|
Руденко Борис СергеевичФакультет: Компьютерных наук и технологийКафедра: Автоматизированных систем управления Специальность: Информационные управляющие системы и технологии Тема магистерской работы: Разработка компьютеризированной системы формирования режима барокамеры для настройки сеанса гипербарической оксигенации Научный руководитель: доцент Шатохин Павел Александрович |
Автореферат
квалификационной работы магистра
СОДЕРЖАНИЕ
♦ 2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ
♦ 4. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ
♦ 5. ПРОБЛЕМЫ, НЕРЕШЕННЫЕ ВОПРОСЫ И ПУТИ РЕШЕНИЯ
♦ 6. РАЗРАБОТКА ОБЪЕКТНОЙ МОДЕЛИ
Гипербарическая оксигенация (ГБО) — это лечение кислородом под повышенным давлением в барокамерах . Принцип, на котором основывается данный метод, обусловлен законами физики, регулирующими поглощение и распространение газов в тканях.
Человек может прожить без воды и пищи от нескольких дней до нескольких недель, но достаточно перекрыть поступление кислорода на одну-две минуты и наступает смерть. Настолько велика роль кислорода для организма. Даже дефицит кислорода для тканей и органов является губительным.
При всех заболеваниях, когда доставка кислорода нарушена, развивается гипоксия (кислородное голодание) ткани данного органа. Особенно чувствительны к гипоксии мозг и сердце. Часто даже дыхание чистым кислородом не снижает гипоксию, возникшую в пораженном органе. Только с появлением гипербарической медицины, т.е. возможностью создать повышенное давление кислорода в окружающей больного среде, врачам удается ликвидировать нехватку кислорода в тканях. Кислород в условиях барокамеры, растворяясь в плазме и межтканевой жидкости, в больших количествах попадает в органы и ткани, куда не доходит гемоглобин. Таким образом удается ликвидировать кислородное голодание в больном органе и восстановить его функцию и сопротивляемость к болезнетворным компонентам. Кроме того, в тканях происходит доокисление продуктов жизнедеятельности организма, что также благоприятно влияет на организм.
Спектр заболеваний, при которых показано применение метода ГБО, достаточно широк. ГБО-терапия особенно эффективна при следующих патологиях: сосудистая патология, сердечная патология, патология желудочно-кишечного тракта, патология печени, центральной и нервной системы, отравления, патология эндокринной системы, раневая патология, лучевые поражения и многие другие.
Применение алгоритмов интеллектуального анализа данных медицинских баз с применением математических методов для контроля и управления различных медицинских оборудований и аппаратов на основе компьютера является актуальной проблемой.
Очевидно, что данная методика лечения очень актуальна, т.к. практически отсутствуют противопоказания к лечению и при этом лечение дает очень эффективные результаты.
Но есть и ряд сложностей:
Для рационального использования ГБО в интенсивной терапии требуются: углубленные знания особенностей патофизиологии кислородного статуса и методов его коррекции у тяжелых больных. Этими знаниями лучше других должны владеть анестезиологи. Специфика методики применения ГБО требует от анестезиолога дополнительных знаний в областях барофизиологии, устройстве бароаппаратов, методов контроля и анализа функционального состояния организма во время ГБО, что в целом позволяет выделить ГБО как метод интенсивной терапии, а специалистов в этом разделе , как анестезиологов-барофизиологов.
То есть основной проблемой широкого распространения данного метода лечения объясняется сложностью в подборе оптимального режима лечения индивидуально для каждого больного.
Целью настоящего исследования является создание автоматизированной системы контроля и управления процессом гипербарической оксигенации. В соответствии с намеченной целью поставлены следующие задачи:
- определение основных параметров контроля и управления барокамерой.
- сбор всех данных, характеризующих пациента, а так же получение параметров вариабельности сердечного ритма для дальнейшей обработки.
- создание модели формирования режима барокамеры для контроля и управления процессом гипербарической оксигенации.
- разработка хранилища данных для хранения массивов данных.
- создание программного продукта.
