Вера Александровна ПодколзинаМедицинская физика. Мед физика
Кто такой медицинский физик и как им стать
В России строится Федеральная сеть центров ядерной медицины, но для их обслуживания нужны квалифицированные специалисты. В современной диагностике и лечении онкологических и других заболеваний не обойтись без медицинских физиков.
В России зарегистрировано более 3,5 млн онкологических больных. Каждый год заболевает еще полмиллиона человек, сто тысяч из них не доживает до конца года. Такие методы лечения, как хирургия, химиотерапия, традиционная лучевая терапия, недостаточно эффективны и дороги.
Чем раньше обнаружить заболевание, тем выше шансы успешно его вылечить. Для распространения ранней диагностики нужна скрининговая программа для различных слоев населения и так называемых групп риска. Обнаружить доклинические формы злокачественных опухолей до появления опасных симптомов могут ПЭТ- и КТ-исследования, а лечить – протонная терапия и другие высокотехнологичные методы.
Россия постепенно идет по этому пути: в стране открываются новые центры ядерной медицины, в октябре Правительство России утвердило «дорожную карту» их развития (Распоряжение от 23 октября 2015 года №2144-р), в вузах готовят новых специалистов. Кто они?
Автоматизированный модуль для производства радиофармпрепаратов (фото: «ПЭТ Технолоджи»)
УЗИ (ультразвуковое исследование), МРТ (магнитно-резонансную томографию) и КТ (компьютерную томографию) используют, чтобы получить общее представление о новообразовании. ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) – другое дело: она показывает опухоль на уровне обменных процессов и крошечные метастазы вплоть до атомов. Сегодня это обязательный этап диагностики и лечения онкологических заболеваний, самый информативный и объективный метод, применяемый уже не один десяток лет и не имеющий альтернатив.
Перед исследованием пациенту вводят радиофармпрепарат (РФП). Радионуклидные препараты накапливаются в опухолевых тканях и наглядно показывают, что происходит внутри организма, посредством ПЭТ/КТ-сканера. Чтобы выполнить такое исследование, медицинский центр должны обладать мощными сканерами и компьютерным оборудованием для диагностики. К тому же для пациента надо изготовить или доставить РФП. Для производства радиофармпрепаратов нужен циклотрон, чтобы получить изотопы, оборудование для синтеза РФП и лаборатория для контроля их качества. Другими словами, внедрение методов ядерной медицины требует строительства крупных центров и подготовки высококвалифицированных специалистов.
Протонная терапия
Протонная терапия – новый метод лучевой терапии. Разогнанные до огромной скорости протоны (положительно заряженные аналоги электронов) в два-три раза снижают лучевую нагрузку на окружающую опухоль здоровую ткань по сравнению с гамма-лучами, тем самым значительно уменьшая число побочных эффектов и осложнений.
Более того, протонный пучок можно «останавливать» в нужном месте: за границей опухоли его интенсивность резко падает, а значит, ее можно облучать большими дозами при меньшем повреждении нормальных тканей и времени облучения. Протонный луч добирается до глубоко расположенных опухолей – это особенно полезно в офтальмологии. Минус метода – дороговизна: для разгона протонов надо строить ускоритель.
Атомная медицина
Успехи атомной и ядерной физики в 60-е годы, выделение стабильных изотопов привели в медицину новые технологии. В результате исследований, проведенных в ядерных физических центрах 60-х годов, были построены мощные медицинские центры. Первый клинический центр протонной лучевой терапии появился в 1990 году в Лома Линда (Калифорния, США).
Виала с радиофармпрепаратом (фото: «ПЭТ Технолоджи»)
В СССР история протонной терапии началась в конце 60-х – начале 70-х. В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ исследования начались в 1967 году под руководством. Сегодня в Дубне работает Медико-технический комплекс (МТК), количество его пациентов достигает 100 человек в год. В ИТЭФ с 1969 года с помощью протонного синхротрона прошли лечение больше трех тысяч человек. В Гатчине (ПИЯФ) медицинский комплекс протонной терапии работает с 1975 года.
Сегодня в России появляются специализированные медицинские центры ядерной медицины. Уже в 2017 году Федеральная сеть таких центров должна охватить 16 регионов. За последний год открыты пять центров, в которых проводят сверхточную диагностику методами ПЭТ/КТ: Липецк, Тамбов, Орел, Курск и Уфа. На очереди – ПЭТ-центр на острове Русский, отделение ПЭТ-диагностики в Брянске, затем центры в Новосибирске, Самаре, Екатеринбурге, Калуге, Оренбурге, Перми, Ижевске. В конце 2017 года откроется самый крупный в Европе высокотехнологичный центр медицинской радиологии в городе Димитровград Ульяновской области – первые пуски его ускорителя начнутся в 2016-м.
