1.10 Задачи обработки медико-биологической информации

Выделим основные этапы работы с получаемой полезной информацией:

–  преобразование измеряемых физических величин в электрические сигналы,

–  преобразование электрических сигналов в форму, удобную для обработки,

–  регистрация и обработка поступающей информации.

В процессе исследований появляется в большом объеме разнообразная информация о состоянии органов, систем и организма в целом, требующая привлечения средств автоматизации, прежде всего цифровой техники с возможностями аналогово-цифрового преобразования, цифровой фильтрации, с алгоритмами дифференцирования, интегрирования, спектрального анализа в реальном времени и др.

Отметим в заключение, что какие бы методы исследований и способы измерений мы ни выбрали, информационный поток в наших экспериментах практически всегда преобразуется в электрические сигналы, законы формирования и распространения которых, а также их свойства должны быть изучены и использованы при проведении медико-биологических экспериментов.

2 Электрические сигналы в медико-биологических исследованиях.

C помощью электрических сигналов исследуются такие важные электрофизиологические характеристики как сопротивление тканей и кожных покровов, характеристики дыхания, артериальное давление, пульсации вен, насыщение крови кислородом, состояние мозга, механические процессы в организме и другие явления.

Разработка ультразвуковых, инфракрасных приборов, а также приборов сверхвысокочастотных (СВЧ), радиочастотных и низкочастотных диапазонов расширила терапевтические и диагностические возможности медицинской аппаратуры, в том числе многоканальных комбинированных приборов с автоматической цифровой обработкой электрофизиологических показателей и документированием информации на базе компьютеров.

Развитие научного и медицинского приборостроения позволяет значительно расширить возможности врачей путем измерения физических полей и излучений человеческого организма. В настоящее время техническими средствами можно регистрировать и анализировать сигналы:

– оптического и инфракрасного диапазонов с плотностью потока энергии ~ 10^-12 Вт/м²;

– СВЧ излучения c ~ 10^-11 Вт/м²;

– низкочастотные и радиочастотные колебания с индукцией магнитного поля ~ 10^-12 Тл и напряженностью электрического поля ~ 10^-5 В/м;

– акустические колебания в диапазоне 10^-1…10⁷ Гц с плотностью ~10^-11 Вт/м².

Электрические потенциалы возникают в нервных тканях, в спинном и головном мозге, в скелетных мышцах, в сетчатке глаза, костном мозге, железах внутренней и внешней секреции (потовых, слюнных, желудочно-кишечных).

2.1 Методы электрофизиологической диагностики

Методы электрофизиологической диагностики основаны на регистрации биоэлектрических сигналов, источниками которых могут быть отдельные клетки и органы биологического объекта, а также его различные системы и организм в целом.

При диагностике заболеваний основной информацией для врача является состояние органов человека, их биоэлектрическая активность, которая лежит в основе следующих методов электрофизиологической диагностики:

– электрокардиография, ЭКГ (исследование электрической активности сердца);

– электроэнцефалография, ЭЭГ (исследование электрической активности головного мозга);

– электромиография, ЭМГ (исследование электрической активности мышц);

– электроокулография, ЭОГ (исследование изменения потенциалов, обусловленных движением глазного яблока);

– электрогастрография (анализ электрических сигналов, вызванных деятельностью желудка и кишечника);

– электрокохлеография (исследование биопотенциалов, вызванных активностью структур наружного, среднего и внутреннего уха).

Большинство методов электрофизиологических исследований регистрируют суммарные биопотенциалы некоторого множества клеток. Так в электрокардиографии изучаются электрические процессы, протекающие в сердце, и фиксируются суммарные потенциалы действия сердечной мышцы. Потенциалы отводятся с поверхности тела на значительном расстоянии от сердца. Распространение волны возбуждения по сердцу отображается в форме кривой (электрокардиограммы) – зависимости изменения потенциала от времени. Каждому положению отводящих электродов на поверхности тела соответствуют своя форма и амплитуда сигналов электрокардиограммы.

Процессы в электроэнцефалографии еще более сложные, так как головной мозг характеризуется большим разнообразием клеточных структур и сложным характером взаимодействия между ними. Информация, снимаемая с определенных зон поверхности головы, также является суперпозицией сигналов множества различных клеток, активность которых проявляется по различным причинам. Поэтому существуют разнообразные методы регистрации биопотенциалов, а также способы их интерпретации и использования в задачах диагностики.

Биопотенциалы, регистрируемые при различных видах электрофизиологических исследований, являются малыми по амплитуде и находятся в области низких и инфранизких частот. Типичные значения диапазонов амплитуд и частот сигналов приведены в таблице 2.1 [2.1].

Таблица 2.1 Амплитуды и частотные диапазоны отведений сигналов от различных органов и тканей

Органы, ткани	Диапазон частот, Гц	Диапазон амплитуд, мВ
Сердце Головной мозг: - на поверхности скальпа, - на открытом мозге Желудок Мышечные ткани Глазные мышцы Костные ткани Спинной мозг: - медленные колебания, - быстрые колебания	0,05–2000 3,5–4 0,1–120 0,02–0,5 5–5000 0,5–50 менее 1 2–10 8–30	0,03–5 0,002–0,2 0,05–5 0,01–10 0,1–10 0,002–0,2 до 10 0,01–0,02 0,04–0,06

Наряду со сложной зависимостью биоэлектрических сигналов от внутренних процессов в организме существует неоднозначная их зависимость от параметров внешней среды. Поэтому регистрация сигналов должна осуществляться при тщательном контроле способов отведения биопотенциалов, а при анализе информации следует применять методы оптимальной обработки сигналов с использованием статистических, спектральных и вейвлет пакетов программ.