Физические величины и единицы измерения в медицине

Роль физических величин в медицинской практике

Медицинская физика, как прикладная область, опирается на точные количественные измерения физических процессов в организме человека и в медицинской аппаратуре. Без строгого определения физических величин и соответствующих единиц измерения невозможно обеспечить достоверность диагностики, корректность терапии и надёжность научных исследований в медицине.

В медицине используются как основные, так и производные физические величины. Они характеризуют параметры тела пациента (масса, температура, давление, объем), характеристики медицинского оборудования (напряжение, мощность, электрическое сопротивление) и взаимодействие физических факторов с биологическими тканями (доза облучения, поглощённая энергия, интенсивность излучения и др.).

Международная система единиц (СИ) и её значение

В основу стандартизации медицинских измерений положена Международная система единиц (СИ), обеспечивающая универсальность и сопоставимость результатов исследований. Система СИ оперирует семью основными единицами:

Метр (м) — единица длины
Килограмм (кг) — единица массы
Секунда (с) — единица времени
Ампер (А) — единица силы тока
Кельвин (К) — единица термодинамической температуры
Моль (моль) — количество вещества
Кандела (кд) — сила света

Эти единицы используются в клинических протоколах, медицинском оборудовании, радиологических расчетах и физиологических измерениях. Например, температура тела измеряется в кельвинах или градусах Цельсия (вне СИ, но допускается для повседневной медицины), а доза ионизирующего излучения — в зивертах (производная единица).

Производные и специальные единицы в медицине

Многие физические величины, особенно используемые в медицинской практике, являются производными. Они выводятся из основных единиц и применяются для измерения сложных физических явлений. Примеры:

Сила (ньютон, Н) = кг·м/с²
Давление (паскаль, Па) = Н/м²
Энергия (джоуль, Дж) = Н·м
Мощность (ватт, Вт) = Дж/с
Электрическое сопротивление (ом, Ω) = В/А
Доза облучения (грей, Гр) = Дж/кг
Эквивалентная доза (зиверт, Зв) = Дж/кг с учётом радиобиологического эффекта

В медицине также применяются внерегламентные, но широко распространённые единицы, например миллиметры ртутного столба (мм рт.ст.) для измерения артериального давления, литры и миллилитры для объема, а также единицы активности ферментов и гормонов (МЕ — международные единицы).

Физические величины в диагностике

Медицинская диагностика требует точного измерения различных физических параметров организма и окружающей его среды:

Температура тела — используется для оценки лихорадочных состояний, контроля метаболических и воспалительных процессов.
Артериальное давление — измеряется в мм рт.ст., имеет две составляющие: систолическое и диастолическое.
Пульс и частота сердечных сокращений (ЧСС) — измеряются в ударах в минуту.
Уровень насыщения кислородом (SpO₂) — измеряется в процентах с помощью пульсоксиметра.
Концентрации веществ в крови — глюкоза, электролиты, гормоны, измеряются в моль/л, ммоль/л или мг/дл.
Электрическая активность сердца — ЭКГ регистрирует электрическое напряжение в милливольтах (мВ).

Измерения должны проводиться с высокой точностью, поскольку даже небольшие отклонения могут свидетельствовать о серьёзных патологиях.

Физические величины в терапии и реабилитации

В процессе лечения необходимо строгое соблюдение дозировок и параметров воздействия:

Медикаментозная терапия — дозировка лекарств указывается в граммах, миллиграммах, микрограммах или международных единицах.
Инфузионная терапия — объёмы растворов измеряются в миллилитрах, скорость введения — в мл/ч или каплях/мин.
Физиотерапевтические процедуры — параметры ультразвука, лазерного и магнитного излучения задаются в герцах, ваттах, миллиамперах.
Лучевая терапия — поглощённая доза измеряется в грэях, эквивалентная — в зивертах; мощность дозы — в мГр/ч.
Температурное воздействие — при криотерапии или гипертермии важна точность в пределах десятых долей градуса.

Физик, работающий в медицинском учреждении, должен обеспечивать контроль параметров излучения, дозировки, мониторинг воздействия терапевтических процедур и соответствие международным протоколам.

Погрешности и калибровка измерений

Любое измерение сопровождается определённой погрешностью, которая может быть:

Систематической — связанной с ошибкой прибора или методики
Случайной — обусловленной внешними факторами или индивидуальными особенностями пациента

Для минимизации этих погрешностей применяются:

Калибровка приборов по эталонным значениям
Использование стандартных процедур измерения
Периодическая поверка и техническое обслуживание оборудования
Статистическая обработка данных измерений

Особенно критичны эти аспекты в радиодиагностике, лабораторной диагностике и мониторинге интенсивной терапии.

Физические единицы в радиологии и радиационной безопасности

Одной из важнейших задач медицинской физики является контроль за параметрами ионизирующего излучения, его измерение и стандартизация. Здесь применяются следующие единицы:

Активность источника — беккерель (Бк), указывает количество распадов в секунду
Поглощённая доза — грей (Гр), отражает количество энергии, поглощённой на единицу массы
Эквивалентная и эффективная доза — зиверт (Зв), учитывает биологическое действие радиации
Мощность дозы — мкГр/ч или мкЗв/ч

Для обеспечения радиационной безопасности ведутся персонализированные дозиметрические карты, используются индивидуальные и коллективные дозиметры, определяется допустимая годовая доза облучения для медицинского персонала и пациентов.

Стандартизация и международные рекомендации

Использование физических величин и единиц в медицине регламентируется следующими организациями:

Международная организация по стандартизации (ISO)
Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям (ICRU)
Международная комиссия по радиологической защите (ICRP)
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ)
Международный комитет по мерам и весам (CIPM)

Соблюдение их рекомендаций необходимо для унификации данных, интероперабельности медицинских систем и трансграничной совместимости лечебных протоколов. Например, сравнение результатов КТ и МРТ между странами возможно только при использовании единых стандартов измерения доз и параметров изображения.

Закрепление единиц в нормативных документах

В Российской Федерации и странах СНГ единицы измерения регламентированы Федеральным законом «Об обеспечении единства измерений» и техническими регламентами. Основная роль принадлежит Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт).

В клинической практике допускается использование внесистемных единиц, если они традиционно устоялись и не нарушают точность представления информации. Однако в научных публикациях, государственных отчётах и образовательных программах обязательным является использование единиц СИ.

Заключение

Физические величины и единицы измерения составляют основу точной, научно обоснованной медицины. Их правильное применение позволяет стандартизировать процедуры, обеспечить безопасность пациентов и персонала, сравнивать результаты исследований и повышать эффективность лечения. Медицинский физик должен в совершенстве владеть принципами измерений, интерпретацией данных и международными стандартами, чтобы обеспечить высокий уровень медицинской помощи.