Для ПЭТ-диагностики нужны радиофармпрепараты, поэтому медицинские центры строятся неподалеку от их производства. Центры в Тамбове, Курске и Липецке работают с РФП, которые производят в в городе Елец Липецкой области.
Физики от медицины
Сегодня большинство медицинских физиков работают в сотрудничестве с онкологами и занимаются вопросами лучевой диагностики и терапии. Хотя еще во времена СССР физики-ядерщики и инженеры работали в онкологических диспансерах, а с 1993 года существует Ассоциация медицинских физиков России, официальный статус специальность «медицинский физик» получила только в 2000 году.
К 2016 году разработали программы обучения, сформулировали основные требования к профессии. Медицинский физик – это специалист с высшим образованием в области физики, математики, механики, электроники или электротехники, который работает в сотрудничестве с медиками. Соответственно, он должен разбираться не только в ядерной физике, но и в целом сплаве наук, на стыке которых работает, а главное – в медицинских приложениях своей профессии.
Медицинский физик – главный помощник врача при проведении лучевой терапии. Он должен обладать навыками работы с крайне сложным оборудованием; уметь рассчитывать дозы облучения для диагностики и лечения; обеспечивать радиационную защиту пациента, всего персонала и окружающей среды. Кроме того, он должен обладать необходимой психологической подготовкой, которая позволит работать в том числе с тяжелобольными людьми.
Куда пойти учиться
1. МГУ имени М.В. Ломоносова. Физический факультет. Кафедра медицинской физики
Первые три года студенты кроме общих курсов по физике и математике получают дополнительное образование по биофизике и основам биологии и медицины. Студенты смогут работать на установках, осваивая физические методы медицинской практики. Участие кафедры предполагается в новом Медицинском центре МГУ. Налаживаются связи кафедры с ведущими медицинскими институтами и центрами, в частности с МНИОИ им П.А. Герцена, где студенты будут проходить преддипломную практику и выполнять дипломные работы.
Форма обучения: очная
2. НИЯУ МИФИ. Факультет экспериментальной и теоретической физики. Кафедра №35 «Медицинская физика»
На кафедре студенты получат фундаментальную подготовку в области физики, теоретической физики, высшей математики, вычислительной техники, электроники и современных методов визуализации изображений. Совместно с ведущими медицинскими и научно-исследовательскими центрами страны сотрудники и студенты кафедры проводят исследования в области ЯМР-диагностики, лучевой терапии, разрабатывают аппаратуру и методики для лазерной медицинской диагностики, ведут работы по созданию отечественного позитронного томографа и современных локаторов раковых опухолей.
Форма обучения: очная. Степень: бакалавр + магистр
3. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций
Программа бакалавров и магистров по направлению 010700 – «Физика» (магистерские программы подготовки: «Физика атомного ядра и элементарных частиц» и «Медицинская ядерная физика») – включает подготовку в области экспериментальной ядерной физики и физики элементарных частиц, а также в области применения ядерно-физических методов в науке, технике и медицине как в теории, так и на практике. В ПИЯФ и НИИЭФА кафедра имеет филиалы, где организовано индивидуальное обучение студентов старших курсов на уникальном научном оборудовании и под руководством ведущих научных сотрудников этих институтов.
Форма обучения: очная. Степень: бакалавр + магистр
4. Обнинский институт атомной энергетики (ИАТЭ), НИЯУ МИФИ. Факультет естественных наук. Кафедра радионуклидной медицины
Кафедра готовит специалистов для высокотехнологичных отраслей ядерной медицины – радиоизотопной диагностики и терапии различных заболеваний у человека.
Форма обучения: очная. Степень: бакалавр + магистр
5. Химический факультет МГУ. Кафедра радиохимии совместно с «ПЭТ-Технолоджи» и GE Healthcare
Программа повышения квалификации в области позитронно-эмиссионной и компьютерной томографии. Предлагает обучение по дисциплинам «Радиохимия для сотрудников центров ПЭТ/КТ», «Радиология» и «Медицинская физика для сотрудников центров ПЭТ/КТ».
По материалам портала «Чердак: наука, технологии, будущее»
ВУЗы:
МГУ им. М.В. Ломоносова СПбПУ Петра Великогоintalent.pro
На пару с врачом. Почему есть «медицинская физика», но нет «физической медицины»
Всем известен факультет химической физики МФТИ. Как и единственный советский нобелевский лауреат по химии академик Николай Николаевич Семенов, работавший в области химической физики. Есть общепринятое понятие физической химии как наиболее обширного раздела химии (ну, помните, всякие там коллоидная химия, кристаллохимия, радиохимия и т.д.) Химическая физика, физическая химия, принцип взаимности работает. Но! Есть понятие «медицинской физики». Например, как название профиля направления «Физика» ФТИ, собственно предмета этой заметки. А вот физической медицины нет! Почему? Мы предполагаем, вот по какой причине. Трудно научить физика азам медицины (например, анатомии), но практически невозможно научить медика современной физике. Поэтому квалифицированных специалистов, работающих на стыке физики и медицины, может подготовить только физический факультет!
