Функциональная диагностика

Автор: Алексей Долецкий
Опубликовано в журнале "Компьютерра" №21 от 7 июня 2005 года.

Конец XIX века — золотая эра для многих областей науки, в том числе и для электрофизиологии. К тому времени исследователям уже наскучило пропускать ток через дергающиеся лягушачьи лапки, и они решили опробовать полученные знания на ближних своих. Тогда и были открыты почти все способы исследования организма с помощью электричества, применяемые в настоящее время. Как обычно, от открытия принципиальной возможности до практического использования проходило немало времени, и все же к 30–40-м годам прошлого века сформировались основные методики электрофизиологии. К ним причисляют как знакомые всем электрокардио- и электроэнцефалографию, так и широко известные в узком кругу реографию, электроплетизмографию, вызванные потенциалы, электрокожное сопротивление, электромиографию.

О современном состоянии этих методик и роли в их дальнейшем развитии информационных технологий и будет рассказано в этой статье.

Виды диагностики

Приборы и инструменты, позволяющие заглянуть внутрь организма, условно можно разделить на две группы — средства структурной диагностики и средства функциональной диагностики. К первой относятся методы, которые изучают «как это устроено» (томография, рентгеновское исследование, УЗИ), а ко второй — «как это работает» (средства визуализации электромагнитного, теплового излучений и пр.). Разумеется, есть немало технологий, совмещающих и то и другое…

Функциональные методы характеризует более широкая направленность — они применяются не только и не столько для выявления заболевания, сколько для оценки того, как орган или система органов справляется со своими обязанностями (как правило, определяется один или несколько показателей, поэтому о «диагностике всего организма», о которой можно прочитать в следующей статье, и речи быть не может). Нередко методы, помогающие определить состояние органов, входят в комплекс оценки здоровья. Они с успехом используются в спортивной, в профилактической медицине и даже в социальной работе[Так, в США ряд фирм, нанимающих авиадиспетчеров, для оценки способности претендентов к операторской работе использует исследование когнитивных вызванных потенциалов]. Но не следует забывать, что однозначной трактовки результатов, полученных функциональными методами, нет и быть не может, поскольку каждый организм уникален и работает по-своему, одинаковой для всех нормы не существует. Приходится проводить эксперименты в разных условиях, давать организму специальные нагрузки, сравнивать результаты повторных обследований одного человека, учитывать всю совокупность факторов, которые могут повлиять на исследуемые функции.

В электроэнцефалографии принято считать, что основной ритм мозга, его «тактовая частота», обычно ускоряется при выполнении умственных упражнений. Однако в одном опыте испытуемый решал в уме сложнейшие математические задачи, а электроэнцефалограмма при этом показывала, что мозг работает «на холостом ходу». Звали «подопытного» Альберт Эйнштейн.

Автор не случайно уделяет столько внимания электрофизиологическим методам диагностики. Это направление наиболее перспективно в плане симбиоза с компьютерными технологиями: уникальное сочетание компактности, безвредности и относительной простоты (помню времена, когда энтузиасты паяли электрокардиографы «на коленке» по схеме, напечатанной в «Радиолюбителе», а сейчас и того проще — есть универсальные интегральные схемы). Плюс ко всему большой простор для применения математических методов обработки.

Причем здесь компьютеры?

И вот, наконец, мы добрались до основного раздела, ради которого все и затевалось.

Что же дало развитие вычислительной базы функциональной диагностике как этапу врачебного поиска? По большому счету — немного.

Да, приборы стали точнее, быстрее, компактнее. Появилась возможность длительной регистрации, автоматической обработки, хранения базы исследований. Благодаря совершенствованию блоков регистрации и цифровой записи сигналов разрешающая способность методик возросла по меньшей мере на порядок. Но до сих пор опытный врач-диагност не доверится ни одному компьютерному заключению, не посмотрев исходные данные. Во многих организациях, занимающих далеко не последнее место в медицине (как, например, Институт мозга или клиника Бурденко), по сей день ведется бумажная, безкомпьютерная регистрация электрических процессов, протекающих в мозге. Почему так происходит? Вот два главных камня преткновения:

  • Несовершенство средств обработки исходных данных и большое их (средств) разнообразие, с трудом поддающееся стандартизации. Проблема, как правило, обусловлена естественным желанием разработчиков сделать что-то лучше, не так, как у других. Они это честно указывают в документации или оставляют за кадром в качестве «ноу-хау». Однако и в том и в другом случае пользователю (чаще всего, естественно, врачу) технические характеристики совершенно ни о чем не говорят. «Сделали в фирме — значит, все работает как надо». А потом оказывается, что два разных прибора (или хуже того — две версии одной программы) у одного и того же человека выдают совершенно разные показатели. Кому верить? Сейчас, правда, особенно при совместной разработке новых технологий инженерами и врачами, эта проблема постепенно решается.