Практически барокамера управляется вручную с учетом информации полученной от самого пациента, что снижает эффективность работы барокамеры и не позволяет выбрать оптимальный режим. Для повышения эффективности работы и автоматизации всего процесса ГБО, целесообразно использовать на всех этапах лечения компьютер. То есть основной проблемой широкого распространения данного метода лечения объясняется сложностью в подборе оптимального режима лечения индивидуально для каждого больного.
На национальном уровне:
Исследования по теме проводят следующие ученые : Чернов В.И., Чижик В.А., Мясников А.А., Кулешов В.И [1], Ефуни С.Н [2], Воробьев К.П., Ладария Е.Г., Полякова Л.В., Лукич В.Л.,Григорьева Г.А. и другие.
На глобальном уровне:Исследования по теме также освещены в работах современных зарубежных авторов: Donald K.W. [5], так же существует американский колледж по гипербарической медицине "The American College of Hyperbaric Medicine" [6], Paul G; McCullough, Virginia (2010) - "The Oxygen Revolution", Mathieu, Daniel (2006) - "Handbook on Hyperbaric Medicine" и другие.
Во время ГБО правильное дозирование гипероксии в соответствии с индивидуальной реактивностью организма является основной проблемой данного метода . Использование схемного подхода в определении индивидуальной тактики оксигенобаротерапии не позволяет достичь максимальный эффект ГБО, зачастую приводит к кислородной интоксикации.
Предыдущие десятилетия становления ГБО характеризовались именно таким схемных подходом. По этой причине метод ГБО частично потерял доверие медицинской общественности.
В настоящее время сложились хорошие предпосылки для введения в рутинную практику ГБО методов объективной оценки функционального состояния непосредственно во время баротерапии с целью оптимизации режимов гипероксии. Этими предпосылками являются: достижения фундаментальных наук в области физиологии кислорода; накопленный практический опыт по изучению функционального организма во время ГБО; развитие биомедицинских информационных технологий.
При наблюдении за ЭКГ во время баротерапии врачи заметили, что стабилизация длительности R-R интервалов сопровождается ухудшением функционального состояния. Применение математического анализа ритма сердца (МАРС) [3] позволило расширить диагностическую значимость биоэлектрической активности миокарда и повысить объективность оценки функционального состояния.
Сравнительное изучение динамики различных производных МАРС на этапах ГБО позволит выделить наиболее важные диагностические критерии и исключить из анализа дублирующие друг друга показатели.
Вопрос дозы ГБО является ключевым вопросом. Этот тезис принят всеми специалистами ГБО. Наиболее реальный подход решения этой проблемы, это дальнейшее изучение эффективности ГБО на новой современной единой методологической основе, которая также позволяет по истечению каждого сеанса ГБО корректировать режим гипероксии. Накопление данных, подготовленных в едином Стандарте в различных подразделениях ГБО, изучение корреляций с метаболическими и структурными реакциями организма на гипероксию позволит существенно продвинуться в понимании механизмов ГБО при различных функциональных состояниях, обеспечить должный индивидуальный подход в определении тактики баротерапии.
Принятие универсальной технологии анализа динамики производных МАРС на этапах сеансов ГБО позволит получать повторяемые научные результаты, что имеет важное значение для дальнейшего изучения эффективности ГБО различными научными коллективами на единой методологической платформе.
В процессе гипербарической оксигенации необходим непрерывный автоматический контроль за состоянием больного. При этом должны учитываться индивидуальная чувствительность организма человека к комплексу факторов, воздействующих на него в процессе ГБО. Значения, воздействующих факторов в барокамере на человека можно изменять с помощью управляющих параметров барокамеры, которые могут отражаться на состоянии больного. Таким образом, используя эти параметры можно управлять как внутренней средой барокамеры, так и состоянием больного, находящегося в барокамере.