Строго говоря, физическая медицина есть, но это понятие гораздо менее распространенное, чем медицинская физика. Выскажете, а как же целый научный журнал, носящий гордое имя «Физическая медицина»? Журнал-то есть, но он рассказывает в основном, как специалисты физтехов создают уникальные медицинские приборы! В общем, это аргумент из серии «Химия не наука». Помните такой софизм эпохи развитого социализма? Не помните? Ну тогда «следите за руками». Логическая цепочка очень короткая: есть журнал «Наука и жизнь», а есть журнал «Химия и жизнь», отсюда следует, что химия – не наука! (Ну действительно, ведь журнала «Физика и жизнь», например, не было.)
Если Вы подумали, что мы этими словесными упражнениями хотели обидеть медиков и медицинские вузы, то вы очень неправы! Наоборот, название заметки подчеркивает: «На пару с врачом»! Согласно уставу Европейской федерации организаций по медицинской физике (EFOMP), «медицинский физик – это специалист с высшим физико-техническим образованием, имеющий диплом университета или технического высшего учебного заведения по физике, математике, вычислительной технике, механике, электротехнике или электронике, работающий в сотрудничестве с медицинским персоналом в лечебных учреждениях, университетах, учебных или научно-исследовательских институтах». Вы уловили? Именно «в сотрудничестве с медицинским персоналом»! Профессия предполагает сочетание физико-математического образования и дополнительной медицинской подготовки высокого уровня. Медицинский физик должен разговаривать с врачами на одном языке. Такой специалист работает в паре с врачом. Соответственно, для совместного принятия решений, например, в процессе диагностики, он обязан освоить методы и средства медицинской визуализации, а также методы обработки медицинских изображений.
Все это исключительно важно. Именно поэтому у нас к преподаванию специальных дисциплин привлекаются биологический и химический факультеты БашГУ, преподаватели кафедры медицинской физики БГМУ, специалисты медицинских учреждений. Учебная практика после 1-го и 2-го курса проводится в физиотерапевтических лабораториях медучреждений, ознакомительная производственная практика после 3 курса организована в лабораториях БГМУ и ГКБ г.Уфы.
Но первична, все-таки, фундаментальная физико-математическая подготовка! Потому что …
Как вы думаете, сколько врачей знает, что такое ядерный магнитный резонанс? Говорите, немного? Что Вы! Еще меньше! А вы знаете? Проверьте себя:
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле на определенной частоте (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер (спин и есть собственный магнитный момент ядра). После прекращения действия поля ядра атомов будут переходить в первоначальное (невозбужденное) состояние (релаксировать). При этом энергия, накопленная при облучении, будет высвобождаться в виде электромагнитных колебаний, которые можно зарегистрировать с помощью специальной аппаратуры.
Замечательное изобретение. Недаром за него получено целых четыре (!) нобелевских премии – одна по физике (Феликс Блох, Эдвард Миллс, 1952), две по химии (Ричард Эрнст, 1991; Курт Вютрих, 2002), одна – по физиологии и медицине, как раз за магнитно-резонансную томографию (Пол Лотербур, Питер Мэнсфилд, 2003).
Поскольку организм человека на 50-80% состоит из воды, то в магнитно-резонансной томографии используется электромагнитный «отклик» ядер водорода – протонов (доля водорода в теле человека по массе составляет 10%, а по числу атомов – 50%: каждый второй атом в организме – водород). Метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма атомами водорода и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Накладывая поперечные (друг другу) мощное постоянное и градиентное переменное магнитные поля, можно установить, в каких именно тканях находится тот или иной атом водорода. На основе этого можно получить красивые и информативные карты-срезы различных тканей организма, которые видел, наверное, каждый. Магнитно-резонансная томография (МРТ) обеспечивает точное изображение всех тканей организма, в особенности мягких тканей, хрящей, межпозвоночных дисков и мозга. А вот кости не поддаются МР-томографии из-за низкого содержания воды (их лучше обследовать компьютерной томографией, основанной на рентгеновском излучении). Как Вы понимаете, несмотря на столь часто используемое здесь слово «ядерный», пациент при МРТ не получает лучевую нагрузку: при сканировании не применяют ионизирующее излучение и радиофармпрепараты.
