МПКС для термографии

В настоящее  время одним из направлений информатизации медицины является компьютеризация  медицинской аппаратуры. Использование  компьютера в сочетании с измерительной  и управляющей техникой в медицинской  практике позволило создать новые  эффективные средства для обеспечения  автоматизированного сбора информации о состоянии больного, ее обработки  в реальном масштабе времени и  управление ее состоянием. Этот процесс  привел к созданию МПКС, которые  подняли на новый качественный уровень  инструментальные методы исследования и интенсивную терапию. МПКС относятся  к медицинским информационным системам базового уровня. Основное отличие  систем этого класса – работа в  условиях непосредственного контакта с объектом исследования и в реальном режиме времени. Они представляют собой  сложные программно-аппаратные комплексы. Для работы МПКС помимо вычислительной техники, необходимы специальные медицинские  приборы, оборудование, телетехника, средства связи.

Типичными представителями МПКС являются медицинские  системы мониторинга за состоянием больных, например, при проведении сложных  операций; системы компьютерного  анализа данных томографии, ультразвуковой диагностики, радиографии; системы  автоматизированного анализа данных микробиологических и вирусологических исследований, анализа клеток и тканей человека.

В МПКС можно выделить три основные составляющие: медицинское, аппаратное и программное  обеспечение.

Применительно к МПКС медицинское обеспечение  включает в себя способы реализации выбранного круга медицинских задач, решаемых в соответствии с возможностями  аппаратной и программной частей системы. К медицинскому обеспечению  относятся наборы используемых методик, измеряемых физиологических параметров и методов их измерения, определение  способов и допустимых границ воздействия  системы на пациента.

Под аппаратным обеспечением понимают способы реализации технической части системы, включающей средства получения медико-биологической  информации, средства осуществления  лечебных воздействий и средства вычислительной техники.

К программному обеспечению относят математические методы обработки медико-биологической  информации, алгоритмы и собственно программы, реализующие функционирование всей системы.

Медицинская диагностика

Разработка  и внедрение информационных систем в области медицинских технологий является достаточно актуальной задачей. Анализ применения персональных ЭВМ  в медицинских учреждениях показывает, что компьютеры в основном используются для обработки текстовой документации, хранения и обработки баз данных, статистики. Часть ЭВМ используется совместно с различными диагностическими и лечебными приборами. В большинстве  этих областей использования ЭВМ  применяют стандартное программное  обеспечение – текстовые редакторы, СУБД и др.

Поэтому создание информационной организационно-технической  системы, способной своевременно и  достоверно установить диагноз больного и выбрать эффективную тактику  лечения, является актуальной задачей  информатизации.

Задачу  диагностики в области медицины можно поставить как нахождение зависимости между симптомами (входными данными) и диагнозом (выходными  данными). Для реализации эффективной  организационно-технической системы  диагностики необходимо использовать методы искусственного интеллекта. Целесообразность такого подхода подтверждает анализ данных, используемых при медицинской  диагностике, который показывает, что  они обладают целым рядом особенностей, таких как качественный характер информации, наличие пропусков данных; большое число переменных при  относительно небольшом числе наблюдений. Кроме того, значительная сложность  объекта наблюдения (заболеваний) нередко  не позволяет построить даже вербальное описание врачом процедуры диагноза. Интерпретация медицинских данных, полученных в результате диагностики  и лечения, становиться одним  из серьезных направлений нейронных  сетей. При этом существует проблема их корректной интерпретации. Широкий  круг задач, решаемых с помощью нейросетей, не позволяет пока создать универсальные  мощные сети, вынуждая разрабатывать  специализированные нейронные сети, функционирующие по различным алгоритмам. Основными преимуществами нейронных  сетей для решения сложных  задач медицинской диагностики  являются: отсутствие необходимости  задания в явной форме математической модели и проверки справедливости серьезных  допущений для использования  статистических методов; инвариантность метода синтеза от размерности пространства, признаков и размеров нейронных  сетей и др.

Однако  использование нейронных сетей  для задач медицинской диагностики  связано также с рядом серьезных  трудностей. К ним следует отнести  необходимость относительно большого объема выборки для настройки  сети, ориентированность математического  аппарата на количественные переменные.

