Группы операций и преобразований лабораторного исследования

Наиболее интересными и разнообразными являются описания ана­литических этапов исследования, так как именно на этом этапе приме­няются различные методы изучения биопроб. Рассмотрение аналитиче­ского этапа любого лабораторного исследования показывает, что в нем всегда можно выделить два основных подэтапа, каждый из которых отражает специфические преобразования с различными по физической природе носителями информации.

Первый из них связан с преобразованиями материальных объек­тов — исходного вещества пробы — в конечный продукт — вещест­во, с которым непосредственно взаимодействует измерительный пре­образователь (вобщем случае их может быть несколько). Определим его как пробоподготовительный этап — ППЭ.

Второй (назовем его измерительным этапом — ИЭ, хотя не для всех видов анализа обязательно присутствие измерения как такового) связан с преобразованиями электрических сигналов ИП до получения оценки результата анализа. Этапы связаны друг с другом через опера­цию преобразования вида носителя информации, которая осуществля­ется с помощью измерительных преобразователей.

Как уже отмечалось, задача ППЭ состоит в том, чтобы приспосо­бить биопробу к процессу измерения с учетом соблюдения рассмот­ренных ранее (см. подгл. 2.6) принципов адекватности исследования.

На аналитическом этапе при осуществлении ППЭ выполняются операции групп 3–5 (см. табл. 3.1). Отмеривание реагентов или веще­ства пробы (группа 3) обычно производится по объему, массе, задан­ному значению pH, оптической плотности и т. п. и чаще всего сводит­ся к дозированию жидкостей или твердых реагентов.

Особый интерес для рассмотрения представляют операции, отнесен­ные к группам 4 и 5. Поскольку одной из задач ППЭ является выделение (концентрирование) из отдельных фракций и компонентов вида для дальнейшего анализа, то чаще всего это достигается посредст­вом одного из препаративных методов, рассмотренных в подгл. 2.3.

Простейшие операции, использующие физико-механические прин­ципы фракционирования и разделения вещества, не приводят к изме­нению его агрегатного состояния или биохимических свойств и отно­сятся к группе 4. Сюда же можно включить перемешивание, разбавле­ние, встряхивание и т.п., а также довольно распространенную опера­цию промывки образцов или частиц в воде (или буферном растворе) для отделения их от избыточных компонентов реакции.

К группе 5 отнесены операции, направленно воздействующие на вещество (под воздействием на вещество будем понимать такие опера­ции, которые приводят к значимому (фиксируемому) изменению его свойств), при которых оно претерпевает физико-химическую, биохи­мическую или биологическую трансформации. В свою очередь, эта группа может быть разделена на соответствующие подгруппы, пред­ставленные в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Операции направленного изменения или трансформации биопроб (группа 5)

К физико-химической подгруппе можно отнести также более слож­ные — комплексные — последовательности операций, осуществляемые для фракционирования и концентрирования пробы: выпаривание, пере­гонку, экстрагирование, а также разделение посредством препаративных методов (хроматографии и электрофореза) — в том случае, если они проводятся в целях ППЭ. Технические средства, используемые для про­ведения перечисленных операций и воздействий, часто по своей слож­ности не уступают аналитической измерительной аппаратуре.

Операции группы 6 (см. табл. 3.1) — приведение первичного пре­образователя в контакт с КП_ИВ — обычно заключаются в погружении ИП в исследуемую жидкость или в заполнении ею некоторой так на­зываемой реакционной емкости (кюветы, пробирки), которая затем по­мещается в ИП. Для спектральных методов эта процедура сводится к совмещению аналитической спектральной линии с приемной частью фотоэлектрического преобразователя. При микроскопических исследо­ваниях помещение КП_ИВ (например, мазка крови на предметном стек­ле) в поле оптического микроскопа также можно отнести к данной группе. В этом случае в качестве ИП выступает зрительный анализа­тор человека либо техническое средство — фотоэлектрический преоб­разователь (например, передающая телевизионная трубка).