Еще одним неинвазивным (не связанным с «проникновением» в организм) способом диагностики заболеваний является компьютерная томография (КТ). Принципы МРТ и КТ совершенно различны: в КТ используется довольно мощное (по сравнению с обычным рентгеном или флюорографией) рентгеновское излучение. Объединяет их только слово «томография», означающее получение послойных срезов органов и тканей, изображение которых после сканирования поступает на персональный компьютер и подвергается интерпретации. Поэтому КТ «вреднее», чем МРТ, хотя дешевле и поэтому доступнее. А вот еще вопрос «на засыпку»: рентгеновское излучение – это короткие или длинные волны? Задумались – значит, не быть вам медицинским физиком!
Вот сколько надо знать медикам, чтобы работать в высокотехнологичной медицине. А ведь еще есть гамма-нож, кибер-нож и протонная терапия (методы радиохирургии), радио- и лучевая терапия. Да и ставшая теперь обыденной УЗИ-диагностика не так уж проста. Чтобы разбираться в приборах ультразвуковой диагностики, нужно иметь представление об ультразвуке, пьезоэлектрическом эффекте, акустическом (то есть звуковом) сопротивлении, законах геометрической оптики и эффекте Допплера. Немало!
Поэтому на помощь медикам спешат медицинские физики. Но уж очень узок их круг. Мало их! (Прямо как в статье Ленина «Памяти Герцена» 1912 года: «Узок круг этих революционеров. Страшно далеки они от народа. Но дело их не пропало. Декабристы разбудили Герцена. Герцен начал революционную агитацию.») В США работает около 5000 медицинских физиков, а с каждым годом их число растет на 10-15%. В России – на порядок меньше! Цифры взяты с сайта ядерного университета МИФИ, и у нас нет оснований им не верить! А ведь только в рамках национального проекта «Здоровье» в 2008-2009 годах было закуплено около двухсот томографов. А сколько было закуплено потом! И это только вершина пирамиды – самое дорогостоящее оборудование. Ведь покупаются приборы и в «основании пирамиды»: аппараты ультразвуковой диагностики, цифровые маммографы, костные денситометры,энцефалографы, кардиографы… Да мало ли еще чего.
Во всяком случае, для нас очевидно, что медицинских физиков не просто мало. А чудовищно мало! Поэтому, если Вы решились поступить на профиль «Медицинская физика» направления «Физика» ФТИ, интересная работа для Вас обеспечена! Как «декабристы разбудили Герцена»,так и Вы распакуете контейнеры с невостребованной сложнейшей медицинской техникой и разбудите далеких от собственного здоровья людей, заставите их заниматься профилактикой страшнейших заболеваний! Цель благородная. А медицинские учреждения с нетерпением ждут специалистов-физиков, имеющих фундаментальную подготовку в области физики, математики, информатики и способных грамотно эксплуатировать сложное дорогостоящее оборудование и оказывать консультации медикам в правильной интерпретации показаний диагностических приборов.
Подготовка медицинских физиков ведется в ФТИ на кафедре общей физики. В группу ежегодно отбирается 12-15 студентов, поступивших на направление «Физика». Кроме физико-математических дисциплин, медицинские физики изучают следующие специальные дисциплины:
- Физиология и анатомия человека
- Биофизика
- Биофизические основы живых систем
- Общая и биоорганическая химия
- Основы диагностики патологических состояний
- Биофизика неионизирующих излучений
- Медицинская электроника и измерительные преобразователи
- Основы интроскопии
- Физические основы лучевой терапии
- Физические основы томографии
- Магнито-резонансная томография
- Ультразвук в медицине
- Физические основы использования лазеров и оптических источников света в медицине
Куда можно пойти работать после окончания? Например, сюда:
- Медицинские диагностические клиники компьютерной и магниторезонансной томографии; клиники радионуклидной диагностики и эмиссионной томографии; отделения функциональной диагностики, имеющие ультразвуковые сканеры, энцефалографы, кардиографы.
- Клиники, имеющие в своем составе оборудование для лазерной и высокочастотной хирургии и терапии, ангиографии, рентген-телевизионной визуализации, литотрипсии.
- Онкологические диспансеры и клиники, имеющие терапевтические радиоизотопные, рентгеновские и ускорительные установки.
- Научно-исследовательские организации медико-биологического профиля.
- Предприятия - производители медико-биологического оборудования.
- Отделения центров Госсанэпиднадзора.
Для того, чтобы поступить на профиль «Медицинская физика», надо:
1) Подать заявление на направление «Физика» до 26 июля включительно.
2) Не испугаться высоких баллов в списке поступающих и принести оригинал аттестата в приемную комиссию ФТИ до 1 августа включительно.
3) Написать заявление о согласии на зачисление до 1 августа включительно.
4) Пройти по конкурсу и быть зачисленным приказом от 3 августа (или приказом от 8августа во «вторую волну»). Проходной балл прошлого года – 179 баллов (с учетом индивидуальных достижений).