Системы для проведения мониторинга

Задача  оперативной оценки состояния пациента возникает в ряде весьма важных практических направлений в медицине и в  первую очередь при непрерывном  наблюдении за больным в палатах  интенсивной терапии, операционных и послеоперационных отделениях. В этом случае требуется на основании  длительного и непрерывного анализа  большого объема данных, характеризующих  состояние физиологических систем организма обеспечить не только оперативную  диагностику осложнений при лечении, но и прогнозирование состояние  пациента, а также определить оптимальную  коррекцию возникающих нарушений. Для решения этой задачи предназначены  мониторные МПКС.

К числу  наиболее часто используемых при  мониторинге параметров относятся: электрокардиограмма, давление крови  в различных точках, частота дыхания, температурная кривая, содержание газов  крови, минутный объем кровообращения, содержание газов в выдыхаемом воздухе.

Аппаратное  обеспечение мониторных систем и  аналогичных систем для функциональной диагностики принципиально практически  не отличается. Важной особенностью мониторных систем является наличие средств  экспресс-анализа и визуализации их результатов в режиме реального  времени. Это позволяет отображать на экране монитора также динамику различных производных от контролируемых величин. Все это осуществляется в различных временных масштабах. Причем чем выше качество системы, тем  больше возможностей наблюдения динамики контролируемых и связанных с  ними показателей она предоставляет. Чаще всего мониторные системы используются для одновременного слежения за состоянием от одного до 6 больных, причем у каждого  из них может изучаться до 16 основных физиологических параметров.

Системы управления лечебным процессом

К системам управления процессами лечения и  реабилитации относятся автоматизированные системы интенсивной терапии, биологической  обратной связи, а также протезы  и искусственные органы, создаваемые  на основе микропроцессорной технологии.

 В  системах управления лечебным  процессом на первое место  выходят задачи точного дозирования  количественных параметров работы, стабильного удержания их заданных  значений в условиях изменчивости  физиологических характеристик  организма пациента.

Под автоматизированными  системами интенсивной терапии  понимают системы, предназначенные  для управления состоянием организма  в лечебных целях, а также для  его нормализации, восстановления естественных функций органов и физиологических  систем больного человека, поддержания  их в пределах нормы. По реализуемой  в них структурной конфигурации системы интенсивной терапии  разделяют на два класса – системы  программного управления и замкнутые  управляющие системы.

К системам программного управления относятся  системы для осуществления лечебных воздействий. Например, различная физиотерапевтическая аппаратура, оснащенная средствами вычислительной техники, устройства для вливаний лекарственных  препаратов, аппаратура для искусственной  вентиляции легких и ингаляционного наркоза, аппараты искусственного кровообращения и т. д.

Замкнутые системы интенсивной терапии  структурно являются более сложными МПКС, так как они объединяют в  себе задачи мониторинга, оценки состояния  больного и выработки управляющих  лечебных воздействий. Поэтому на практике замкнутые системы интенсивной  терапии создаются только для  очень частных, строго фиксированных  задач.

Системы биологической обратной связи предназначены  для предоставления пациенту текущей  информации о функционировании его  внутренних органов и систем, что  позволяет путем сознательного  волевого воздействия пациента достигать  терапевтического эффекта при определенном виде патологий.  

Термография

Термография в медицине (греч. thermē теплота, жар + graphō писать, изображать; синоним  тепловидение) — метод регистрации  инфракрасного излучения тела человека в целях диагностики различных  заболеваний.

В норме  каждая область поверхности человеческого  тела имеет характерную термографическую картину. Так, в области головы и  шеи у здорового человека выделяются зоны более высокой температуры  над крупными кровеносными сосудами (например, в надключичной области), в околоротовой области, в области  лба и глазниц; температура на поверхности век, кончика носа, ушной  раковины, глазных яблок, над бровями  и волосистой частью головы ниже; температура  верхних отделов молочных желез  у женщин выше, чем нижних; температура  ареолы (околососкового кружка) и нижних отделов молочных желез более  постоянна, чем верхних. Изменение  в нормальном распределении температур является признаком патологического  процесса. Увеличение интенсивности  инфракрасного излучения над  патологическими очагами связано  с усилением в них кровоснабжения и метаболических процессов, уменьшение его интенсивности наблюдается  в области с уменьшенным регионарным  кровотоком и сопутствующими изменениями  в тканях и органах.