Построим модель, которая поможет автоматизировать процесс гипербарической оксигенации:
Опишем компоненты модели:
1) Барокамера – характеризуется управляющими параметрами (давление, скорость компрессии, время декомпрессии, температура в камере, длительностью сеанса). Эти параметры выставляются перед началом сеанса врачом. Они имеют минимальные и максимальные возможные значения, которые зависят от конкретной модели барокамеры. Для максимального эффекта лечения параметры должны подбираться индивидуально для каждого пациента от сеанса к сеансу.
2) Пациент – содержит данные о человеке (ФИО, рост, вес, пол, возраст, диагноз ). Функция «вернуть данные» как раз опрашивает пациента и возвращает данные о пациенте. Функция «результат сеанса» формирует состояние (самочувствие) пациента после сеанса баротерапии. Опишем их состояния с помощью лингвистических переменных:
♦L1 = "Состояние нервной системы",
♦L2 = "Состояние сердечнососудистой системы",
♦L3 = "Состояния дыхательной системы",
♦L4 = "Состояние желудочно-кишечного тракта".
♦L5 = “Общий результат лечения”.
Все эти переменные характеризуются термами ("очень плохо", "плохо", "нормально", "хорошо", "очень хорошо").
3) Кардиоанализатор – содержит в себе все параметры вариабельности сердечного ритма (SDNN, RMSSD, Cv, Mo, AMo, Si, CCI, CCO и многие другие). Функция «считать сигнал» занимается получением кардиограммы для конкретного пациента. Функция «рассчитать параметры» анализирует кардиограмму и получает на ее основе ВСР параметры [9]. Параметры, характеризующие те или иные показатели получаются путем анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР) и все они зависят непосредственно от параметров контроля (режима барокамеры). Исследование и анализ вариабельности сердечного ритма является современной методологией изучения состояния механизмов регуляции физиологических функций у человека. Сердце как индикатор адаптационных реакций всего организма “отзывается” на самые разнообразные внутренние и внешние воздействия. Несмотря на неспецифический характер наблюдаемых изменений ВСР они дают важную информацию о состоянии наиболее важных систем организма. отражает динамический процесс изменения интегральных функций организма в процессе гипероксического воздействия. В физиологических исследованиях считается, что неспецифические механизмы адаптации наиболее адекватно и технологично оцениваются с помощью производных математического анализа ритма сердца. То есть для нахождения оптимального режима барокамеры, нужно провести глубокий анализ параметром ВСР пациента.
4) Модуль нечеткой логики — занимается обработкой данных о пациентах в результате которых формируются новые наиболее подходящие режимы лечения (параметры барокамеры). Естественно, что параметры контроля барокамеры по разному действуют на различные системы организма и не имеют каких либо точных формул и расчетов, т.к. каждый организм – сугубо индивидуален и зачастую реакции могут быть не совсем ожидаемыми. Поэтому для «связывания» параметров управления барокамерой с параметрами состояния организма были выбраны нечеткие системы, т.к. невозможно четко определить зависимость между управляющими параметрами барокамерами и соответствующей реакцией систем организма. Для того чтобы наиболее успешно провести лечение пациента и ускорить его выздоровление, необходимо устанавливать наиболее «высокие» значения параметров контроля, но при этом необходимо учитывать, что это может негативно сказаться на значениях параметров состояния систем организма пациента.
Соответственно общий результат лечения пациента представим функцией:
F (C1,C2,C3,C4,C5) (1)
Предположим, что эта функция является сепарабельной, т.е. ее можно представить:
F (C1,C2,C3,C4,C5) =? Fi(Ci)(2) где i=1,2,3,4,5 – номер управляющего параметра
Предположим, что зависимости между различными системами организма и параметрами контроля описываются с помощью функции и они являются также сепарабельными, т.е.:
Zj (C1,C2,C3,C4,C5) =? Zij (Ci) (3) где i=1,2,3,4,5 ; j=1,2,3,4 где i – номер управляющего параметра, j –номер характеристики внутренней системы организма.
