Глава 1. Введение в метрологию

Метрологией называют науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В главе наряду с общими вопросами метрологии рассматриваются особенности измерений в биологии и медицине.

1.1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ

Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем с помощью технических средств. Измерения позволяют установить закономерности природы и являются элементом познания окружающею 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, определение вязкости жидкости по скорости падения в ней шарика). Технические средства для производства измерений (средства измерений) могут быть разных типов. Наиболее известным читателю средством измерений является измерительный прибор, в котором измерительная информация представляется в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (например, температура представлена в термометре длиной столбика ртути, сила тока - показанием стрелки амперметра или цифровым значением).

К средствам измерений относят также меру, которая предназначена для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гиря определенной массы).

Одно из распространенных средств измерений - измерительный преобразователь (датчик).

Он предназначен для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, об-

работки и (или) хранения (например, температура может быть представлена электрическим сигналом, см. 15.6).

Значение физической величины, полученное при измерении, отличается от истинного. Степень приближения результатов измерения к истинному значению измеряемой величины характеризуется точностью измерений. Точность измерений является качественным показателем измерений.

Количественная оценка результата измерений дается не его точностью, а погрешностью - отклонением результатов измерений от истинного значения измеряемой величины. Чем меньше погрешность, тем выше точность измерений.

Погрешности объясняются несовершенством средства измерений, неопытностью персонала, влиянием посторонних факторов и др. Из этих причин можно выделить те, которые проявляются нерегулярно и при повторных измерениях оказывают иное количественное воздействие на результат. Такие факторы приводят к случайным погрешностям. Это случайные величины, поэтому их можно обработать, проанализировать и таким образом учесть, используя соответствующий математический аппарат: теорию вероятностей и математическую статистику (см. гл. 2 и 3).

Сведения по теории погрешностей, необходимые студентам-медикам, приведены в [1].

Одним из основных метрологических понятий являются единицы физических величин. Единицей физической величины называют физическую величину, принятую по соглашению в качестве основы для количественной оценки соответствующей физической величины.

Единицы физических величин в основном группируются в системы единиц. Основной является Международная система единиц (СИ). Справочный материал по единицам физических величин приведен в [2]. Не останавливаясь на этих вопросах, рассмотрим лишь относительные и логарифмические величины.

В измерительной практике достаточно широкое распространение получили относительные величины, которые являются отношением физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную. В качестве примера можно указать концентрацию раствора, относительные диэлектрическую и магнитную проницаемости, коэффициент полезного действия, относительную деформацию, коэффициент трения, вязкость крови относительно вязкости воды и т.д.

Относительная величина не имеет размерности и названия. Однако в ряде случаев относительную величину традиционно выражают со сто-

кратным или тысячекратным увеличением. При этом она уже будет иметь единицу, соответственно процент (%) или промилле (?).

Для выражения уровня звукового давления, уровня интенсивности звука, уровня усиления электрического сигнала, выражения частотного интервала и т.п. удобнее использовать логарифм относительной величины (наиболее распространен десятичный логарифм):

где а₁ и а₂ - одноименные физические величины.

Единицей логарифмической величины является бел (Б):

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 единица - децибел (дБ):

1 дБ = 0,1 Б.

1.2. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Измерения проводятся с использованием технических средств. Результаты измерений должны соответствовать определенной точности и быть одинаковыми, если измеряются идентичные величины независимо от того, производятся ли измерения одномоментно или в разное время, в одной лаборатории или в разных.

Для выполнения этих условий должно осуществляться соответствующее метрологическое обеспечение - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Организационной основой метрологического обеспечения в нашей стране является метрологическая служба России, состоящая из государственных и ведомственных метрологических служб.

Под единством измерений понимают одинаковость результатов тождественных измерений независимо от места и времени их проведения, а также достоверность измерений. Единство измерений позволяет сопо-

ставлять результаты, полученные на различных однотипных средствах измерений.

Для определения погрешностей средств измерений и установления их пригодности к применению осуществляют их поверку. Этот термин специфичен для метрологии, хотя в обиходе он соответствует понятию проверка. Поверка проводится органами метрологической службы при помощи эталонов и образцовых средств измерений.

Эталоном называют средства измерений или комплекс средств измерений, обеспечивающие воспроизведение и хранение узаконенной единицы физической величины. Первичные эталоны в нашей стране обеспечивают наивысшую точность воспроизведения данной единицы. Кроме первичного есть вторичные эталоны, от которых передается размер единицы образцовым средствам измерения. В качестве примера на рис. 27.13 показан световой эталон.

Образцовым средством измерения называется такое, которое аттестовано (аттестация - документальное подтверждение соответствия средства измерений своему назначению) в качестве образцового и применяется для поверки по нему рабочих средств измерений.

Рабочими средствами измерений называют такие, которые применяются для практических измерений в различных областях.

Таким образом, метрологическая цепочка, по которой передается размер единицы физической величины, состоит из следующих основных звеньев: эталоны-образцовые средства измерений-рабочее средство измерений.

1.3. МЕДИЦИНСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ. СПЕЦИФИКА МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ

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 це-

лях определенный состав различных субстанций (аппарат УВЧ-терапии, электрохирургии, искусственной почки, кохлеарный протез и др.).

