошедшие в определение РТС: информация; извлечение информации; обработка информации; передача информации; передача энергии; устройство, система; радиоволны; управляемые процессы и объекты; пользование радиоволн.

Информация — совокупность сведений:

— о наличии или отсутствии объектов в том или ином участке пространства наблюдения;

— о классе, типе наблюдаемых объектов;

— о геометрических и физических характеристиках и свойствах наблюдаемых объектов;

— о координатах и параметрах движения наблюдаемых объектов;

— о навигационных координатах и параметрах перемещения воздушного морского, наземного объекта;

— О любых характеристиках объектов, субъектов, процессов, событий, явлений природы и общества, представленных в виде сообщений, т. е. совокупности некоторых знаков и символов без учета их смыслового (семантического) содержания.

Извлечение первичной информации — процесс формирования единичных решений о наличии, классе и единичных оценок координат и параметров движения объектов при ограниченном времени и ограниченной пространстве наблюдения, координатами объекта в сферической системе являются азимут, угол места и дальность относительно пункта наблюдения. Под параметрами движения объектов понимаются производные изменяющихся координат по времени.

Первичная информация об объектах наблюдения содержится во временных, пространственных, поляризационных характеристиках принятых сигналов (электромагнитных полей) и извлекается из этих сигналов (полей) путем анализа, т. е. пространственно-временной и поляризационной обработки на фоне помех.

Обработка информации — объединении первичной информации (единичных решений и единичных оценок) по времени (вторичная обработка) и по пространству (третичная обработка) в целях улучшения характеристик обнаружения, распознавания и измерения.

Передача информации — транспортировка каких-либо сообщений из одного пункта пространства в другой с помощью радиоволн, в основном, в интересах объединения (обработки) информации и управления поведением или движением объектов и процессов с использованием дополнительных исполнительных звеньев (рулей, устройств воспроизведения звука, изображения, текста и т. п.).

Передача энергии — транспортировка энергии с помощью электромагнитного поля в определенное место пространства, в основном, в интересах непосредственного управления физическими, химическими и биологическими процессами на основе явлений взаимодействия поля с веществом на атомном, молекулярном и клеточном уровнях.

Радиоволны различных частотных диапазонов имеют свои особенности распространения, затухания и отражении (рассеяния) при взаимодействии с объектами наблюдения, земной поверхностью, атмосферой, неоднородными слоями тропосферы и ионосферы. Это во многом определяет возможности их использования в РТС различного назначения.

Устройство.система. два иерархических уровня радиотехнических средств: элемент, узел, каскад, блок. устройство, система. комплекс.

Управляемые объекты- движущиеся и неподвижные; космические, воздушные, морские и наземные; эргатические (с участием человека) и автоматические (без участия человека). Управление может быть связано с требуемым перемещением или с определенным поведением объекта.

Управляемые процессы — физические (управление на атомном уровне), химические (управление на молекулярном уровне), биологические (управление на клеточном уровне), психологические (управление на уровне индивидуального ощущения и сознания), социальные (управление на уровне коллективного сознания). Суть управления состоит в развитии процесса в нужном направлении.

Использование радиоволн подразумевается не только на этапе извлечения, обработки и передачи информации, но и на этапе управления процессами или объектами. Дело в том, что управление предполагает, но пользование не только информации, но и энергии, которая может доставляться к месту её потребления различными способами, в том числе и с помощью электромагнитного поля. Таким образом, в радиотехнических системах электромагнитное поле используется, в первую очередь, как информационное средство, но оно может быть использовано и как средство непосредственного энергетического воздействия на управляемые объекты или процессы.

Состав и классификация РТС и их применение.

Радиотехнические системы с учетом особенностей их функционального назначения можно разделить на 4 группы:

— радиолокационные системы (РЛС);

— радионавигационные системы (РНС);

— РТС передачи информации (РТС ПИ);

— РТС передачи энергии (РТС ПЭ).

Радиолокационная система в общем случае состоит из одного или нескольких радиопередающих устройств, обеспечивающих формирование зондирующего сигнала (сигнала подсвета), одного или нескольких радиоприемных устройств, обеспечивающих либо приём рассеянного (отраженного) объектом наблюдения зондирующего сигнала (сигнала подсвета), либо прием собственного радиоизлучения объекта наблюдения, и устройства пространственно-временной и поляризационной обработки сигнала и извлечения информации об объекте наблюдения для некоторого потребителя.

Радионавигационная система в общем случае состоит из одной или нескольких радионавигационных точек (РНТ) с априорно известными координатами и параметрами движения, излучающих согласованные по времени, частоте и фазе некоторые сигналы, радиоприёмного устройства объекта навигации и расположенного там же устройства пространственно-временной и поляризационной обработки сигналов от различных РНТ извлечения информации о навигационных параметрах, координатах и параметрах движения объекта навигации в интересах управления его поведением и движением.

