автобиография

Семисалов С.Я.

Программно-вычислительные технологии при изучении и прогнозировании развития черепно-мозговой травмы в условиях промышленного центра Донбасса

 

Последние десятилетия во всем мире катастрофически быстро происходит рост травматизма, что связано не только с урбанизацией населения, постоянным ростом транспорта и интенсивности движения, а также в связи с тем, что интенсивность жизни, особенно в городах, приводит к снижению “травматического” иммунитета населения, не выдерживающего больших нагрузок времени и часто не успевающего адекватно реагировать на происходящее (в частности, на интенсификацию производства, изменения погоды, рост бытового и криминального травматизма)].

Учитывая значительную долю черепно-мозговой травмы (состав-ляющей в среднем 4-4,2%о,т.е. около 200 тыс. человек в год ) в общем травматизме населения, а также большие затраты как на лечение, так и на постклиническую реабилитацию, вызванную зачастую частыми выраженными остаточными явлениями ( вплоть до инвалидизации 1- 11 группы), травма головного мозга занимает ведущее место среди всего травматизма, обусловливая не только научно-медицинский интерес, но и выраженную социально-экономическую направленность этой проблемы.

Выявить наиболее существенные закономерности возникновения и развития такой сложной и многогранной патологии как ЧМТ можно только основываясь на значительном числе наблюдений, используя системный подход, подразумевающий комплексность, широту охвата и четкую организацию в планировании и проведении исследования черепно-мозгового травматизма.

Предугадать развитие черепно-мозгового травматизма, его исходов, влияния различных внешних и внутренних факторов на этот процесс возможно только используя новейшие информационные технологии (ИТ), включая создание специальной экспертной системы (ЭС) – комплекса компьютерных программ, позволяющих соединить опыт и знания врача-эксперта с мощью вычислительных возможностей компьютера, в результате чего находится оптимальное решение сложных медико-социальных диагностических и прогностических задач.

Информационные системы (ИС) могут быть различными по размерам в зависимости от масштабов медицинских учреждений. В настоящее время в развитых странах наибольшее распространение получили больничные информационные системы, а в последние годы стали возникать и более крупные системы. Уже на этом этапе потребовался ввод в компьютер общей информации о пациенте и проведенном лечебном процессе (терапевтические процедуры, лекарства, операции и тому подобное). Больничные информационные системы упрощают движение клинических данных от лаборатории к врачам, назначение лекарственных препаратов и тому подобное.

Медицинские информационные системы становятся в настоящее время коммерческим продуктом, стоимость которого оценивается в сотни тысяч долларов.

Цель работы. Ознакомить с особенностями создания базы данных больных с острой ЧМТ, служащей для кодирования клинико-рентгенологической и эпидемиологической информации, ее хранения, статистической обработки и нахождения рациональных лечебно-диагностических комплексов при оказании помощи этой категории больных; изучение возможностей экспертной системы в повышении эффективности краткосрочного прогнозирования развития острой черепно-мозговой травмы (ОЧМТ).

Материал и методы. Программирование осуществлено в программной среде для разработки приложений баз данных Power Builder 6.5. В качестве базы данных №1 (БД-1) использована система SQL Anywhere 5.5.04. В программу интегрированы объекты многооконного объектного интерфейса MWOI-2. Для статистической обработки в базе данных использована система фильтров, входящая в программный комплекс. При создании базы данных №2 (БД-2) острой ЧМТ в качестве базового программного обеспечения использован пакет MS Access 97 из комплекта MS Office 97.

Выборочное изучение черепно-мозгового травматизма проведено на базе нейрохирургического центра Донецкого областного клинического территориально-медицинского объединения (ДОКТМО) за период 1996-1999 годы и 692 наблюдений за 1 квартал 2000 года (контрольная группа). Изучались случаи травматизма только взрослого населения (старше 14 лет), и случившегося только на территории города. Всего изучено 15 000 случая ЧМТ, при этом БД-2 составили 250 больных, лечившихся в нейрохирургическом центре. Все диагнозы верифицированы как данными клинического наблюдения, так и дополнительными методами обследования, включая компьютерную томографию головного мозга.

