Комп’ютерна реконструктивна томоґрафія як засіб для неінвазивного медичного обстеження

Розділ 1

 

Медичне обстеження. Відбір інформації для обстеження внутрішньої будови біооб’єкта. Інформаційний та енерґетичний аспекти впливу фізичного поля на біооб’єкт. Інтроскопія. Емісійна та трансемісійна інтроскопія. Одно- та багатопроекцйна інтроскопія. Томографія.

Концептуальні засади обстеження внутрішньої будови біооб’єктів

Кому обстежували якийсь внутрішній орган методом ендоскопії, рис. 1.1[1] (ε υ δ ο υ — зсередини, та σ κ ο π έ ω — спостерігаю, грецьк.)[2], той знає, якою неприємністю може стати ця процедура для пацієнта.

 

Світлопровід

Об’єктив

 

Рис. 1.1 Гнучкий ендоскоп. Світлопровід вводиться у внутрішні порожнини організму через природні шляхи (в шлунок — через рот, в легені — через гортань тощо), або через прокол чи хірургічний доступ

Є ще багато інших методів обстеження, які не тільки неприємні, але й можуть становити загрозу здоров’ю. Але їх продовжують використовувати, бо у низці випадків без такого обстеження неможливо вчасно визначити достовірний стан таких об’єктів обстеження як тканини, внутрішнього органу чи системи органів організму людини. Обстеження є досить складною процедурою, оскільки стан біооб’єктів навіть в „нормі” мінливий, різноманітний, ознаки його мають стохастично-нестаціонарний характер. А під час діаґностики за даними від спостереження відповідного біооб’єкту (внутрішніх тканин, органів тощо) необхідно вчасно вибрати достовірне рішення про їх стан. Це означає, що необхідно:

a) мати значення ознак стану обстежуваного біооб’єкту в „нормі”;

b) визначити значення ознак біжучого стану обстежуваного біооб’єкту;

c) порівняти за попередньо обґрунтованим критерієм ознаки визначені за даними обстеження з ознаками „нормального” стану біооб’єкту;

d) ухвалити рішення про стан біооб’єкту, оцінити достовірність рішення.

Отже, в основі визначення стану біооб’єкту лежить представлення біооб’єкту ознаками цього стану. На підставі низки концептуальних припущень за ознаки вибирають множину спостережуваних біофізичних величин властивих стану біооб’єкту. Ці величини можуть змінюватися з часом, бути розподіленими у просторі (всередині, по поверхні чи навколо біооб’єкту). Проте, з аксіом теорії інформації та теорії складності випливає, що найбільш достовірним та простим представленням об’єкту є сам об’єкт, або його фізичне (оптичне) зображення (у тому числі його внутрішньої будови). Тому в медичній практиці спостереження біооб’єкту часто виконують не досить безпечними методами, шляхом хірургічного втручання, „-томії” — від τ ο μ ή (грецьк.), відсікання, розтин[3].

За способом отримання значень ознак біжучого стану біооб’єкту під час обстеження виокремимо такі групи методів.

Рис.1.2 Схема пасивного об-стеження

Група " А": пасивні методи — визначення або вимірювання фізичних величин, параметрів сиґналів, джерелом яких є сам об’єкт спостереження (рис. 1.2).

Приклади:

a) вимірювання температури. Норма та інформативна ознака задані у числовій формі — (36, 6 - 37) °C; значення температури вимірюється простими технічними засобами.

b) визначення ознак стану біооб’єкту безпосередньо, за допомогою органів чуття лікаря, з використанням або без використання додаткових технічних засобів (пальпація, аускультація, зовнішній огляд — наприклад, в іридодіагностиці тощо).

Рис.1.3 Схема активного об-стеження

Група " Б": активні методи — визначення або вимірювання фізичних величин, параметрів реакції біооб’єкта на зовнішнє подразнення (рис. 1.3).

Приклади:

a) введення спеціальних речовин в організм та оцінювання реакції його тканин, органів, систем;

b) ретиноґрафія (електропотенціальний відгук сітківки ока на подразнення її світлом).

Важливим є те, що зовнішній вплив має бути оптимальним (достатньо сильним для отримання інформативної реакції, яку можна зареєструвати, але біооб’єкт при цьому не має суттєво змінитися).

Група " В": ідентифікаційні методи — вимірювання параметрів потоку, хвиль фізичного поля після взаємодії його з біооб’єктом (наприклад, після поширення його крізь біооб’єкт, рис. 1.4). При цьому використовуються природні (фізичні, φ ύ σ ι ς, грецьк.) або ґенеруються штучні „технічні” (τ έ χ ν η, грецьк. — штука, староукр.) поля. Крім того, поширення поля може бути транзитивним (наскрізьним) або рефлективним (віддзеркалювальним), а взаємодія поля з речовиною біооб’єкта повинна відбуватися без суттєвих вторинних ефектів, розсіювання та поглинання його енергії.

Рис. 1.4 Схема транзитивно- ідентифікацій-ного обстежен-ня

Приклади:

a) транзитивна ідентифікація — Х-променева індикація (рентгеноскопія, рентгенографія);

b) рефлективна ідентифікація — ультразвукова індикація (УЗІ).

