В курсе медицинской и биологической физики на кафедре физики и математики РНИМУ им. Н.И. Пирогова в разделе «Медицинская аппаратура» студенты знакомятся с классификацией медицинской аппаратуры; общей схемой съёма, передачи и регистрации медико-биологической информации; устройствами съёма и преобразования медико-биологической информации (электродами и датчиками); классификацией датчиков и их характеристиками. Принцип работы датчиков и их характеристики (функцию преобразования, чувствительность) студенты изучают, выполняя лабораторную работу с использованием макетов двух параметрических датчиков: тензорезисторного и индуктивного. В лабораторной работе «Изучение работы электрокардиографа» студенты знакомятся со структурной схемой электрокардиографа, записывают ЭКГ в трёх стандартных отведениях от имитатора ЭКГ; вычисляют характеристики ЭКГ (высоты зубцов; длительности интервалов, угол наклона дипольного момента «сердца»), а также снимают частотную характеристику усилителя электрокардиографа и знакомятся с возможными частотными и амплитудными искажениями сигналов в усилителях.

Для знакомства студентов с современными методами сбора, представления и обработки медико-биологической информации на кафедре физики и математики были разработаны лабораторные работы с использованием систем MacLab и LabVIEW.

В работе «Использование системы MacLab - Macintosh для автоматизации кардио-гемодинамических исследований» проводились регистрация и стандартный анализ ЭКГ, а также выполнялся спектральный анализ ЭКГ и оценивалась вариабельность R-R интервалов; определялась скорость распространения пульсовой волны при помощи методов электрокардиографии и сфигмографии. Вариабельность R-R интервалов оценивалась методом построения графиков Пуанкаре, которые выражают зависимость значений текущего R-R интервала от R-R интервала, непосредственно предшествующего ему. Из этих графиков получали гистограммы R-R интервалов и delta R-R интервалов. Анализ графиков Пуанкаре является клиническим методом для количественной оценки вариабельности ЧСС и позволяет оценить сложные воздействия различных ветвей нервной системы на сердечную активность.

Использование системы LabVIEW позволило с помощью специальных датчиков регистрировать и обрабатывать на компьютере различные физические величины: биопотенциалы, артериальное давление, температуру и др. На одном компьютере создавались любые комбинации различных электронных приборов, таких как генераторы, осциллографы, вольтметры, частотомеры и т.п. При этом существенно улучшалась визуализация полученных результатов на дисплее компьютера и была возможна регистрация полученных данных в электронном журнале. Несколько лабораторных работах с использованием компьютерной системы LabVIEW были посвящены изучению электрических методов измерения мышечных усилий; мониторированию температуры тела в различных точках термисторным датчиком; изучению метода ультразвуковой эхолокации; регистрации и анализу спектральной характеристики уха на пороге слышимости; изучению физических основ получения и обработки электрокардиограмм.

Литература

Резников И.И., Лысенко Е.П. Руководство к лабораторным работам с использованием программирования LabVIEW. М, ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н. И. Пирогова Минздрава РФ, 2018, 59 с.

In the course of medical and biological physics at the Department of Physics and Mathematics of the Russian National Research Medical University. N.I. Pirogov in the section "Medical equipment" students get acquainted with the classification of medical equipment; a general scheme for the collection, transmission and registration of medical and biological information; devices for collecting and converting biomedical information (electrodes and sensors); classification of sensors and their characteristics. The principle of operation of sensors and their characteristics (transformation function, sensitivity) are studied by students doing laboratory work using models of two parametric sensors: strain-resistive and inductive. In the laboratory work "Studying the operation of an electrocardiograph", students get acquainted with the structural diagram of an electrocardiograph; record an ECG in three standard leads from an ECG simulator; calculate the characteristics of the ECG (height of the teeth; the duration of the intervals, the angle of inclination of the dipole moment of the "heart"), and also take the frequency response of the electrocardiograph amplifier and get acquainted with the possible frequency and amplitude distortions of the signals in the amplifiers.

To acquaint students with modern methods of collecting, presenting and processing medical and biological information at the Department of Physics and Mathematics, laboratory work was developed using MacLab and LabVIEW systems.

In the work “Using the MacLab - Macintosh system for automating cardio-hemodynamic studies”, registration and standard analysis of ECG were carried out, as well as spectral analysis of the ECG was performed and the variability of R-R intervals was assessed; the speed of propagation of the pulse wave was determined using the methods of electrocardiography and sphygmography. The variability of R-R intervals was estimated by constructing Poincaré plots, which express the dependence of the values of the current R-R interval on the R-R interval immediately preceding it. From these plots, histograms of R-R intervals and delta R-R intervals were obtained. Analysis of Poincaré plots is a clinical method for quantifying heart rate variability and allows for the evaluation of the complex effects of different branches of the nervous system on cardiac activity.

The use of the LabVIEW system made it possible to register and process various physical quantities on a computer using special sensors: biopotentials, blood pressure, temperature, etc. Any combination of various electronic devices, such as generators, oscilloscopes, voltmeters, frequency meters, etc., was created on one computer. At the same time, the visualization of the results obtained on the computer display was significantly improved, and it was possible to register the obtained data in an electronic journal. Several laboratory works using the LabVIEW computer system were devoted to the study of electrical methods for measuring muscle effort; body temperature monitoring at various points with a thermistor sensor; studying the method of ultrasonic echolocation; registration and analysis of the spectral characteristics of the ear at the threshold of hearing; the study of the physical foundations of obtaining and processing electrocardiograms.

Literature

Reznikov I.I., Lysenko E.P. Guide to laboratory work using the LabVIEW program. M, FGBOU VO RNIMU them. N. I. Pirogov of the Ministry of Health of the Russian Federation, 2018, 59 p.