|
Руденко Борис СергiйовичФакультет: Комп'ютерних наук та технологійКафедра: Автоматизованих систем управління Специальнiсть: Iнформаційні управляючі системи та технології Тема магістерської роботи: Розробка комп'ютеризованої системи формування режиму барокамери для налаштування сеансу гіпербаричної оксигенації Науковий керівник: доцент Шатохін Павло Олександрович |
Автореферат
кваліфікаційної роботи магістра
ЗМІСТ
♦ 2. МЕТА І ЗАВДАННЯ РОЗРОБКИ І ДОСЛІДЖЕННЯ
♦ 4. ПЕРЕГЛЯД ДОСЛІДЖЕНЬ І РОЗРОБОК ПО ТЕМІ
♦ 5. ПРОБЛЕМИ, НЕВИРІШЕНИМ ПИТАННЯ ТА ШЛЯХИ ВИРІШЕННЯ
♦ 6. РОЗРОБКА ОБ'ЄКТНОI МОДЕЛІ
Гіпербарична оксигенація (ГБО) — це лікування киснем під підвищеним тиском у барокамерах. Принцип, на якому грунтується даний метод, обумовлений законами фізики, регулюючими поглинання та розповсюдження газів в тканинах.
Людина може прожити без води та їжі від декількох днів до декількох тижнів, але досить перекрити надходження кисню на одну-дві хвилини і настає смерть. Настільки велика роль кисню для організму. Навіть дефіцит кисню для тканин і органів є згубним.
При всіх захворюваннях, коли доставка кисню порушена, розвивається гіпоксія (кисневе голодування) тканини даного органу. Особливо чутливі до гіпоксії мозок і серце. Часто навіть дихання чистим киснем не знижує гіпоксію, що виникла в ураженому органі. Тільки з появою гіпербаричної медицини, тобто можливістю створити підвищений тиск кисню в навколишньому середовищі хворого, лікарям вдається ліквідувати брак кисню в тканинах. Кисень в умовах барокамери, розчиняючись у плазмі та міжтканинної рідини, у великих кількостях потрапляє в органи і тканини, куди не доходить гемоглобін. Таким чином вдається ліквідувати кисневе голодування у хворому органі і відновити його функцію і опірність до хвороботворних компонентів. Крім того, в тканинах відбувається доокісленіе продуктів життєдіяльності організму, що також сприятливо впливає на організм.
Спектр захворювань, при яких показано застосування методу ГБО, досить широкий. ГБО-терапія особливо ефективна при наступних патологіях: судинна патологія, серцева патологія, патологія шлунково-кишкового тракту, патологія печінки, центральної і нервової системи, отруєння, патологія ендокринної системи, ранова патологія, променеві ураження і багато інших.
Застосування алгоритмів інтелектуального аналізу даних медичних баз із застосуванням математичних методів для контролю і управління різних медичних обладнань і апаратів на основі комп'ютера є актуальною проблемою.
Очевидно, що дана методика лікування дуже актуальна, тому що практично відсутні протипоказання до лікування і при цьому лікування дає дуже ефективні результати.
Але є і ряд складнощів:
Для раціонального використання ГБО в інтенсивній терапії потрібні: поглиблені знання особливостей патофізіології кисневого статусу та методів його корекції у важких хворих. Цими знаннями краще за інших повинні володіти анестезіологи. Специфіка методики застосування ГБО вимагає від анестезіолога додаткових знань в областях барофізіологіі, пристрої бароаппаратов, методів контролю та аналізу функціонального стану організму під час ГБО, що в цілому дозволяє виділити ГБО як метод інтенсивної терапії, а фахівців у цьому розділі, як анестезіологів-барофізіологов.
Тобто основною проблемою широкого розповсюдження даного методу лікування пояснюється складністю в підборі оптимального режиму лікування індивідуально для кожного хворого.
Метою цього дослідження є створення автоматизованої системи контролю і управління процесом гіпербаричної оксигенації. Відповідно до наміченої метою поставлені наступні завдання:
- Визначення основних параметрів контролю і управління барокамерою.
- Збір всіх даних, що характеризують пацієнта, а також отримання параметрів варіабельності серцевого ритму для подальшої обробки.
- Створення моделі формування режиму барокамери для контролю і управління процесом гіпербаричної оксигенації.
- Розробка сховища даних для зберігання масивів даних.
- Створення програмного продукту.
Практично барокамера управляється вручну з урахуванням інформації отриманої від самого пацієнта, що знижує ефективність роботи барокамери і не дозволяє вибрати оптимальний режим. Для підвищення ефективності роботи і автоматизації всього процесу ГБО, доцільно використовувати на всіх етапах лікування комп'ютер. Тобто основною проблемою широкого розповсюдження даного методу лікування пояснюється складністю в підборі оптимального режиму лікування індивідуально для кожного хворого.
На національному рівні:
Дослідження по темі проводять такі вчені : 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. та iншi.