Результаты исследования. Разработанное программное обеспечение для проведения клинико-эпидемиологического исследования использует одну из последних программных технологий, позволяющих создавать практически неограниченный массив информации (БД-1), занимая при этом небольшой объем памяти (до 10 Мb), быстро осуществлять фильтрацию всей базы данных по необходимым признакам (или их сочетаниям), производить статистическую обработку полученных данных; допускает интегрирование в другие программные системы. При создании БД-2 использована специально разработанная программа кодирования клинико-рентгенологической информации ЧМТ в виде формализованной истории болезни (ФИБ), с последующим использованием комплекса средств обработки и анализа полученных данных с применением пакетов статистической и графической обработки собранного материала. Информация в БД-2 хранится в виде 20 таблиц, которые соответствуют логической модели системы.

В целом, следует отметить, что основная задача описанных программ заключается в создании баз данных с последующей разработкой ЭС ЧМТ (рис.1) : БД-1 – для исследования клинико-эпидемиологического развития ЧМТ, прогнозирования его течения в ближайшем будущем, определения рациональных организационно-методических мероприятий с целью ускорения и улучшения оказания медицинской помощи этой категории больных; БД-2 – для изучения клинико-рентгенологических особенностей острой ЧМТ, прогнозировании ближайших исходов и оптимизации различных диагностических и лечебных методов при оказании помощи больным с ЧМТ.

Создание банка данных больных, получивших черепно-мозговую травму, подразумевает :а)разработку формализованных медицинских документов для фиксированного отражения имеющейся информации о больном, начиная с документации приемного отделения и кончая истории болезни – как основного медицинского документа, по которому можно в полной мере судить о полноценности и качестве оказанной медицинской помощи; б)создание программного обеспечения для сбора первичной информации о больных, получивших ЧМТ (по документам БСП и приемного отделения больницы) и оказания медицинской помощи больным на догоспитальном этапе; в) применение математико-вычислительных технологий в проектировании и создании второй базы данных на основе формализованной истории болезни пострадавших с острой ЧМТ, лечившихся в условиях медицинского стационара; г)математико-вычислительную систему управления полученных информационных банков данных о больных (СУБД), получивших ЧМТ, с целью дополнения результатов исследования одной базы данных другой и получения наиболее полной картины распространенности, тяжести и характера полученных травм, их клинических проявлений, эффективности и своевременности применения организационных, диагностических и лечебных мероприятий.

Следующим этапом изучения черепно-мозгового травматизма, его течения и исходов, является статистическая обработка баз данных, чтобы на их основе создать экспертую систему ( ЭС ), которая сможет объединить возможности компьютера со знаниями и опытом врача-эксперта (в данном случае, специалиста по нейротравматологии).

Экспертная система призвана предложить практический совет или принять оптимальное решение по предлагаемым конкретным лечебно-диагностическим задачам, при этом , при необходимости, экспертная система может предоставить в удобной форме ход своих “рассуждений”, что обусловлено одной из функций ЭС – повысить с помощью компьютера компетентность человека-эксперта .

И, наконец, последним заданием, которое надлежит решать ЭС, является оценка качества медицинской помощи больным с острой черепно-мозговой травмой на различных этапах ее оказания, путем разработки стандартов качества, с учетом основных характеристик данной нозологической патологии.

Как видно из предложенной схемы, экспертная система находится в обратной связи с процессом прогнозирования и стандартизации лечебно-диагностических мероприятий. В первом случае ЭС не только позволяет решать различные прогностические задачи (построения диагноза, рекомендаций консервативного и оперативного методов лечения, ближайших и отдаленных исходов, трудовой и социальной реабилитации и др.), но, накапливая и верифицируя предлагаемые решения с реальными результатами, ЭС постоянно расширяет свои возможности. Во втором случае, с помощь. ЭС возможно выделение основных параметров, характеризующих черепно-мозговой травматизм, что позволяет решать две задачи стандартизации:

-разработки стандартов конкретной нозологической единицы – черепно-мозговой травмы - делающих возможным, опираясь на определенные диагностические и лечебные мероприятия добиваться ранней и достоверной диагностики, оказания наиболее полной и квалифицированной помощи пострадавшим на различных ее этапах;

-комплексно оценивать лечебно-диагностический процесс в различных медицинских учреждениях, сравнивая результаты этого лечения, определять стандарты качества оказания медицинской помощи.

