РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЖИМА БАРОКАМЕРЫ С ЦЕЛЬЮ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГИПЕРБАРИЧЕСКОЙ ОКСИГЕНАЦИИ
Аннотация
Руденко Б.С. Разработка модели формирования режима барокамеры для автоматизации процесса гипербарической оксигенации. В данной статье описывается модель формирования режима барокамеры, её компоненты, а также алгоритм получения новых управляющих параметров с помощью приведенной модели.
Общая постановка проблемы.
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. Гипербарическая оксигенация (ГБО) - это лечение кислородом под повышенным давлением в барокамерах [3]. При всех заболеваниях, когда доставка кислорода нарушена, развивается гипоксия (кислородное голодание) ткани данного органа. 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.
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. Специфика методики применения ГБО требует от врача дополнительных знаний в областях барофизиологии, устройстве бароаппаратов, методов контроля и анализа функционального состояния организма во время ГБО. 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. Для этого необходимо, прежде всего, построить адекватную модель управления барокамерой.
Постановка задач исследования.
Целью настоящего исследования является создание модели 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.
Решения задач и результаты исследования.
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 [5]:
♦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. Параметры, характеризующие те или иные показатели получаются путем анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР) и все они зависят непосредственно от параметров контроля (режима барокамеры) [4]. 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[1].
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:
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.
Выводы
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. Применение математического анализа ритма сердца позволило расширить диагностическую значимость биоэлектрической активности миокарда и повысить объективность оценки функционального состояния.
Вопрос дозирования 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.
В результате работы были получены следующие результаты:♦ Определены основные параметры контроля и управления работой гипербарической оксигенации.
♦ Разработана модель формирования режима барокамеры с целью автоматизации процесса гипербарической оксигенации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мусаев Е.И., Гаджиев П.К. Процессы управления барокамерой с использованием теории оптимизации и нечетких систем // Научно-практической журнал "Здоровье". Баку 1998 №4 С.48-49.
2. 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.
3. Ефуни С.Н. Руководство по гипербарической оксигенации.- М.: Медицина, 1986.- 416 с.
4. 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.
5. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование Matlab и fuzzyTECH , Петербург 2005 – 736 с