Метрологические требования к медицинским приборам как к измерительным устройствам достаточно очевидны. Многие медицинские аппараты призваны оказывать дозирующее энергетическое воздействие на организм, поэтому они также включены в сферу внимания метрологической службы.

Измерения в медицине (медицинские или медико-биологические измерения), а также соответствующие средства измерений достаточно специфичны. Эта особенность побуждает выделить в метрологии отдельное направление - медицинскую метрологию.

Рассмотрим некоторые проблемы, характерные для медицинской метрологии и частично для медицинского приборостроения.

1. 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).

2. Желательно, чтобы время измерения, вплоть до получения конечного результата, было как можно меньше, а информация как можно полнее. Этим противоречивым требованиям удовлетворяют измерительные комплексы, включающие вычислительные машины.

3. При метрологическом нормировании создаваемого медицинского прибора важно учитывать медицинские показания. Врач должен определить, с какой точностью достаточно представить результаты, чтобы можно было сделать диагностический вывод. При этом должны быть учтены возможные отклонения этих показаний у отдельных больных.

4. Многие медицинские приборы выдают информацию на регистрирующем устройстве (например, электрокардиограф), поэтому следует учитывать погрешности, характерные для этой формы записи (см. 21.5).

5. Одна из проблем - терминологическая. Согласно требованиям метрологии, в названии измерительного прибора должна быть указана физическая величина или единица (амперметр, вольтметр, частотомер и др.). Название для медицинских приборов не отвечает этому принципу (электрокардиограф, фонокардиограф, реограф и др.). Так, электрокардиограф следовало бы назвать милливольтметром с регистрацией показаний (или регистрирующим милливольтметром).

6. В ряде медицинских измерений может быть недостаточная информация о связи между непосредственно измеряемой физической величи-

ной и соответствующими медико-биологическими параметрами. Так, например, при клиническом (бескровном) методе измерения давления крови (см. 11.4) допускается, что давление воздуха внутри манжеты приблизительно равно давлению крови в плечевой артерии. На самом деле эта связь не слишком простая и зависит от ряда факторов, в том числе и от степени расслабления мускулатуры. Лабораторные измерения (in vitro) могут отличаться от значений соответствующего параметра в условиях организма (in vivo).

7. В процессе измерения медико-биологические параметры могут изменяться. В практике физико-технических измерений стремятся сделать несколько отсчетов для исключения (учета) случайных погрешностей; это целесообразно в тех случаях, когда есть уверенность в неизменности физического параметра в процессе измерения. Параметры биологической системы могут значительно измениться при длительных измерениях, например вследствие психофизиологических факторов (воздействие окружающей обстановки: помещение, измерительный прибор, персонал и др.) или усталости мышц при многократных измерениях на динамометре. Подвижность органов или самого объекта также может приводить к разным результатам измерений.

Естественно, что при создании медицинской аппаратуры должны быть учтены и иные требования (санитарно-гигиенические, вопросы безопасности, надежности и др.); некоторые из них рассматриваются дальше.

1.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ

Большинство измерений в медицине является измерениями физических или физико-химических величин.

В количественной диагностике - давление крови, временная зависимость биопотенциалов, оптическая сила глаза и др. В лабораторных анализах - вязкость крови, концентрация сахара в моче и др. При лечении важно знать дозу ионизирующего излучения, силу тока при гальванизации, интенсивность ультразвука и т.д.; отсутствие какой-либо информации подобного рода может не только снизить лечебный эффект, но и оказать вред. Количественная оценка параметров среды, окружающей человека (влажность воздуха, температура, атмосферное давление), является необходимым условием профилактики заболеваний, климатического лечения.

Всевозможные физические медико-биологические измерения могут быть классифицированы либо по функциональному признаку, либо по принадлежности к соответствующему разделу физики. Физическая классификация более близка структуре данного курса, поэтому она и приведена ниже.

Механические измерения: антропометрические параметры тела, перемещение, скорость и ускорение частей тела, крови, воздуха, акустические измерения, давление крови и жидкостей в организме и воздуха в окружающей среде, измерение вибраций и др.

Теплофизические измерения: температура органов, частей тела и окружающей среды, калориметрические измерения биологических объектов, продуктов питания и др.

Электрические и магнитные измерения: биопотенциалы, индукция магнитного поля сердца, измерение импеданса биологических объектов с диагностической целью, параметров электромагнитных полей и концентрации ионов с гигиенической целью и др.

Оптические измерения: колориметрические измерения, измерения оптических характеристик глазных сред с диагностической целью, спектральные измерения для диагностики и судебно-медицинского назначения, измерение характеристик ультрафиолетового, инфракрасного и видимого света для гигиенических целей и др.

Атомные и ядерные измерения: измерение ионизирующих излучений (дозиметрия) и др.

Кроме того, можно указать и физико-химические измерения: количественное определение состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, газовый состав крови, рН крови и других биологических сред.

Функциональный принцип классификации методов медико-биологических измерений проиллюстрируем на измерении параметров сердечно-сосудистой системы. Здесь встречаются механические (балли-стокардиография, фонокардиография, измерение давления крови), электрические и магнитные (электрокардиография, магнитокардиогра-фия), оптические измерения (оксигеометрия). Возможно применение и других физических методов; так, например, методом ядерного магнитного резонанса определяют скорость кровотока и многие другие.