5) Успешно пройти отбор на профиль «Медицинская физика».
Удачи Вам!
Абдуллин А.У.
www.bashedu.ru
Книга Медицинская физика читать онлайн бесплатно, автор Вера Александровна Подколзина на Fictionbook
1. Медицинская физика. Краткая история
Медицинская физика – это наука о системе, которая состоит из физических приборов и излучений, лечебно-диагностических аппаратов и технологий.
Цель медицинской физики – изучение этих систем профилактики и диагностики заболеваний, а также лечение больных с помощью методов и средств физики, математики и техники. Природа заболеваний и механизм выздоровления во многих случаях имеют биофизическое объяснение.
Медицинские физики непосредственно участвуют в лечебно-диагностическом процессе, совмещая физико-медицинские знания, разделяя с врачом ответственность за пациента.
Развитие медицины и физики всегда были тесно переплетены между собой. Еще в глубокой древности медицина использовала в лечебных целях физические факторы, такие как тепло, холод, звук, свет, различные механические воздействия (Гиппократ, Авиценна и др.).
Первым медицинским физиком был Леонардо да Винчи (пять столетий назад), который проводил исследования механики передвижения человеческого тела. Наиболее плодотворно медицина и физика стали взаимодействовать с конца XVIII – начала XIX вв., когда были открыты электричество и электромагнитные волны, т. е. с наступлением эры электричества.
Назовем несколько имен великих ученых, сделавших важнейшие открытия в разные эпохи.
Конец XIX – середина ХХ вв. связаны с открытием рентгеновских лучей, радиоактивности, теорий строения атома, электромагнитных излучений. Эти открытия связаны с именами В. К. Рентгена, А. Беккереля,
М. Складовской-Кюри, Д. Томсона, М. Планка, Н. Бора, А. Эйнштейна, Э. Резерфорда. Медицинская физика по-настоящему стала утверждаться как самостоятельная наука и профессия только во второй половине ХХ в. – с наступлением атомной эры. В медицине стали широко применяться радиодиагностические гамма-аппараты, электронные и протоновые ускорители, радиодиагностические гамма-камеры, рентгеновские компьютерные томографы и другие, гипертермия и магнитотерапия, лазерные, ультразвуковые и другие медико-физические технологии и приборы. Медицинская физика имеет много разделов и названий: медицинская радиационная физика, клиническая физика, онкологическая физика, терапевтическая и диагностическая физика.
Самым важным событием в области медицинского обследования можно считать создание компьютерных томографов, которые расширили исследования практически всех органов и систем человеческого организма. ОКТ были установлены в клиниках всего мира, и большое количество физиков, инженеров и врачей работало в области совершенствования техники и методов доведения ее практически до пределов возможного. Развитие радионуклидной диагностики представляет собой сочетание методов радиофармацевтики и физических методов регистрации ионизирующих излучений. Позитронная эмиссионная томография-визуализация была изобретена в 1951 г. и опубликована в работе Л. Ренна.
2. Основные проблемы и понятия метрологии
Метрологией называют науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности. Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем с помощью технических средств. Измерения позволяют установить закономерности природы и являются элементом познания окружающего нас мира. Различают измерения прямые, при которых результат получается непосредственно из измерения самой величины (например, измерение температуры тела медицинским термометром, измерение длины предмета линейкой), и косвенные, при которых искомое значение величины находят по известной зависимости между ней и непосредственно измеряемыми величинами (например, определение массы тела при взвешивании с учетом выталкивающей силы, определенной вязкостью жидкости по скорости падения в ней шарика). Технические средства для производства измерений могут быть разных типов. Наиболее известными являются приборы, в которых измерительная информация представляется в форме, доступной для непосредственного восприятия (например, температура представлена в термометре длиной столбика ртути, сила тока – показанием стрелки амперметра или цифровым значением).
Единицей физической величины называют физическую величину, принятую по соглашению в качестве основы для количественной оценки соответствующей физической величины.
Для выражения уровня звукового давления, уровня интенсивности звука, усиления электрического сигнала, выражения частотного интервала и иного удобнее использовать логарифм относительной величины (на– и более распространен десятичный логарифм):
lg = а2/а1
где а1 и а2 – одноименные физические величины.
Единицей логарифмической величины является бел (Б):
1Б = lg=а2/аi,
при а2 = 10а,
если а – энергетическая величина (мощность, интенсивность, энергия и т. п.), или
если а – силовая величина (сила, механическое напряжение, давление, напряженность электрического поля и т. п.).
Достаточно распространена дольная единицы – децибел (дБ):
1 дБ = 0,1Б.