На глобальному рівні:Дослідження по темі також висвітлені в роботах сучасних зарубіжних авторів: Donald K.W. [5], так само існує американський коледж за гіпербаричної медицині "The American College of Hyperbaric Medicine" [6], Paul G; McCullough, Virginia (2010) - "The Oxygen Revolution", Mathieu, Daniel (2006) - "Handbook on Hyperbaric Medicine" та iншi.
Під час ГБО правильне дозування гіпероксії відповідно до індивідуального реактивністю організму є основною проблемою даного методу. Використання схемного підходу у визначенні індивідуальної тактики оксігенобаротерапіі не дозволяє досягти максимальний ефект ГБО, часто призводить до кисневої інтоксикації.
Попередні десятиліття становлення ГБО характеризувалися саме таким схемних підходом. З цієї причини метод ГБО частково втратив довіру медичної громадськості.
В даний час склалися гарні передумови для введення в рутинну практику ГБО методів об'єктивної оцінки функціонального стану безпосередньо під час баротерапії з метою оптимізації режимів гіпероксії. Цими передумовами є: досягнення фундаментальних наук у галузі фізіології кисню; накопичений практичний досвід з вивчення функціонального організму під час ГБО; розвиток біомедичних інформаційних технологій.
При спостереженні за ЕКГ під час баротерапії лікарі помітили, що стабілізація тривалості RR інтервалів супроводжується погіршенням функціонального стану. Застосування математичного аналізу ритму серця (МАРС) [3] дозволило розширити діагностичну значимість біоелектричної активності міокарда та підвищити об'єктивність оцінки функціонального стану.
Порівняльне вивчення динаміки різних похідних МАРС на етапах ГБО дозволить виділити найбільш важливі діагностичні критерії і виключити з аналізу дублюючі один одного показники.
Питання дози ГБО є ключовим питанням. Ця теза прийнятий усіма фахівцями ГБО. Найбільш реальний підхід вирішення цієї проблеми, це подальше вивчення ефективності ГБО на новій сучасної єдиної методологічній основі, яка також дозволяє по закінченню кожного сеансу ГБО коригувати режим гіпероксії. Накопичення даних, підготовлених в єдиному Стандарті в різних підрозділах ГБО, вивчення кореляцій з метаболічними та структурними реакціями організму на гіпероксії дозволить істотно просунутися в розумінні механізмів ГБО при різних функціональних станах, забезпечити належний індивідуальний підхід у визначенні тактики баротерапії.
Прийняття універсальної технології аналізу динаміки похідних МАРС на етапах сеансів ГБО дозволить отримувати повторювані наукові результати, що має важливе значення для подальшого вивчення ефективності ГБО різними науковими колективами на єдиній методологічній платформі.
У процесі гіпербаричної оксигенації необхідний безперервний автоматичний контроль за станом хворого. При цьому повинні враховуватися індивідуальна чутливість організму людини до комплексу чинників, які впливають на нього в процесі ГБО. Значення, що впливають факторів у барокамері на людину можна змінювати за допомогою керуючих параметрів барокамери, які можуть відбиватися на стані хворого. Таким чином, використовуючи ці параметри можна управляти як внутрішнім середовищем барокамери, так і станом хворого, що знаходиться в барокамері.
Побудуємо модель, яка допоможе автоматизувати процес гіпербаричної оксигенації:
Опишемо компоненти моделі:
1) Барокамера - характеризується керуючими параметрами (тиск, швидкість компресії, час декомпресії, температура в камері, тривалістю сеансу). Ці параметри виставляються перед початком сеансу лікарем. Вони мають мінімальні і максимальні можливі значення, які залежать від конкретної моделі барокамери. Для максимального ефекту лікування параметри повинні підбиратися індивідуально для кожного пацієнта від сеансу до сеансу.
2) Пацієнт - містить дані про людину (ПІБ, зріст, вага, стать, вік, діагноз). Функція «повернути дані» якраз опитує пацієнта і повертає дані про пацієнта. Функція «результат сеансу» формує стан (самопочуття) пацієнта після сеансу баротерапії. Опишемо їх стану за допомогою лінгвістичних змінних:
L1 = "Стан нервової системи",
L2 = "Стан серцево-судинної системи",
L3 = "Стану дихальної системи",
L4 = "Стан шлунково-кишкового тракту".
L5 = "Загальний результат лікування".
Всі ці змінні характеризуються термами ("дуже погано", "погано", "нормально", "добре", "дуже добре").
3) Кардіоаналізатори - містить в собі всі параметри варіабельності серцевого ритму (SDNN, RMSSD, Cv, Mo, AMo, Si, CCI, CCO і багато інших). Функція «вважати сигнал» займається отриманням кардіограми для конкретного пацієнта. Функція «розрахувати параметри» аналізує кардіограму і отримує на її основі ВСР параметри [9]. Параметри, що характеризують ті чи інші показники утворюються шляхом аналізу варіабельності серцевого ритму (ВСР) і всі вони залежать безпосередньо від параметрів контролю (режиму барокамери). Дослідження та аналіз варіабельності серцевого ритму є сучасною методологією вивчення стану механізмів регуляції фізіологічних функцій у людини. Серце як індикатор адаптаційних реакцій всього організму "відкликається" на найрізноманітніші внутрішні й зовнішні впливи. Незважаючи на неспецифічний характер спостережуваних змін ВСР вони дають важливу інформацію про стан найбільш важливих систем організму. відображає динамічний процес зміни інтегральних функцій організму в процесі гіпероксіческого впливу. У фізіологічних дослідженнях вважається, що неспецифічні механізми адаптації найбільш адекватно і технологічно оцінюються за допомогою похідних математичного аналізу ритму серця. Тобто для знаходження оптимального режиму барокамери, потрібно провести глибокий аналіз параметром ВСР пацієнта.