Концептуальна відмінність поміж методами з груп " А" - " В" в тому, що в одних носіями інформації є біосиґнали (притаманні живому організму біофізичні величини, що ґенеруються в процесі життєдіяльності та реакцій на подразнення, а в других — використовуються зовнішні, сторонні, фізичні або технічні поля. На відміну від методів групи " Б", в яких дія на біооб’єкт повинна перевищувати порогові значення інтенсивності подразнення, методи з групи „В" допускають застосування інтенсивностей енергії без значного впливу на організм (методи з групи „А” не вимагають такого впливу взагалі). Методи медичних обстежень з інтенсивністю впливу на біооб’єкт значно меншою за інтенсивність, яка викликає його миттєву, активну реакцію або відхилення його характеристик чи параметрів від норми називають інформаційними. Інформаційні методи дослідження об’єктів вперше знайшли застосування в техніці, науці, військовій справі тощо — для неруйнівного чи прихованого контролю деталей та конструкцій машин, споруд, у гідро- та геофізиці, астрофізиці, локації тощо. Проте, виходячи із специфіки біооб’єкту (живого організму, його систем, органів) концепції побудови та вимоги до апаратури медичного обстеження мають свої особливості. Їх фіксують у відповідних стандартах.

У посібнику [1] наведено принципи підходу до проектування біотехнічної апаратури. При цьому означено систему базисних (взаємно доповнюючих) множин ознак, які відрізняють медичні апарати від іншої технічної апаратури: Н — неінвазивність, А — адаптивність, С — системність, А — антропоґенність, або, у сукупності — НАСА. Очевидно, що дотримання принципу НАСА є обов’язковим при проектуванні не тільки діаґностичної апаратури, але й профілактичної, терапевтичної, реабілітаційної.

Н — неінвазивність, від invasio (лат.) — втручаюсь. Ця ознака містить гуманітарний та юридичний аспекти. Медична техніка повинна відбирати інформацію від біооб’єкта так, щоб не руйнувати його, не змінювати його структуру, не впливати на фізіологічні процеси та показники і, в ідеальному випадку, повинна бути такою, щоб об’єкт дослідження (пацієнт) не зауважував її застосування. Показник неінвазивності буде тим вищим (кращим), чим менший вплив на пацієнта чинить апаратура, і навпаки (рис. 1.5)[4].

Рис. 1.5 Номінальна шкала неінвазивності технічних засобів

При дослідженні внутрішньої структури організму найменшу неінвазивність мають хірургічні інструменти. Такі традиційні, як електрокардіографічні, тепловізійні, та деякі інші методи обстежень можна вважати неінвазивними. Але, вже два– три обстеження Х- променевим комп’ютерним томографом (у середньому, залежно від пацієнта та типу томографа) за дозою (40 mSv) еквівалентні опроміненню жертв атомного бомбування (Хіросіми, Японія), або працівників атомної індустрії (вони отримують дозу до 20 mSv)[5].

А — адаптивність, від adapto (лат.) — пристосовую. Цим означається врахування специфіки живих організмів, як таких, що пристосовуються. Містить такі аспекти:

a) зовнішній — живий біооб’єкт бореться за життя, і тому потрібно вчасно припинити медтехнічне втручання при критичній реакції організму (наприклад, при алергічні реакції на втручання), навіть, якщо ще не отримано потрібної інформації;

b) внутрішній — організм здатний пристосовуватись до зовнішніх умов, протидіяти втручанню, відштовхувати чужорідні тіла, що приводить до унеможливлення застосування медтехніки;

c) суб’єктивний — коли ми проникаємо в організм, він змінює свої функції, пристосовується, часом пацієнт свідомо чи несвідомо впливає на результати вимірювання, спотворює їх, робить необ’єктивними. Це необхідно враховувати, пристосовувати медтехніку до конкретного біооб’єкта;

d) психолоґічний — потрібно враховувати і психологічні чинники, які можуть впливати на значення вимірюваних ознак.

С — системність, від σ ύ σ τ η μ α (грец.) — утворення, складення. Людина є складною, сукупністю функціональних частин, які взаємодіють одна з одною. Існує у природному середовищі і взаємодіє з ним — система в системі. Тому при проектуванні біотехнічної апаратури потрібен системний підхід. Бажано вести постійний контроль зовнішніх параметрів, умов зовнішнього середовища, враховувати їх вплив на біооб’єкт, враховувати взаємозв’язок підсистем, враховувати аналіз багатьох сиґналів, різної фізичної природи, від сукупно. Наприклад, зображення на тепловізорі при температурі 12 °С в неопалюваному приміщенні буде відрізнятись від отриманого при нормальній кімнатній температурі; після значного фізичного навантаження показники тиску і пульсу також будуть далекими від норми.

А — антропоґенність, від грецьких слів ά ν θ ρ ω π ο ζ — людина та γ έ ν ο ζ — походження, рід. Діагностує, лічить лікар. Медична техніка лише допомагає йому у цьому. Вона повинна відібрати об’єктивну інформацію і представити її у формі, зручній для сприйняття лікарем, вказати на можливі варіанти, наприклад, діаґнозу, висновку, але не остаточні. Юридичну (і моральну) відповідальність несе лікар. Сучасні діаґностично-експертні системи використовують великі бази даних та знань, готові приклади типових патолоґій, норм тощо при формуванні інформації, яка виводиться, наприклад, на екран. Вона може підлаштовуватися під стандартне зображення, яке вже знайоме лікарю. Але завжди надається технічна можливість змінити той варіант, який пропонує машина — наприклад, через натискання „кнопки” " УТОЧНИТИ" на спеціальному пульті керування діагностичної системи та відповідне програмне оброблення такого фізичного переривання її роботи.

Перераховані ознаки формують 4-х координатну систему — базис (рис. 1.6). Залежно від типу біотехнічна система є

Рис. 1.6 Базис НАСА

„точкою” в цьому понятійному, чотиривимірному просторі. За означенням номінальної шкали чим далі знаходиться ця точка від початку координат, тим система краща. Залежно від важливості кожного з показників для конкретного типу медичної апаратури, можна сформулювати узагальнений показник якості біотехнічних систем, як функцію від чотирьох координат у базисі НАСА: , причому для більшості терапевтичних систем важливішими параметрами є адаптивність та системність, а для діаґностичних — неінвазивність.