Радиотехническая система передачи информации (РТС ПИ) в общем случае состоит из устройства объединения (уплотнения) сообщений от нескольких источников, устройства кодирования, т. е. преобразования группового сообщения в сигнал, канала связи, состоящего из радиопередающего и радиооприёмного устройств с антеннами, среды распространения радиоволн, устройства декодирования, т. е. преобразования принятого сигнала в групповое сообщение, и устройства разделения сообщений по каналам (адресатам или получателям сообщений (рис. 0.3). Здесь пространственно-временная и поляризационная обработка сигнала с целью извлечения информации осуществляется в антенне, РПрУ декодере и устройстве разделения каналов.

Радиотехническая система передачи энергии (РТС ПЭ) в общем случае состоит из совокупности радиоприёмных устройств — рецепторов, устройства пространственно-временной и поляризационной обработки сигнала и извлечения информации о координатах источника излучения иди рассеяния (отражения), совокупности радипередающих устройств и излучателей, формирующих сигнал с амплитудно-фазовым распределением, которое обеспечивает когерентное сложение излучаемых колебаний, т. е. фокусировку СВЧ-энергии, в заданную зону, находящуюся в окрестности источника излучения или рассеяния (отражения).

Задача РТС и принципы их решения.

Несмотря на разнообразие РТС, можно выделить общие задачи, решаемые всеми РТС:

— обнаружение сигнала;

— распознавание-различение сигналов,

— намерение параметров сигнала.

Обнаружение сигнала состоит в установлении факта наличия сигнала в определенном элементе пространства наблюдения. Наличие или отсутствие сигнала отождествляется с наличием или отсутствием символа сообщения для РТС ПИ или объекта наблюдения (излучения, рассеяния, отражения) в определенном участке пространства наблюдения для других систем.

Распознавание-различение сигналов состоит в установлении принадлежности обнаруженного сигнала к определенному типу, виду из заданного множества. В основе классификации сигналов лежат различия между ними: энергетические, по форме, временные, частотные (спектральные), пространственные, поляризационные, статистические. Классификация сигналов эквивалентна распознаванию объектов наблюдения в РЛС, различению сообщений в многоканальных РТС ПИ.

Измерение параметров сигнала отождествляется с определением координат и параметров движения объектов наблюдения для РЛС и РТС ПИ или с воспроизведением передаваемого сообщения для РТС ПИ. Измеряемыми параметрами сигналов являются время запаздывания и доплеровское смещение частоты принятого сигнала относительно излученного, наклон и кривизна волнового фронта принятого сигнала.

Основные технические характеристики.

Основными показателями РТС являются:

— характеристики обнаружения

— характеристики распознавания — различения

— точностные характеристики

— разрешающая способность

— дальность (зона) действия

— помехозащищённость

— электромагнитная совместимость

— надёжность

— стоимость К характеристикам обнаружения относятся условные вероятности принимаесых решений о наличии или отсутствии сигнале. Из-за действия помех, ограниченных времени и пространства наблюдения, случайного характера сигнала принимаемые решения не могут быть достоверными. Остается лишь стремиться к тому, чтобы вероятности правильных решений были ближе к единице, а вероятности ложных (ошибочных) решений были ближе к нулю.

К характеристикам распознавания-различения относятся условные вероятности принимаемых решений, связанных с классификацией сигналов. Здесь, как и в задаче обнаружения, вероятности правильного распознавания-различения должны быть ближе к единице, а вероятности ложного распознавания-различения ближе к нулю.

К точностным характеристикам относятся ошибки измерения и воспроизведения параметров принимаемых сигналов, которые должны быть минимальными.

Под разрешающей способности РТС понимают способность различать наблюдать (обнаруживать, распознавать — различать, измерять параметры) несколько сигналов. Мерой разрешения является минимальная разность одноименных параметров двух сигналов (времени запаздывания, доплеровского смещения частоты, параметров волнового фронта), при которой они наблюдаются раздельно при условии, что все остальные параметры этих сигналов одинаковы.

Под электромагнитной совместимостью понимается способность РТС выполнять свои функции с заданным качеством в условиях непреднамеренных помех со стороны радиоэлектронных средств, входящих в эту РТС и в окружающие ее РТС.

Современные тенденции в развитии приборов и аппаратов для научных и клинических исследований базируются как на фундаментальных знаниях биологической и медицинской науки, так и на широком использовании достижений физики, химии, информационной техники, микроэлектронной технологии, новых материалов. Научные основы медицинского приборостроения охватывают обширный комплекс междисциплинарных знаний и методов от микро-нано-механики; до рекордно тонких аналитических методов, средств восприятия и компьютерной математической обработки биологических сигналов на предельном энергетическом уровне.

При общих высоких темпах роста (в 5—6 раз больше за последние 10 лет) объема продаж в мире медицинской аппаратуры и расширении номенклатуры этих изделий особо быстрый рост наблюдается в области наукоемких высокотехнологических изделий. Это обеспечивается за счет совершенствования новых моделей традиционного назначения и за счет приборов, реализующих новые исследовательские и клинические методики. Таким образом, можно говорить о появлении на широком рынке в практике клинического использования в короткие сроки (сменяемость каждые 3—5 лет) новых поколений приборов по всем важным клиническим направлениям.