Термография, являясь безвредным неинвазивным методом, применяется для выявления опухолей молочных, слюнных и щитовидных желез, а также для дифференциальной диагностики доброкачественных  и злокачественных новообразований (особенно велика роль Т. в выявлении  непальпируемых опухолей, в частности  рака in situ). Т. используют при обнаружении  закрытых переломов, ушибов, для определения  активности артритов, бурситов, границ ожоговых поражений и отморожений, при диагностике острого аппендицита, панкреатита, холецистита и др. С  помощью Т. можно оценивать степень  нарушения мозгового кровообращения; она позволяет диагностировать  окклюзионные поражения, в частности  общей и внутренней сонных артерий. Диагностическая ценность метода установлена  при различных заболеваниях женской  половой сферы, в акушерстве (диагностика  беременности), стоматологии, офтальмологии, дерматологии и др. Ее используют для  оценки результатов микрохирургических операций, протезирования и шунтирования крупных артерий при реконструктивных операциях на крупных сосудах  и сосудах сердца, при пересадке  почек, а также для контроля за эффективностью некоторых видов  консервативного лечения.

Противопоказаний  к Т. не существует, исследование можно  повторять многократно.

Термографию проводят бесконтактным и контактным способами.

Бесконтактное исследование может быть выполнено  как термоскопия (визуализация теплового  поля тела или его части на экране тепловизора), термометрия (измерение  температуры поверхности тела с  помощью градуированной или цветовой шкалы и эталонного излучателя) и  термография (регистрация теплового  поля на фотопленке или электрохимической  бумаге в виде монохроматической  или цветной термограммы). Для  проведения бесконтактной Т. используют специальные приборы — тепловизоры  или термографы, воспринимающие и  регистрирующие тепловое излучение  тела в инфракрасной области спектра. При уменьшении температуры каких-либо участков тела изменяется величина потока излучения. Это изменение преобразуется  термографом в электрический  сигнал, который усиливается и  воспроизводится на экране в виде черно-белого или цветного изображения  — термограммы. Контактную (жидкокристаллическую) Т. проводят с помощью жидких кристаллов, обладающих оптической анизотропией и  изменяющих цвет в зависимости от температуры (см. Термометрия). Контакт  термограммы получают путем прикладывания  к поверхности тела исследуемой  области пленки или паст с жидкокристаллическим соединением (рис. 1).

Подготовка  к Т. предусматривает исключение в течение 10 дней перед исследованием  приема гормональных препаратов, лекарственных  средств, влияющих на тонус сосудов, а также наложения любых мазей  на исследуемую область тела. Т. органов  брюшной полости производят натощак. Исследование молочных желез выполняют  на 8—10-й день менструального цикла.

Исследование  осуществляют в специальных кабинетах, где поддерживают постоянную температуру (+22,5±1°) и влажность (60±5%) воздуха. Обязательна  адаптация исследуемого к температуре  окружающей среды, для чего пациента за 15—20 мин до исследования следует  раздеть. Т. проводят в разных проекциях  и при разных положениях тела пациента (стоя, лежа).

Анализ  данных Т. включает их качественную (распределение  «горячих» и «холодных» участков) и количественную (с определением показателей разности температур исследуемого участка по сравнению с симметричной зоной тела, окружающими тканями, условно выбранной областью) оценку, а также обработку изображения  с помощью ЭВМ. Наличие патологического  процесса может проявляться одним  из трех термографических признаков: появлением аномальных зон гипертермии или  гипотермии, нарушением нормальной термотопографии  сосудистого рисунка, а также  изменением градиента температуры  в исследуемой зоне. Так, воспалительные процессы обусловливают изменение  величин градиента температур между  зоной поражения и окружающими  тканями, составляющее при хроническом  воспалительном процесс 0,7—1°, при остром — до 1—1,5°, при гнойно-деструктивном  — 1,5—2°. Помимо изменения градиентов температур на термограммах при воспалительных процессах регистрируется зона гипертермии, по форме, размерам и расположению соответствующая  области наиболее выраженных патологических изменений. Чаще эта зона имеет неоднородную структуру, умеренную или высокую  интенсивность свечения. Важным критерием  отсутствия патологии в молочных железах являются одинаковая степень  выраженности и симметричность термографических показателей; рак молочной железы сопровождается появлением аномальных участков гипертермии. При злокачественных опухолях и  метастазах в кости и мягкие ткани  зона гипертермии на термограммах имеет  интенсивное свечение, округлую или  неправильную форму, резкие контуры, однородную структуру (рис. 2). Отмечается асимметричная  гиперваскуляризация области патологического  очага с наличием расширенных  и беспорядочно расположенных сосудов. Градиент температур зоны гипертермии  и симметричной области превышает 2—2,5°, градиент температур по отношению  к окружающим тканям превышает 2°.