С момента взаимодействия ИП с КП_ИВ начинается измерительный этап исследования. В составе ИП необходимо различать первичный и вторичные измерительные преобразователи. Первичный ИП, непосред­ственно взаимодействующий с КП_ИВ, фактически представляет собой устройство для отбора от объекта исследования некоторой формы энергии, которая содержит информацию о характеристиках пробы, — механической, тепловой, электрической, магнитной и т. п. (группа 6) Физическое поле, посредством которого осуществляется взаимодействие первич­ного ИП с исследуемым веществом, определяется как порождающее поле, именно это поле определяет аналитический сигнал, который содержит информацию об исследуемых параметрах биопробы. В ИП осуществляется преобразование различных видов таких полей (анали­тических сигналов) в первичные электрические сигналы , что связано с затратами энергии порождающего поля. При этом следует принять во внимание следующие обстоятельства:

1) порождающие поля поступают от объекта исследования и, сле­довательно, исходным носителем информации является сам объект, а порождающие поля служат лишь переносчиком информации до изме­рительного преобразователя;

2) параметры порождающего поля содержат не только интере­сующую исследователя релевантную информацию, но и помехи, уровень которых зависит от степени подготовленности объекта к эксперименту,

3) параметры порождающего поля преобразуются в ИП в электри­ческий сигнал, и, следовательно, после этого он становится носите­лем информации;

4) алгоритм обработки электрического сигнала должен быть при­способлен цменно к тому из его параметров, который содержит ре­левантную информацию.

Вторичные преобразователи осуществляют модификации физиче­ской формы аналитических сигналов в соответствии с принципом дей­ствия всего преобразователя. Некоторые типы ИП могут вклю­чать длинные цепочки модификаций до момента, пока не будет полу­чен сигнал в электрической форме. Каждая модификация приводит к дополнительным погрешностям, анализ которых представ­ляет значительные трудности для разработчика.

Как уже отмечалось ранее в ряде случаев исследование КП_ИВ сводится к выявлению его свойств по реакции на определенные энергетические зондирующие воздействия в процессе взаимодействия с первичным ИП (методические воздействия). Эти вопросы подробно рассмотрены в технической литературе по измерительным преобразо­вателям.

Процессом формирования электрических сигналов как эквивален­тов некоторых аналитических сигналов не заканчивается процедура получения диагностической информации. Необходима их первичная обработка сигналов с тем, чтобы содержащаяся в них информация ста­ла доступной для исследователя при ее предъявлении на устройствах отображения. Такая обработка осуществляется в специальных элек­тронных блоках, совокупность и последовательность включения кото­рых определяет структуру технических средств обработки сигналов. Эти операции (группа 7, табл. 3.1) аналитического этапа можно разде­лить на два типа — линейные и нелинейные. К линейным операциям с сигналами относятся такие их преобразования, как усиление, сложе­ние, интегрирование и др. К нелинейным преобразованиям можно от­нести деление, логарифмирование, различные функциональные преоб­разования и др.

На заключительном этапе лабораторного анализа (постаналитиче­ский этап) используются операции по дальнейшей обработке данных исследования и интерпретации информативных параметров сигна­лов — операции группы 8. Они предназначены для сравнения получен­ных данных с уже имеющимися в базе, поддержки принятия Диагно­стических заключений, формирования базы данных и т. п. Операции этого этапа носят главным образом вычислительный характер и вклю­чают работы, связанные с отображением, документированием, индек­сированием и чаще возлагаются на ЭВМ,, Обсуждение этих операций выходит за рамки данного издания.

На практике для оценки состояния организма оперируют отдель­ными характеристиками БП_ИС или некоторой их совокупностью. Такая диагностическая информация может быть представлена набором каче­ственных или количественных медико-биологических показателей (МБП).По окончании измерительного этапа на выходе анализатора получают либо значение интересующего нас МБП (например, скоро­сти оседания эритроцитов крови), который совпадает с изучаемой ха­рактеристикой (свойством) БП_ИС либо, что встречается чаще, значение некоторого физического параметра из множества {ФП}_БП . В качестве конкретных ФП_БП обычно выступают: оптическая плотность, электри­ческое сопротивление, уровень электрического потенциала, температу­ра и другие физические параметры, которые сами по себе не являются диагностически значимыми. В этом случае необходимо последующее вычисление медико-биологического показателя (например, процентно­го содержания компонента, количества форменных элементов и т. д.), связанного с ФП_БП некоторой зависимостью.

Довольно распространенной при проведении лабораторных иссле­дований является качественная оценка результата, когда получен­ный показатель отражает только факт наличия или отсутствия како­го-либо компонента (или свойства) изучаемой биопробы. Например, при различных заболеваниях крови, помимо количественных сдвигов в лейкоцитарной формуле, важное диагностическое значение имеют изменения морфологических особенностей клеток (неправильная форма, включения, измененное ядро и др.). Кроме того, качествен­ным является анализ биопробы по принципу «да-нет», целью которо­го является только определение наличия либо отсутствия в биопро­бе интересующего нас компонента, когда количество его не имеет принципиального значения. Для регистрации качественных показате­лей также необходимы специальные алгоритмы обработки сигналов . Подходы к анализу ошибок работы алгоритмов первичной об­работки хорошо представлены в доступной технической литературе и здесь не обсуждаются.