Медицина и точность

Намер Л.
(«ХиЖ», 2016, №11)
s 20161164 tochnost.jpg

Врач, впервые приступая к лечению своего пациента, должен делать это изящно, весело и с приятностью для больного; и никогда хмурый врач не преуспеет в своем ремесле.

Мишель де Монтень

В медицине измеряют множество разных величин — например, концентрации каких-либо веществ в каких-либо средах, механические величины (вес, линейные размеры, перемещение, скорость, давление, силу, объем выдыхаемого воздуха), частоты (пульса, дыхания), электрические величины (потенциалы). С точки зрения метрологии эти измерения в большинстве случаев не представляют сложности — требования к точности и скорости измерений обычно вполне умеренны. Потому что люди, даже совершенно здоровые, — они разные, и разброс параметров таков, что точное измерение ничего не даст: «норма» сама определена не слишком точно. А вот чувствительность может потребоваться очень высокая, причем под этим понимают три разные вещи: собственно чувствительность и две разрешающие способности — по времени и по пространству. Временно́е разрешение — это способность заметить малое изменение контролируемой величины в ходе времени, пространственное разрешение — заметить изменение от точки к точке. И в этом случае результатом измерения часто бывает некая картинка, карта распределения того или иного параметра на поверхности пациента или внутри у него.

Общая проблема медицинской метрологии — сильная зависимость значения измеряемых параметров от прочих параметров объекта. В некоторых случаях применяется принудительная стабилизация параметров («а этот анализ, голубчик, только натощак»), в иных — измерения с усреднением. Если параметры объекта существенно изменяются со временем суток, состоянием сна-бодрствования и родом занятия, именно эти изменения становятся информативны. В таком случае применяется длительное (на протяжении суток) наблюдение значений этих параметров. Его называют «мониторирование», потому что слово «мониторинг» медики используют как синоним наблюдения вообще, а для этого наблюдения им захотелось иметь отдельное слово. Чаще всего применяется мониторирование ЭКГ (электрокардиограммы) и АД (артериального давления), реже — внутричерепного давления, концентрации сахара в крови, температуры тела. Цель — получение данных в реальных условиях, при всех обычных для данного человека жизненных факторах, с выявлением нормальной суточной периодичности, с экономией времени, в отсутствие пугающего некоторых белого халата. (Подробнее о современных средствах мониторирования см. статью «Человек и RFID в этом же номере.)

Измерение температуры человека — существенно более интересная с точки зрения метрологии задача, причем в разнообразных ситуациях. Во-первых, если это не грубая оценка, то желательна погрешность не более 0,1—0,2ºС. Во-вторых, часто бывает нужно измерить быстро: при контроле большого количества пациентов, в экстренной ситуации, при измерении у маленького ребенка или плохо контролируемого пациента. В-третьих, иногда требуется иметь метод оценки пусть с меньшей точностью, но оперативный и совсем простой.

Поэтому медицинские термометры бывают разными. Самые простые — контактные на жидких кристаллах. Это либо лента, опускаемая в воду для измерения температуры ванны, где будут купать младенца, или прикладываемая ко лбу — при совсем грубой оценке, либо наклейка детенышу под мышку с «точками», изменяющими цвет при различных температурах. Погрешность оценки с помощью прикладываемой ко лбу ленты определяется нестабильным тепловым контактом с кожей и тем, что кожа вообще холоднее внутренней среды. Точность измерения наклейкой под мышкой может быть достаточна, если рука прижата к туловищу в течение нескольких минут — кожа догревается до внутренней температуры, а поскольку тело оказывается с двух сторон, то и влияние качества теплового контакта ослабевает.

Традиционные термометры с ртутью общеизвестны. Прослужив человечеству верой правдой два с половиной века, породив изощренные конструкции и достигнув высокой степени совершенства (химики поймут), они сейчас уступают место электронным — безопасным и ударопрочным. При измерении в подмышке электронный термометр надо держать примерно то же время, что и ртутный, чтобы поверхностный слой тела прогрелся. Но электронный сам измеряет скорость нарастания своих показаний и подает сигнал, когда можно его вынимать. При пероральном или перанальном измерении время установления показаний существенно меньше, поскольку прибор сразу попадает в теплое место. Сам прибор слабо влияет на объект ввиду относительно большой массы объекта.