1дБ соответствует соотношению энергетических величин а2 = 1,26а:
3. Медицинская метрология и ее специфика
Технические устройства, используемые в медицине, называют обобщенным термином «медицинская техника». Большая часть медицинской техники относится к медицинской аппаратуре, которая в свою очередь подразделяется на медицинские приборы и медицинские аппараты.
Медицинским прибором принято считать техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений (медицинский термометр, сфигмоманометр, электрокардиограф и др.).
Медицинский аппарат – техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства, а также обеспечивать в медицинских целях определенный состав различных субстанций (аппарат УВЧ-терапии, электрохирургии, искусственной почки, ушной протез и др.).
Метрологические требования к медицинским приборам достаточно очевидны. Многие медицинские аппараты призваны оказывать дозирующее энергетическое воздействие на организм, поэтому они и заслуживают внимания метрологической службы. Измерения в медицине достаточно специфичны, поэтому в метрологии выделено отдельное направление – медицинская метрология.
Рассматривая некоторые проблемы, характерные для медицинской метрологии и частично для медицинского приборостроения, следует отметить: в настоящее время медицинские измерения в большинстве случаев проводит медицинский персонал (врач, медсестра), не являющийся технически подготовленным. Поэтому целесообразно создавать медицинские приборы, градуированные в единицах физических величин, значения которых являются конечной медицинской измерительной информацией (прямые измерения).
Желательно, чтобы времени измерения вплоть до получения полезного результата тратилось как можно меньше, а информация была как можно полнее. Этим требованиям удовлетворяют вычислительные машины.
При метрологическом нормировании медицинского прибора важно учитывать медицинские показания. Врач должен определить, с какой точностью достаточно представить результаты, чтобы можно было сделать диагностический вывод.
Многие медицинские приборы выдают информацию на регистрирующем устройстве (например, электрокардиографе), поэтому следует учитывать погрешности, характерные для этой формы записи.
Одна из проблем – термологическая. Согласно требованиям метрологии в названии измерительного прибора должна быть указана физическая величина или единица (амперметр, вольтметр, частотомер и др.). Названия для медицинских приборов не отвечают этому принципу (электрокардиограф, фонокардиограф, реограф и др.). Так, электрокардиограф следовало бы назвать милливольтметром с регистрацией показаний.
В ряде медицинских измерений может быть недостаточной информация о связи между непосредственно измеряемой физической величиной и соответствующими медико-биологическими параметрами. Так, например, при клиническом (бескровном) методе измерения давления крови допускается, что давление воздуха внутри манжеты приблизительно равно давлению крови в плечевой артерии.
4. Случайная величина. Закон распределения
Определение случайной величины. Многие случайные события могут быть оценены количественно как случайные величины. Случайной называют такую величину, которая принимает значения в зависимости от стечения случайных обстоятельств. Различают дискретные и непрерывные случайные величины.
Распределение дискретной случайной величины. Дискретная величина считается заданной, если указаны возможные ее значения и соответствующие им вероятности. Обозначим дискретную случайную величину х, ее значения х1, х2…, в вероятности: Р (х1) =р2, Р (х2) = р2 и т. д.
Совокупность х и Р называется распределением дискретной случайной величины.
Так как все возможные значения дискретной случайной величины представляют полную систему, то сумма вероятностей равна единице:
Здесь предполагается, что дискретная случайная величина имеет n значений. Выражение называется условием нормировки.
Во многих случаях наряду с распределением случайной величины или вместо него информацию об этих величинах могут дать числовые параметры, получившие название числовых характеристик случайной величины. Наиболее употребительные из них: 1) математическое ожидание (среднее значение) случайной величины есть сумма произведений всех возможных ее значений на вероятности этих значений;
2) дисперсией случайной величины называют математическое ожидание квадрата отклонения случайной величины от ее математического ожидания.
Для непрерывной случайной величины математическое ожидание и дисперсия записываются в виде:
где f(x) – плотность вероятности или функция распределения вероятностей. Она показывает, как изменяется вероятность отнесения к интервалу dx случайной величины в зависимости от значения самой этой величины. Нормальный закон распределения. В теориях вероятностей и математической статистики, в различных приложениях важную роль играет нормальный закон распределения (закон Гаусса). Случайная величина распределена по этому закону, если плотность ее вероятности имеет вид:
где а = М(х) – математическое ожидание случайной величины;
σ – среднее квадратное отклонение; следовательно;
σ2– дисперсия случайной величины. Кривая нормального закона распределения имеет колоколообразную форму, симметричную относительно прямой х = а (центр рассеивания).