Кроме этого, ЭС требует стандартного подхода к сбору необходимой информации и это касается, в первую очередь, стандартизации программных продуктов, на основе которых создаются базы данных черепно-мозговой травмы, особенно в тех случаях, когда изучая клинико-эпидемиологические особенности черепно-мозгового травматизма необходим сбор информации в различных лечебных учреждениях.

Информация собиралась в базу данных и хранится в 20 таблицах, которые соответствуют логической модели системы. Интерфейс с пользователем образуют каскадно-расположенные формы, каждая из которых связана с отдельной таблицей. Связь информации по конкретному клиенту в таблицах организуется посредством ключевых полей. Ведущей таблицей является таблица общей информации по пациенту ("Паспортные данные"). Информация из этой таблицы используется формой выбора пациента и собственно формой "Паспортные данные". Остальные формы обновляютя в соответствии с кодом выбранного пациента. Это позволяет просматривать информацию выбранного вида (выбранную форму) для различныхбольных с черепно-мозговой травмой. Естественно, возможен и просмотр информации любого вида для выбранного пациента.

Формы могут содержать информационные поля. Кроме простой информационной связи с ячейкой в таблице информационное поле может быть вычисляемым, логически зависимым от других полей. Также информационные поля могут быть организованные в таблицы для многомерного представления информации (динамики процессов).

Система базы данных представляет собой распределенную систему, в которой идентифицирующие больного данные хранятся в одной базе данных. При ее заполнении больной получает уникальный код, через который его можно идентифицировать, при необходимости, и в других базах данных. Базы данных, относящиеся к клиническим показателям, процессу и итогам лечения, являются таким образом “анонимными”.

Основные формы содержат субформы и их наборы. Также формы могут служить для отображения графической и другой мультимедийной информации.

Общее направление вопросов, на которые отвечает программа, представлено ниже:

-общая информация о больном ( пол, возраст, социальный статус, и др.);

-обстоятельства травмы;

-соматический статус;

-неврологический статус;

-отоневрологическая симптоматика;

-офтальмологическая клиника;

-данные рентгенологического обследования;

-АКТ головного мозга;

-анализы (включая биохимические показатели крови);

-предварительный диагноз;

Процесс лечения:

-консервативное медикаментозное лечение;

-анестезиологическое пособие;

-хирургическое вмешательство (включая возможные осложнения);

Клинический диагноз.

Ближайшие и отдаленные результаты лечения :

-состояние на момент выписки из стационара;

-катамнез и др.

Отличительной особенностью программы является ее ориентированность на изучение биомедицинских процессов и лечебного процесса у конкретного больного. По выборке больных программа дает возможность извлекать из баз данных необходимые показатели. Однако для их обработки в зависимости от поставленной задачи должны использоваться специализированные программы.

Предлагаемая система может применяться в нейрохирургических клиниках, как для кооперативных, так и для индивидуальных исследований в области неврологии, нейрохирургии, нейроанестезиологии, в исследованиях по политравмам и в медицине катастроф. Технически предлагаемая программа построена таким образом, чтобы система обработки данных не зависела от конкретной структуры баз данных. Со структурой баз данных оказываются связанными блоки заполнения, просмотра данных, а также блоки создания стандартных документов, необходимых в повседневной работе врача (дневники, обходы, выписной эпикриз и др.) и общей статистики (в части указания области патологии). Блоки редактирования параметров, корреляционного анализа, выборки по условию, просмотра динамики параметра, графики зависимостей параметров друг от друга и от времени мало зависят от структуры базы данных. Это создает возможность как относительно быстрого и технически несложного изменения уже существующих баз данных, так и создания новых баз, охватывающих более детально и другие функциональные системы человека, например общую травматологию, хирургию и т.д.