Бесконтактно могут измерять температуру инфракрасные пирометры — бесконтактные и квазиконтактные, датчик которых нужно прижимать к коже. Первые предназначены для измерения температуры во рту или в ушном канале. Во втором случае пирометр определяет, принимает ли он сигнал именно из канала или со стенки (видимо, по величине сигнала), и подает команду на фиксацию данных. Пирометр, датчик которого надо прижимать к коже, принимает сигнал с глубины нескольких миллиметров. Поэтому его следует использовать в области, где близко к поверхности подходят сосуды (висок, сгиб локтя), причем он имеет большее время срабатывания.

Инфракрасная термометрия с высоким пространственным разрешением (ИК-тепловидение) весьма перспективна — при пространственном разрешении в тысячные доли градуса оказалось возможным быстро и не травмируя пациента диагностировать более ста болезней (Г.Р.Иваницкий. Современное матричное тепловидение в биомедицине. «Успехи физических наук», 2006, № 12). Локально измерить температуру человека можно не только по излучению в ИК-диапазоне, но и контактно (термопарой), и по излучению в радиодиапазоне, причем у всех методов есть свои достоинства и недостатки.

Рассмотрим один медицинский пример чуть подробнее — тонометр для измерения давления крови. С точки зрения Мосводоканала человек — замкнутая система с сердцем в качестве помпы периодического действия. Поэтому давление вообще максимально на выходе помпы (в аорте), почти не изменяется вдоль крупных артерий, немного уменьшается вдоль более мелких сосудов, уменьшается по ходу капилляров, поскольку они создают основное гидродинамическое сопротивление, и опять слабо снижается вдоль вен. Значит, если мы собираемся измерять это давление, надо оговаривать, где именно. Стандартное место — на левой руке выше локтя.

Давление должно изменяться периодически, в такт с работой помпы, то есть биением сердца, и важно, в какой фазе сердечного сокращения его измерять. Медики измеряют два значения — максимальное, в момент сжатия сердечной мышцы и выталкивания крови в артерии, и минимальное, в момент расслабления сердечной мышцы. Максимальное они определяют по давлению воздуха в манжете, при котором прекращается кровоток, а минимальное — по исчезновению характерных шумов при протекании крови через суженную внешним давлением артерию. Таким образом, минимальное давление — это довольно условная величина, но так уж договорились его определять. Медики называют эти давления «верхним» и «нижним».

При последовательных измерениях получаемые значения будут различны, причем кроме дрейфа, кроме систематических и случайных погрешностей есть две причины закономерных периодических изменений. Во-первых, в такт с дыханием — на вдохе давление понижается, на выдохе возрастает. Во-вторых, иногда наблюдаются более медленные повышения и понижения давления, каждое из которых охватывает несколько циклов дыхания. На давление влияют физическая активность, еда, некоторые лекарства. Поэтому бороться за высокую точность отдельного измерения бесполезно, но имеет смысл тренировкой измерителя уменьшить часть систематической погрешности, стабилизацией условий измерения уменьшить часть посторонних влияний, а измерив несколько раз, уменьшить случайную погрешность. 

Разные разности

01.10.2017 10:00:00
...согласно моделированию с учетом общепринятых сценариев выброса парниковых газов, в Южной Азии температура и влажность приблизятся к опасному для здоровья человека пределу, а в некоторых регионах превысят его уже к концу XXI века («Science Advances», 2017, 3, 8, e1603322, doi: 10.1126/sciadv.1603322)... >>
01.09.2017 10:23:00

...возможно, 39—59% площадей кофейных плантаций в Эфиопии из-за климатических изменений станут непригодными для выращивания кофе, однако охрана лесов и перемещение плантаций могут даже увеличить подходящие площади в четыре раза и более («Nature Plants», 2017, 3, 17081, doi: 10.1038/nplants.2017.81)...

>>
01.08.2017 23:27:00

...явление квантовой запутанности продемонстрировано для фотонных пар, разделенных расстоянием 1203 км на Земле, с ретрансляцией через спутник. Результаты показывают возможность будущей глобальной сети квантовой связи («Science», 2017, 356, 6343, 1140—1144, doi: 10.1126 / science.aan3211)...

>>
06.07.2017 10:00:00

...Казанский федеральный университет принял решение прекратить сотрудничество с итальянским хирургом-трансплантологом Паоло Маккиарини, ранее уличенным в этических нарушениях и фальсификации данных («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aal1201)...

>>
31.05.2017 14:02:00

...космический аппарат «Кассини» в последний раз прошел мимо Титана, крупнейшего спутника Сатурна, и направляется в область между планетой и ее кольцами, через которую пройдет 22 раза, а затем, в сентябре 2017 года, нырнет в атмосферу Сатурна («Nature», 2017, 544, 7649, 149—150, doi:10.1038/544149a)...

>>