5. Распределение Максвелла (распределение газовых молекул по скоростям) и Больцмана
Распределение Максвелла – в равновесном состоянии параметры газа (давление, объем и температура) остаются неизменными, однако микросостояния – взаимное расположение молекул, их скорости – непрерывно изменяются. Из-за огромного количества молекул практически нельзя определить значения их скоростей в какой-либо момент, но возможно, считая скорость молекул непрерывной случайной величиной, указать распределение молекул по скоростям. Распределение молекул по скоростям подтверждено различными опытами. Распределение Максвелла можно рассматривать как распределение молекул не только по скоростям, но и по кинетическим энергиям (так как эти понятия взаимосвязаны).
Выделим отдельную молекулу. Хаотичность движения позволяет например для проекции скорости Vx молекулы принять нормальный закон распределения. В этом случае, как показал Дж. К. Максвелл, плотность вероятности того, что молекула имеет компоненту скорости Ux, записывается следующим образом:
Можно получить максвелловскую функцию распределения вероятностей абсолютных значений скорости (распределение Максвелла по скоростям):
Распределение Больцмана. Если молекулы находятся в каком-либо внешнем силовом поле (например, в гравитационном поле Земли), то можно найти распределение по их потенциальным энергиям, т. е. установить концентрацию частиц, обладающих некоторым определенным значением потенциальной энергии. Распределение частиц по потенциальным энергиям в силовых полях – гравитационном, электрическом и др. – называют распределением Боль-цмана.
Применительно к гравитационному полю это распределение может быть записано в виде зависимости концентрации n молекул от высоты h над уровнем земли, или потенциальной энергии mgh:
Такое распределение молекул в поле тяготения Земли можно качественно, в рамках молекулярно-кине-тических представлений, объяснить тем, что на молекулы оказывают влияние два противоположных фактора: гравитационное поле, под действием которого все молекулы притягиваются к Земле, и молеку-лярно-хаотическое движение, стремящееся равномерно разбросать молекулы по всему возможному объекту.
6. Математическая статистика и корреляционная зависимость
Математическая статистика – наука о математических методах систематизации и использования статистических данных для решения научных и практических задач. Математическая статистика тесно примыкает к теории вероятностей и базируется на ее понятиях. Однако главным в математической статистике является не распределение случайных величин, а анализ статистических данных и выяснение, какому распределению они соответствуют. Большая статистическая совокупность, из которой отбирается часть объектов для исследования, называется генеральной совокупностью, а множество объектов, собранных из нее, – выборочной совокупностью, или выборкой. Статистическое распределение – это совокупность вариант и соответствующих им частот (или относительных частот).
Для наглядности статистические распределения изображают графически в виде полигона и гистограммы.
Полигон частот – ломаная линия, отрезки которой соединяют точки с координатами (х1; п1), (х2; п2)…. или для полигона относительных частот – с координатами(х1;р1),(х2;р2)….
Гистограмма частот – совокупность смежных прямоугольников, построенных на одной прямой линии, основания прямоугольников одинаковы и равны а, а высоты равны отношению частоты (или относительной частоты) к а:
Наиболее распространенными характеристиками статистического распределения являются средние величины: мода, медиана и средняя арифметическая (или выборочная средняя). Мода (Мо) равна варианте, которой соответствует наибольшая частота. Медиана (Ме) равна варианте, которая расположена в середине статистического распределения. Она делит статистический (вариационный) ряд на две равные части. Выборочная средняя (ХВ) определяется как среднее арифметическое значение вариант статистического ряда.
Корреляционная зависимость. Функциональные зависимости можно выразить аналитически. Так, например, площадь круга зависит от радиуса (S = pr2), ускорение F тела – от силы и массы (a = F/m0). Однако имеются зависимости, которые не слишком очевидны и не выражаются простыми и однозначными формулами. Так, например, прослеживается связь между ростом людей и массой их тела, изменение погодных условий влияет на число простудных заболеваний населения и т. д. Такая более сложная, чем функциональная, вероятностная зависимость является корреляционной (или просто – корреляцией). В этом случае изменение одной их величин влияет на среднее значение другой. Предположим, что изучается связь между случайной величиной Х и случайной величиной Y Каждому конкретному значению Х будет соответствовать несколько значений Y: у1, у2 и т. д.
Условным средним Yх назовем среднее арифметическое значение Y, соответствующее значению Х = х. Корреляционной зависимостью, или корреляцией Y от Х, называют функцию Y x = f(x). Равенство называют уравнением регрессии Y на Х, а график функции – линией регрессии Y на Х.