Отечественной промышленностью, по данным за 2000/2005 г., выпускается более 1600 типов изделия (без инструментария и больничного оборудования), представляющих все важнейшие группы медицинских приборов и аппаратов различного клинического назначения. В последние годы в оснащении лечебных учреждений существенно возросла доля импортной техники, превысившая в стоимостном выражении объемы отечественного производства (табл. 1).

Тенденции развития медицинского приборостроения наиболее полно проявляются в следующих группах приборов и аппаратов, обеспечивающих реализацию наиболее эффективных лечебных и диагностических медицинских методик с использованием современных достижений в различных областях технических наук и технологий:

I. Системы и аппаратура топической диагностики.

II.Автоматизированные системы и приборы функциональной диагностики и многопараметрического мониторинга.

III.Технические средства жизнеобеспечения организма и замещения внутренних органов, хирургическая аппаратура.

IV. Аппараты и комплексы для терапии. V. Приборы и системы лабораторной диагностики.

Системы и аппаратура топической диагностики

Не вызывает сомнений, что быстрая и точная диагностика заболеваний является не только медицинской, но и экономической категорией.

Применение высокоинформативных, неинвазивных методов диагностики, в том числе на догоспитальном периоде, позволяет сократить пребывание больного на койке и раньше вернуть его к активной трудовой жизни.

По данным ВОЗ, более 75% диагнозов устанавливается лучевыми методами, другими словами, методами топической диагностики (классическая рентгенология, компьютерная рентгеновская магнитно-резонансная томография, УЗИ, радионуклидная диагностика).

Высокая эффективность этих методов привела в последние два десятилетия к бурному развитию технических средств топической диагностики.

Мировой рынок систем и комплексов этого класса аппаратуры достиг в 1996 г. 12 млрд. долларов, рынок США — 3,6 млрд. долларов.

Изменения в продажах по группам изделий топической диагностики, например, в США и в России за 10 лет характеризуются показателями, приведенными на рисунке. Необходимо отметить, что все выше перечисленные группы технических средств топической диагностики сохраняют свои позиции с точки зрения потребности медицины, хотя имеет место явно выраженный рост в направлении УЗ — аппаратуры.

Тенденции к развитию систем и аппаратов топической диагностики можно кратко охарактеризовать следующим образом:

Таблица 1

Укрупненная характеристика промышленности медицинского приборостроения в России (2000/2005 г.)

— в области рентгенодиагностической аппаратуры (РДА) — переход к «беспленочной» технологии, «оцифровки» изображения на ранней стадии, т. е. преобразование энергии рентгеновского излучения в электронную информацию вместо пленочных кассет. Это позволяет не только повысить информативность изображения, но и существенно снизить лучевую нагрузку;

— появление, на рынке компьютерных: рентгеновских томографов (КРТ) со спиральной разверткой изображения со сверхбыстрым получением кадра изображения (вплоть до 0,05 с), что позволило с высокой степенью достоверности диагностировать на ранней стадии сердечно-сосудистые и легочные аномалии, более Широко использовать КРТ для функциональных исследований;

— дальнейшее усовершенствование магнитно-резонансных томографов (МРТ) со «средним» и «низким» значением напряженности магнитного поля. Многие фирмы перешли на конструкцию с постоянными магнитами, улучшены быстродействие и разрешающая способность; внедрены устройства для обеспечения визуализации с малым полем зрения. МР томографы стали использоваться также и для функциональных исследований сердца, головного мозга и др. органов для магнитно-резонансной спектроскопии тканей;

— значительные технологические усовершенствования в области ультразвуковой (УЗ) медицинской техники — цветовое кодирование УЗ-допплеровской информации и картирование, внедрение аппаратуры с высокоскоростными процессами. По прогнозам западных специалистов развитие УЗаппаратуры и объемы ее продаж в ближайшие 2−3 года будут происходить опережающими темпами;

— продолжает удерживать свои позиции в лучевой диагностике ядерная медицина (ЯМ) (радионуклидная диагностика). Это обусловлено дальнейшим совершенствованием радиодиагностической аппаратуры и созданием новых радиофармпрепаратов. Конструирование эмиссионных томографов с прямоугольными детекторами 1—3 на одном штативе, более совершенные методы обработки сигналов и пр. позволили медикам получать диагностическую информацию, недоступную другим техническим способам; о функциональном состоянии и метаболизме сердца, головного мозга, почек, печени и, других органов;

— автоматизированные рабочие места (АРМ), системы архивации и передачи изображения (РАС5) (внутрии межбольничные), телерадиология — все эти медико-технологические новации вызывают все больший интерес у лучевых диагностов.

— признание всеми, ведущими фирмами стандарта DICOM 3.0 позволило объединить в единые сети продукцию различных фирм. В последнее время все большее внимание уделяется взаимодействию РАCS с общебольничной информационной системой.

1. В. С. Камышников. Справочник по клинико-биохимической лабораторной диагностике. М. «Беларусь» 2007.

2. Справочник по функциональной диагностике. Под общ. ред. И. А. Кассирского. Изд. «Медицина». М.2000.

3. Системы комплексной электромагнитотерапии. Под ред. А. М. Беркутова, В. И. Жулева, Г. А. Кураева, Е. М. Прошина. М. Бином 2005.