Учитывая, что в области медицины в настоящее время мало развитых исследовательских компьютерных систем, настоящая информационная система позволила накопить определенный опыт в создании баз данных с острой черепно-мозговой травмой.

Хранящаяся информация о больных в математически обработанном и упорядоченном виде реально позволила значительно расширить возможности использования математико-вычислительных методов не только для оценки каждого конкретного случая, но и для обобщения полученных данных. Основываясь на значительном количестве наблюдений, сопоставляя различные результаты лечения с применением тех или иных методов и объемов терапии, информационная система повысила эффективность лечебных мероприятий при черепно-мозговой травме и в некоторой степени оптимизировала затраты на лечение этой категории больных, что определяет практическую значимость этой системы.

Для изучения эффективности применения ЭС в краткосрочном прогнозировании (до 1 квартала) была использована БД-1, при оценке которой стало возможным как построение алгоритма краткосрочного прогноза ОЧМТ (рис.3), так и создание самой ЭС. Оценивая полученную информацию о ОЧМТ за 4 года (табл.1), отмечено значительное увеличение травматизма за последние два года : в 1998 году рост ОЧМТ составил 20,5%, в 1999 году – 16,7%, составляя в среднем за год 18,6%. Причем обращает на себя внимание тот факт, что в основном рост травматизма обусловлен, так называемым, бытовым травматизмом, который в 1999 году составил 2.12 (на 1000 населения) в отличие от 1,41%о - в 1996 году. При этом дорожно-транспортный травматизм, который по данным других авторов достигает 14,3% всего черепно-мозгового травматизма, по нашим данным встречался у 9,1 –10,7%. А производственная ЧМТ отмечена у 4,6 – 3,6%о, причем за последние 2 года отмечено ее снижение (на 1,0 на 1000 населения).

Таким образом, оценивая динамику развития черепно-мозгового травматизма, было обращено внимание на динамику роста бытового травматизма, который и определяет особенности развития этой патологии в последние годы.

При более детальной оценке полученной БД-1, также было выделено взаимоотношение бытового травматизма у мужчин и женщин, когда в отличие от результатов других авторов, у которых соотношение травматизма у мужчин и женщин составляет более чем 3: 1, по данным травматизма в г. Донецке бытовая травма чаще отмечена у мужчин, чем у женщин в соотношении 2,2: 1 в последние 2 года и 2,6:1, 2,7:1 в1996-1997 годах соответственно. Иными словами, за последние два года на фоне общего роста бытового травматизма, отмечается значительный рост травматизма у женщин по отношению к мужчинам.

Первоначально изучалась хронодинамика развития черепно-мозгового травматизма помесячно, но при последующем анализе полученных результатов, был выявлен значительный разброс количества травм в различных месяцах, что приводило к значительному затруднению при прогнозировании и вызывало много ошибок. Поэтому было принято решение оценивать собранную информацию поквартально, когда показатели травматизма усредняются и делают возможным составлять прогноз с минимальным уровнем ошибок.

Экспертная система краткосрочного прогнозирования развития ОЧМТ состоит из функциональной и обеспечивающей частей. Функциональная часть включает комплекс методов научно-медицинского прогнозирования и анализа научно-медицинской и технико-экономической информации, вычислительно-математической и организационно- административных методов, позволяющих прогнозировать цели, пути и ресурсы, необходимые для решения проблемы, как краткосрочного прогнозирования, так и на более отдаленную перспективу, контроля текущего состояния проблемы и ретроспективный анализ релевантных данных. Обеспечивающая часть подсистемы состоит из информационной базы, комплекса технических средств и математического обеспечения.