7. Кибернетические системы
Кибернетической системой называют упорядоченную совокупность объектов (элементов системы), взаимодействующих и взаимосвязанных между собой, которые способны воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею. Примерами кибернетических систем являются коллективы людей, мозг, вычислительные машины, автоматы. Соответственно этому элементами кибернетической системы могут быть объекты разной физической природы: человек, клетки мозга, блоки вычислительной машины и т. д. Состояние элементов системы описывается некоторым множеством параметров, которые подразделяются на непрерывные, принимающие любые вещественные значения в определенном интервале, и дискретные, принимающие конечные множества значений. Так, например, температура тела человека – непрерывный параметр, а его пол – дискретный параметр. Функционирование кибернетической системы описывается тремя свойствами: функциями, которые учитывают изменение состояний элементов системы, функциями, вызывающими изменения в структуре системы (в том числе и вследствие внешнего воздействия), и функциями, определяющими сигналы, передаваемые системой за ее пределы. Кроме того, учитывается начальное состояние системы.
Кибернетические системы различаются по своей сложности, степени определенности и уровню организации.
Кибернетические системы делятся на непрерывные и дискретные. В непрерывных системах все сигналы, циркулирующие в системе, и состояния элементов задаются непрерывными параметрами, в дискретных – дискретными. Существуют однако и смешанные системы, в которых имеются параметры обоих видов. Деление систем на непрерывные и дискретные является условным и определяется необходимой степенью точности исследуемого процесса, техническими и математическими удобствами. Некоторые процессы или величины, имеющие дискретную природу, например электрический ток (дискретность электрического заряда: он не может быть меньше, чем заряд электрона), удобно описывать непрерывными величинами. В других случаях, наоборот, непрерывный процесс имеет смысл описывать дискретными параметрами.
В кибернетике и технике принято деление систем на детерминированные и вероятностные. Детерминированные системы, элементы которой взаимодействуют определенным образом, состояние и поведение ее предсказываются однозначно и описываются однозначными функциями. Поведение вероятностных систем можно определить с некоторой долей достоверности.
Система называется замкнутой, если ее элементы обмениваются сигналами только между собой. Незамкнутые, или открытые, системы обязательно обмениваются сигналами с внешней средой.
Для восприятия сигналов из внешней среды и передачи их внутрь системы всякая открытая система обладает рецепторами (датчиками или преобразователями). У животных, как у кибернетической системы, рецепторами являются органы чувств – осязание, зрение, слух и иное, у автоматов – датчики: тензоме-трические, фотоэлектрические, индукционные и т. д.
8. Понятие о медицинской кибернетике
Медицинская кибернетика является научным направлением, связанным с использованием идей, методов и технических средств кибернетики в медицине и здравоохранении. Условно медицинскую кибернетику можно представить следующими группами.
Вычислительная диагностика заболеваний. Эта часть в основном связана с использованием вычислительных машин для подготовки диагноза. Структура любой диагностической системы состоит из медицинской памяти (совокупного медицинского опыта для данной группы заболеваний) и логического устройства, позволяющего сопоставить симптомы, обнаруженные у больного опросом и лабораторным обследованием, с имеющимся медицинским опытом. Этой же структуре следует и диагностическая вычислительная машина.
Сначала разрабатывают методики формального описания состояния здоровья пациента, проводят тщательный анализ клинических признаков, используемых в диагностике. Отбирают главным образом те признаки, которые допускают количественную оценку.
Кроме количественного выражения физиологических, биохимических и других характеристик больного, для вычислительной диагностики необходимы сведения о частоте клинических синдромов и диагностических признаков, об их классификации, зависимости, об оценке диагностической эффективности признаков и т. п. Все эти данные хранятся в памяти машины. Она сопоставляет симптомы больного с данными, заложенными в ее памяти. Логика вычислительной диагностики соответствует логике врача, устанавливающего диагноз: совокупность симптомов сопоставляется с предшествующим опытом медицины. Новую (неизвестную) болезнь машина не установит. Врач, встретивший неизвестное заболевание, сможет описать его признаки. Подробности о таком заболевании можно установить, лишь проведя специальные исследования. ЭВМ в таких исследованиях может играть вспомогательную роль.
Кибернетический подход к лечебному процессу. После того как врач установит диагноз, назначается лечение, которое не сводится к одноразовому воздействию. Это сложный процесс, во время которого врач постоянно получает медико-биологическую информацию о больном, анализирует ее и в соответствии с ней уточняет, изменяет, прекращает или продолжает лечебное воздействие.
В настоящее время кибернетический подход к лечебному процессу облегчает работу врача, позволяет эффективнее проводить лечение тяжелобольных, своевременно принимать меры при осложнениях во время операции, разрабатывать и контролировать процесс лечения медикаментами, создавать биоупра-вляемые протезы диагностирование заболеваний, управление устройствами, регулирующими жизненно важные функции.
В задачи оперативного врачебного контроля входит наблюдение за состояние тяжелобольных с помощью систем слежения (мониторных, систем наблюдения за состоянием здоровых людей, находящихся в экстремальных условиях: стрессовых состояниях, в невесомости, гипербарических условиях, среде с пониженным содержанием кислорода и т. п.).
fictionbook.ru