Для получения конкретных режимов (управляющих параметров барокамеры) нам необходимо рассмотреть 2 задачи:
1. Добиться наибольшего значения переменной «общего результата лечения болезни» и при этом сохранить работоспособность систем организма, т.е. необходимо максимизировать F (C1,C2,C3,C4,C5) и при этом выполнить условие Zj (C1,C2,C3,C4,C5) <= X , j=1,2,3,4; Число Х указывает максимальный уровень , который обеспечивает лечение болезни.
2. Минимизировать негативное воздействие оксигенации на организм и добиться положительного уровня лечения, т.е. задача сводится к минимизации функции Zj(C1,C2,C3,C4,C5) и при этом необходимо выполнить условие F (C1,C2,C3,C4,C5)>=X, где Х указывает минимальный уровень, который обеспечит лечение болезни. Здесь мы можем предполагать, что X€[0,1], где Х=0 – начало лечения, а Х=1 – конец лечения.
В результате выполнения этих условий будет подбираться оптимальный режим (управляющие параметры) барокамеры.
5) Врач — связующее звено между всеми компонентами системы, то есть последовательно взаимодействует со всеми блоками системы для достижения лучшего результата.
Для наглядности представим эту модель в виде диаграммы последовательности:
(анимация: объём – 66 Кб; размер - 722x430; количество кадров – 9; задержка между кадрами – 2с; задержка между последним и первым кадрами – 1.8 с; количество циклов повторения – 4)
На первом шаге врач опрашивает пациента, в результате чего получает информацию о пациенте. Затем на втором шаге модуль нечеткой логики на основе первичной информации формирует начальный режим лечения. На третьем шаге врач устанавливает полученный режим в барокамеру и в процессе сеанса лечения формируется кардиосхема пациента. Затем на пятом шаге врач вызывает функцию расчета параметров вариабельности сердечного ритма на основании полученной кардиосхемы. Затем на шестом шаге врач опрашивает пациента о его самочувствии после сеанса. После этого на седьмом шаге врач передает всю собранную информацию в модуль нечеткой логики, в результате чего будут получены новые наиболее подходящие управляющие параметры барокамеры для пациента на следующий сеанс. Начиная с восьмого шага процедура будет повторяться и с каждым новым сеансом будут подбираться наиболее подходящие параметры для конкретного пациента на основании его текущего состояния и характеристик.
Практическая значимость полученных результатов заключается в высокой востребованности данного рода систем в медицинской сфере как на национальном уровне, так и во всем мире.
В ходе выполнения научно-исследовательской работы были проанализированы существующие работы ученых в данной сфере и выдвинуты требования к построению собственной системы. Основным требованием является эффективность и гибкость. В соответствии с проделанным научным поиском можно сделать вывод, что для построение систем будут использоваться элементы нечеткой логики и Data Mining для обеспечения индивидуальной тактики лечения для больных. Была сформирована объектная модель системы для наглядного описания основных взаимодействующих узлов системы.
1. Чернов В.И., Чижик В.А., Мясников А.А., Кулешов В.И. Методика определения оптимальной дозы кислорода при оксигенобаротерапии. Санкт-Петербург:Военно-медицинская Академия, 1994 -532с.
2. Ефуни С.Н. Руководство по гипербарической оксигенации.- М.: Медицина, 1986.- 416 с.
3. Никулина Г. А. Исследование статистических характеристик сердечного ритма как метод оценки функционального состояния организма при экстремальных воздействиях: Ав-тореф. дис. ... канд. мед. наук.— М.: изд. ИМБП, 1974.— 30 с.
4. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование Matlab и fuzzyTECH , Петербург 2005 – 736 с
5. Donald K.W. Oxigen poisoning in man./ Brit.med. J..-1947.-№1.-p.667-672.
6. American College of hiberbaric medicine.
[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.hyperbaricmedicine.org
7. BaroMedical hyperbaric oxygen therapy.
[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.baromedical.ca/
8. Элементы нечеткой логики.
[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.fuzzyfly.chat.ru/
9. Вариабельность сердечного ритма.
[Электронный ресурс]-Режим доступа: http://www.mks.ru/products/kardi/guide_hrv/contents.html