4) Модуль нечіткої логіки - займається обробкою даних про пацієнтів в результаті яких формуються нові найбільш підходящі режими лікування (параметри барокамери). Природно, що параметри контролю барокамери по різному діють на різні системи організму і не мають яких-небудь точних формул і розрахунків, тому що кожен організм - суто індивідуальний і найчастіше реакції можуть бути не зовсім очікуваними. Тому для «зв'язування» параметрів управління барокамерою з параметрами стану організму були обрані нечіткі системи, тому що неможливо чітко визначити залежність між керуючими параметрами барокамера і відповідною реакцією систем організму. Для того щоб найбільш успішно провести лікування пацієнта і прискорити його одужання, необхідно встановлювати найбільш «високі» значення параметрів контролю, але при цьому необхідно враховувати, що це може негативно позначитися на значеннях параметрів стану систем організму пацієнта.
Відповідно загальний результат лікування пацієнта представимо функцією:
F (C1, C2, C3, C4, C5) (1)
Припустимо, що ця функція є сепарабельному, тобто її можна представити:
F (C1, C2, C3, C4, C5) =? Fi (Ci) (2) де i = 1,2,3,4,5 - номер керуючого параметра
Припустимо, що залежності між різними системами організму і параметрами контролю описуються з допомогою функції і вони є також сепарабельному, тобто:
Zj (C1, C2, C3, C4, C5) =? Zij (Ci) (3) де i = 1,2,3,4,5; j = 1,2,3,4 де i - номер керуючого параметра, j-номер характеристики внутрішньої системи організму.
Для отримання конкретних режимів (керуючих параметрів барокамери) нам необхідно розглянути 2 завдання:
1. Отримати найбiльше значення змінної «загального результату лікування хвороби» і при цьому зберегти працездатність систем організму, тобто необхідно максимізувати F (C1, C2, C3, C4, C5) і при цьому виконати умову Zj (C1, C2, C3, C4, C5) <= X, j = 1,2,3,4; Число Х вказує максимальний рівень , який забезпечує лікування хвороби.
2. Мінімізувати негативний вплив оксигенації на організм і добитися позитивного рівня лікування, тобто задача зводиться до мінімізації функції Zj (C1, C2, C3, C4, C5) і при цьому необхідно виконати умову F (C1, C2, C3, C4, C5)> = X, де Х вказує мінімальний рівень, який забезпечить лікування хвороби. Тут ми можемо припускати, що X € [0,1], де Х = 0 - початок лікування, а Х = 1 - кінець лікування.
В результаті виконання цих умов буде підбиратися оптимальний режим (керуючі параметри) барокамери.
5) Лікар — сполучна ланка між усіма компонентами системи, тобто послідовно взаємодіє з усіма блоками системи для досягнення кращого результату.
Для наочності представимо цю модель у вигляді діаграми послідовності:
На першому кроці лікар опитує пацієнта, в результаті чого отримує інформацію про пацієнта. Потім на другому кроці модуль нечіткої логіки на основі первинної інформації формує початковий режим лікування. На третьому кроці лікар встановлює отриманий режим у барокамеру і в процесі сеансу лікування формується кардіосхема пацієнта. Потім на п'ятому кроці лікар викликає функцію розрахунку параметрів варіабельності серцевого ритму на підставі отриманої кардіосхеми. Потім на шостому кроці лікар опитує пацієнта про його самопочуття після сеансу. Після цього на сьомому кроці лікар передає всю зібрану інформацію в модуль нечіткої логіки, в результаті чого будуть отримані нові найбільш підходящі керуючі параметри барокамери для пацієнта на наступний сеанс. Починаючи з восьмого кроку процедура буде повторюватися і з кожним новим сеансом будуть підбиратися найбільш відповідні параметри для конкретного пацієнта на підставі його поточного стану і характеристик.
Практична значимість отриманих результатів полягає у високій затребуваності даного роду систем у медичній сфері як на національному рівні, так і в усьому світі.
У ході виконання науково-дослідної роботи були проаналізовані існуючі роботи учених у даній сфері і висунуті вимоги до побудови власної системи. Основною вимогою є ефективність і гнучкість. Відповідно до виконаних науковим пошуком можна зробити висновок, що для побудова систем будуть використовуватися елементи нечіткої логіки і Data Mining для забезпечення індивідуальної тактики лікування для хворих. Була сформована об'єктна модель системи для наочного опису основних взаємодіючих вузлів системи.
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