  • Отсутствие новых возможностей. Автор знает про вэйвлет-преобразование[Вариант многомасштабного анализа (multiresolution analysis), синтезирующего разложение сигнала по поддиапазонам (впервые появилось в задаче сжатия речи) и пирамидное представление (в задаче сжатия изображений)], теорию хаоса[Учение о сложных нелинейных динамических системах], странные аттракторы[Притягивающее множество траекторий в фазовом пространстве] и прочие умные слова. Однако в настоящее время эти и другие технологии — лишь жители научных лабораторий, где, пока неокрепшие, они могут существовать в тепличных условиях виртуальных моделей и специально подобранных групп испытуемых с малым количеством различий между группами. Есть действующие алгоритмы восстановления источника сигналов — «решения обратной задачи» ЭЭГ. С помощью подобных методик можно локализовать необычный сигнал, что, в свою очередь, позволит уточнить локализацию очага пароксизмальной активности при эпилепсии. Вместе с тем методы, широко используемые в той же ЭЭГ, качественно не изменились с 50-х годов прошлого века, со времени создания Греем Уолтером первых автоматических частотных анализаторов и интеграторов, являющихся прообразом современных компьютерных энцефалографов. Все они повышают наглядность, позволяют изменять масштаб представления выбранного параметра или акцентировать внимание на каких-то особенностях регистрируемого сигнала, увеличивают количество получаемой информации, но не дают прироста ее качества. Переход количества в качество ожидался с внедрением средств «раскопки данных» (data mining) и нейронных сетей в диагностические модули. Несколько лет назад начался бум, порожденный применением новых способов математической обработки данных, — только ленивый не писал про вэйвлет-анализ ЭКГ и возможности нейросетевых алгоритмов в выявлении артефактов[Артефактом называется сигнал внешнего (по отношению к исследуемой области) происхождения, искажающий запись] и постановке диагнозов. Учитывая немалое количество фирм-производителей диагностической аппаратуры, рынок уже должен быть завален практическими реализациями подобных инноваций. Увы…

    Исходя из вышесказанного, становится понятно и отношение врачей к автоматизированной компьютерной диагностике. Конечно, большинство современных программно-аппаратных диагностических комплексов умеют выдавать заключения. Однако указанные причины (в первую очередь, недостаточные возможности по выявлению артефактов и учету всех факторов, влияющих на регистрируемый параметр) объясняют то, что в настоящее время в клинике компьютерная диагностика — это удобная регистрация и быстрая обработка сигналов, служащая лишь дополнением, а не заменой глаз диагноста. В этом отношении показательна экспертиза эффективности ЭЭГ- и ВП-диагностики очаговых изменений мозга[Подробности, равно как и другие статьи данной тематики, — на сайте www.emedicine.com/neuro]. Эти методики показывают чувствительность около 70 и 90% соответственно, что сопоставимо с чувствительностью магнитно-резонансной томографии, только при расшифровке результатов опытным врачом-диагностом.

    Иногда результаты диагностики ошибочно называют диагнозом. Это неверно, так как диагноз ставится на основании совокупности данных, получаемых врачом при осмотре, расспросе и инструментальном исследовании пациента. Возможности одного метода, каким бы хорошим он ни был, всегда меньше возможности совокупности слагаемых.

    Неужели все плохо? Вовсе нет. Новым словом функциональной диагностики является трехмерное моделирование регистрируемой биоэлектрической активности (реконструктивная вычислительная томография, РВТ) основных биоэлектрических сигналов — ЭКГ, ЭЭГ, Рео. Регистрация проекции одного сигнала в разные участки поверхности тела позволяет «восстановить путь», по которому проходил сигнал, и препятствия, возникавшие при этом. Если используется достаточное количество датчиков (для реографии — от 24, для ЭЭГ — 64 и более), то становится возможным «послойное моделирование» — получение качественного изображения тонких срезов тела человека проходящими через него регистрируемыми сигналами — томография.

    Но все же путь этих методик до больницы еще очень долог.

    Электрофизиологические методы диагностики

    Метод вызванных потенциалов (ВП), появившийся на двадцать лет позже электроэнцефалографии, позволяет тестировать состояние центральной нервной системы, подавая с постоянными временными интервалами сигналы на ее входы. В 1950-х годах английский ученый Даусон применил технику когерентного синхронного накопления для выявления слабых сигналов мозга. До этого методика использовалась в радиолокации.

    Кардиоинтервалография (КИГ) — по результатам анализа изменений скорости и ритмичности работы сердца позволяет судить о состоянии вегетативной нервной системы.

    Реография — отражает состояние кровотока и тонус сосудов исследуемой части организма.

    Электрокардиография (ЭКГ) — регистрация биопотенциалов, возникающих в работающей сердечной мышце.

    Электроэнцефалография (ЭЭГ) — регистрация биопотенциалов головного мозга. Работа мозга сопровождается электрической активностью, которую можно записать в виде электроэнцефалограмм. ЭЭГ показывает интегральную электрическую активность всего мозга; наивно ожидать от расшифровки подобной записи, скажем, содержания мысли.

    Электромиография (ЭМГ) позволяет исследовать состояние различных звеньев нервно-мышечной системы (мышц, периферических нервов, отвечающих за двигательную активность отделов спинного и головного мозга) и определить, не нарушена ли в них передача электрических импульсов (своего рода тестер для электрических цепей организма).

    Электроплетизмография — метод оценки содержания жидкости в тканях. Примечателен тем, что, будучи хорошо изученным в СССР 60-х годов, потом был признан «неперспективным» и забыт. Лет десять назад его оценили в США, и теперь плетизмографы широко используются как современный и уникальный способ определения, в частности, отека легких.


  • <<Доказательная медицина против недоказанной эффективности
    Все материалы номера
    Псевдодиагностика >>