Научные приоритеты. Секреты медицинской электроники

Бурный рост мировой экономики не оставил в стороне и такую ее составляющую, как медицинская техника и, прежде всего, электронная медицинская техника. Рынок средств медицинской техники оценивается специалистами как один из самых значительных в мире. Прогресс в области высоких технологий делает эту технику более умной, компактной, интеллектуальной и во многих случаях более доступной потребителям: медицинским учреждениям, врачам и просто гражданам.

Сама природа живых организмов обусловила применение электронных технических средств для диагностики состояния и для дозированных электрических и электромагнитных воздействий с целью достижения лечебного эффекта.

Чтобы получить представление об изменениях в биомедицинской технике за последние 25-30 лет, можно обратиться к замечательным книгам популяризатора науки З. Катоны "Техника лечит" (М. Мир, 1980) и "Электроника в медицине" (М. "Сов. радио, 1980"). В них приводятся сведения о достижениях в рассматриваемой области к началу 80-х годов прошлого столетия. И теперь после знакомства с данными книгами для сравнения желательно отправиться на выставку современной медицинской техники или, по крайней мере, в современную клинику. Здесь тоже можно увидеть отдельные приборы как для диагностики, так и для терапии (хирургии), аналогия тех, что применялись в медицине 30 лет назад.

Но вас заинтригуют системы и комплексы для многофункциональных исследований, многофункциональные системы для терапии и хирургии. В них в полной мере используются достижения самых различных областей науки и техники: физики, химии, математики, вычислительной техники, радиотехники и электроники. Взять хотя бы такую известную область медицинской диагностики, как электрокардиография. От изобретенного В.Эйнтховеном в 1903г. (Нобелевская премия 1924г.) современный электрокардиограф мало чем отличается по исходным принципам регистрации электрокардиосигналов, снимаемых с поверхности организма. Но зато в обработке сигналов, фильтрации от помех, в конструктивном исполнении, особенно в цифровых моделях, контраст очень заметен.

А если взять мониторные системы, которые предназначены для длительного наблюдения за характером сердечной деятельности, то в них, как правило, собственно ЭКГ интегрируется со средствами для измерения и слежения за самыми различными диагностическими показателями организма: давление крови, пульс, степень насыщения крови кислородом и др. Такие мониторные системы позволяют распознавать аритмии сердечной деятельности, обеспечивать вывод на экран до 10, а иногда и более кривых в реальном масштабе времени, осуществлять тревожную сигнализацию и др. Их габариты, масса и даже внутренняя начинка как у современного ноутбука (карманного компьютера), что позволяет, если нужно, транспортировать монитор вместе с больным.

Но чтобы добиться таких возможностей, необходимо преобразовать физиологические показатели организма в электрические сигналы. На помощь приходят самые различные методы преобразования и измерения физических величин. Например, содержание кислорода в крови оценивается фотометрией в красном и инфракрасном свете с учетом пульсового характера кровотока. Это метод пульсовой оксиметрии, абсолютно безопасный, неинвазивный - не требующий проникновения внутрь организма. Примерно так же оценивается содержание углекислого газа во выдыхаемом воздухе. По капнограмме, в свою очередь, находят ряд важных показателей организма, и, если требуется, в вдыхаемую смесь добавляют кислород. В современных системах это делается автоматически. Интегрирование мониторных систем с системами жизнеобеспечения (например, аппараты искусственной вентиляции легких, искусственного кровообращения и др.) позволяет поддерживать жизненно важные функции организма в оптимальном состоянии в критических ситуациях, во время операции. К слову сказать, степень наркоза объективно может быть проконтролирована также с помощью инструментальных средств, основанных на регистрации отклика организма на электрическое воздействие. Отсутствие вызванных потенциалов в мышцах пальцев руки говорит о достаточной глубине наркоза. Такой нейромышечный мониторинг незаменим во время длительных операций.

Другой вид исследований электрических потенциалов человека ЭЭГ также претерпел серьезные изменения за последние годы. В прошлое ушли громоздкие дорогостоящие электроэнцефалографы. Стандартом стало применение компьютеризированных систем, в которых проводится цифровая фильтрация, спектральный анализ сигналов на основе алгоритмов быстрого преобразования Фурье, находятся корреляционные функции сигналов, строятся распределения потенциалов на поверхности головы, в автоматическом режиме делается заключение.

Нельзя не упомянуть о системах, позволяющих визуализировать внутреннее строение органов и тканей человека. В первую очередь о томографах. В 1979г. Нобелевская премия была присуждена Мак-Кормаку и Хаунсфилду за разработку рентгеновского компьютерного томографа, позволяющего получить изображение исследуемого слоя объекта без теней (характерных для обычного рентгеновского изображения) на основе ряда проекций этого слоя. Несмотря на постоянное совершенствование таких томографов, включая спиральную томографию (1989), им свойственны недостатки, связанные с использованием рентгеновского излучения. Но опять же цифровые методы обработки рентгеновских изображений позволяют значительно снизить дозу облучения пациента.

В 1946г. Ф.Блохом и Р.Парселом было независимо друг от друга открыто явление ядерного магнитного резонанса (Нобелевская премия 1956г.), которое нашло применение с начала 80-х годов в магнитно-резонансной томографии. Если на получение первых МРТ-изображений требовались часы, затем минуты, то современные томографы работают в реальном масштабе времени, что позволяет наблюдать в режиме синхронизации движущиеся части тела человека (работу сердца, сосуды). Поскольку в таких томографах используется только постоянное магнитное поле и электромагнитное поле радиочастотного диапазона (десятки МГц), то они всеми признаются как безопасные для человека.

К безопасным методам исследований относятся методы ультразвуковой диагностики, которые благодаря компьютерным системам позволяют получать двумерные, а в некоторых случаях трехмерные изображения большого числа органов и тканей человека достаточно высокой четкости. Доплеровские методы и цветное картирование увеличивают информативность ультразвуковых исследований, которые в настоящее время являются практически общедоступными.

Только перечисление технических методов и средств медицинской диагностики, имеющихся в арсенале врача, займет не одну страницу. То же самое обстоит с техникой для лечения и замещения функций организма.

"Инженерное дело в медико-биологической практике" - одна из немногих специальностей, отвечающих за подготовку специалистов медико-технического профиля, включена в стандарты высшего профессионального образования в начале 90-х гг. прошлого века. Появление такой специальности было обусловлено двумя факторами: первый - объективный: все более возрастающий уровень сложности биомедицинской техники; второй - субъективный: спад в отечественной промышленности заставил многие вузы искать сферы деятельности в новых для себя областях.

Особенность подготовки специалистов медико-технического профиля заключается в том, что в конечном счете объектами их деятельности являются системы, непосредственно связанные с биологическими объектами, прежде всего с человеческим организмом. Эти системы получили название биотехнических систем (БТС). Разработка, эксплуатация и техническое обслуживание БТС медицинского назначения требуют знаний не только в области технических систем, и прежде всего радиоэлектронных систем, но и определенных знаний медико-биологического характера. Это, в частности, учитывается при подготовке студентов специальности "Радиотехника" со специализацией "Медицинская электроника".

И тех, кто мечтает по-настоящему углубиться в медико-техническую проблематику, ожидает по-настоящему интересное и увлекательное разгадывание ее секретов.