ЭС, являясь строго предметно-ориентированным программным продуктом, предназначена обеспечивать прогнозными материалами следующие группы пользователей : а) административно-плановые и АСУ областных управлений здравоохранения- укрупненная информация (прогноз по проблеме, варианты научно-медицинской политики в проблемной области на 5-летнюю перспективу), б) другие системы общегосударственного, отраслевого и регионарного уровней – информация, обеспечивающая взаимосвязь, взаимокорректировку, взаимовлияние прогнозных разработок, в)эксперты – регулярное снабжение каждого эксперта релевантной информацией для уточнения предыдущих оценок, повышения уровня компетентности при прогнозировании в будущем.

При построении ЭС, одним из этапов является математическое моделирование изучаемого объекта (ОЧМТ), которое позволяет прогнозировать тенденции развития объекта прогнозирования (ОП), используя логические закономерности развития вычислительной техники. Эта модель может быть представлена в виде линейных и нелинейных дифференциальных уравнений, неизвестные коэффициенты которых поддаются физической интерпретации и определяются методом наименьших квадрантов или численными методами на основании временных рядов значений параметров.

Математическая модель краткосрочного прогнозирования ОЧМТ основывается на многокритериальной выборке данных по заданным признакам. Следующим этапом построения модели было определение динамических коэффициентов зависимости данных предшествующих событий к последующим по различным критериям и подсчет общих коэффициентов по различным основным признакам (по полу, виду травм и т.д.). Исходя из полученной информации производилось определение веса кварталов по годам в их динамической зависимости. Затем, используя полученные коэффициенты, были построены варианты прогноза с вычислением степени его достоверности. Наиболее точный прогноз, имевший наименьшую погрешность, был взят за основу.

Таким способом был составлен прогноз на 1 квартал 2000 года – по прогнозному варианту в 1 квартале ожидалось 695 случаев ОЧМТ. Проведенное контрольное исследования ОЧМТ в 1 квартале 2000 года выявил наличие 692 случая ОЧМТ, что было на 20 наблюдений меньше прогнозного. Ошибка краткосрочного прогнозирования составила 0,4%, что является статистически достоверным.

Таким образом, составленная ЭС краткосрочного прогнозирования динамики развития ОЧМТ позволила с большой точностью предсказать величину травматизма на 1 квартал 2000 г. Являясь первым этапом разработки ЭС, построенная математическая модель достаточно полно отражает особенности хронодинамики ОЧМТ, взаимосвязей различных ее видов, внутренние зависимости многофакторного исследуемого процесса. Дальнейшая работа над проблемой прогнозирования ОЧМТ с расширением ее базы данных (за 5-10 лет) позволит составлять прогнозы на более длительные сроки. Экспертная система прогнозирования черепно-мозгового травматизма повышает эффективность планирования и оптимизации оказания медицинской помощи больным с травмой головного мозга. Следует еще раз отметить, что приведенные цифры частоты ЧМТ основываются только на материале, полученном в Областном нейрохирургическом центре и не отображает в полной мере реальный травматизм в Донецке, поэтому в течение следующего года планируется провести изучение ЧМТ по районам города, что, естественно, увеличит количество травмы головного мозга.

Выводы. Основываясь на системном подходе в изучении острой ЧМТ предложенная информационная технология позволяет:

-изучать, опираясь на стандарты клинико-эпидемиологического и рентгенологического исследования, особенности развития черепно-мозгового травматизма в конкретных социально-экономических условиях;

-объединять всю полученную информацию о черепно-мозговом травматизме в строгом соответствии предложенных стандартов диагностики и оказания медицинской помощи пострадавшим;

-оценивать эффективность предложенных математико-вычислительных методик при решении медико-социальных проблем у больных с острой ЧМТ;

- с определенной степенью достоверности, судить о прогностической ценности предложенных методик в диагностике и предвидении результатов консервативного и оперативного лечения в остром периоде травмы, а также ближайших и отдаленных исходов;

-выявлять наиболее характерные для ЧМТ симптомокомплексы и способы лечения данной категории больных, что позволяет стандартизировать как технологию диагностики и лечения, так и результатов лечения.