Модель внешнего дыхания, как информационная основа автоматизированной научно-исследовательской системы

Заключение

Исследована методика расчета стержневых конструкций методом конечных элементов и выполнено применение данной методики для расчета аппарата внешней фиксации.

Полученные результаты удовлетворяют достаточным условиям и, следовательно, полученная методика расчета элемента аппарата внешней фиксации может быть применена для расчета напряженно-деформированного состояния всего фиксирующего устройства.

Это позволит расчетным путем с достаточной достоверностью определять для незамкнутого внеш-

него фиксирующего устройства усилия в стержнях и местах соединения, составляющих его элементов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ.-М.: Мир, 1984.-428 с.

2. Пат. 2220677 РФ, Устройство для репозиции и фиксации переломов костей таза/А.ВБушманов, М.А. Серов, Н.В.Назаренко//Бюл.-2004.-№1.-6 с.

3. Бушманов А.В., Серов М.А. Анализ взаимодействия тяги мышц и гравитационных сил в области тазового кольца человека//Вестник АмГУ.-2004.-Вып.25-С.31-33.

УДК 532.135:

Н.В.Ульянычев, Ю.М.Перельман, В.Ф.Ульянычева

МОДЕЛЬ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ, КАК ИНФОРМАЦИОННАЯ ОСНОВА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ СИСТЕМЫ

ГУ Дальневосточный научный центр физиологии и патологии дыхания СО РАМН, Амурский государственный университет, Благовещенск

РЕЗЮМЕ

Проведен анализ роли и места модели внешнего дыхания при создании и эксплуатации автоматизированной системы для исследования дыхательной функции человека. При этом получено:

1. Модель вместе с практическими задачами формирует структуру автоматизированной научноисследовательской системы, включая набор методик обследования пациентов и снимаемых при этом характеристик. 2. Модель служит основанием для выбора диагностически ценных параметров при синдромальной диагностике тех или иных функциональных нарушений. 3. Модель является источником гипотез о поведении исследуемой системы и требует создания аппарата для проверки этих гипотез. Имеет место и обратное соотнесение: система формирует гипотезы, а те служат для модели источником усовершенствования и развития, что приводит к росту возможностей системы в целом. 4. При решении задачи по обеспечению ведения пациента в рамках стационара с привлечением современных информационных подходов (экспертные системы, автоматизированные системы принятия решений, информационно-консультационные системы) модельные представления выступают как средства структуризации информации.

SUMMARY

N.V.Ulianichev, Yu.M.Perelman, V.F.Ulianicheva

LUNG RESPIRATION MODEL AS INFORMATION BASIS OF AUTOMATED RESEARCH SYSTEM

We have analyzed lung respiration model and its role in creating and maintaining automated system to study human respiration function. We have obtained the following data: 1. The model forms the structure of automated research system including techniques of examining patients and analyzing data obtained. 2. The model serves as a basis for choosing diagnostically significant parameters when it is necessary to diagnose given functional disturbances. 3. The model allows us to make hypotheses about system behavior under study and requires us to create a tool to check these hypotheses. There might be a reversed course: the system leads us to make hypotheses, which enable us to improve the model. This results in improving the system. 4. With modern computer technologies (expert systems, automated decision making systems information-consulting systems) increasingly being used in treating patient, simulated conceptions serve as a means of structuring information.

С точки зрения общей теории систем [2] математические методы пригодны как для феноменологического описания систем в терминах входов-выходов, так и для телеологического (целеориентированного) описания в терминах согласования условий и результатов по определенным целевым функциям. Те и другие описания являются количественными, однако первые предполагают более полную априорную информацию об исследуемом объекте (системе), а вторые уточняют и доопределяют исходную информацию в ходе исследования (познавательные модели [4]). К разряду последних относится и разработанная нами [7] модель внешнего дыхания, предназначенная для исследования дыхательной системы человека.

При выполнении экспериментальных исследований [1] одновременно используются математические модели исследуемых процессов, и проводится сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Если теоретические и экспериментальные результаты совпали в пределах погрешностей использованных методик измерения, это свидетельствует о подтверждении представлений, лежащих в основе математической модели.

Если же теоретические и экспериментальные результаты не совпадают (что более интересно), этот результат направляет исследователя на изыскание факторов, которые ранее не были известны и, следовательно, не учтены в рамках математической модели. Математическая модель создает возможность предварительной количественной проверки различных гипотез относительно факторов, действие которых привело к расхождению теоретических и экспериментальных результатов. Вводя в математическую модель дополнительно гипотетические факторы, можно установить, в какой мере влияние этих факторов устраняет имеющееся расхождение теории и эксперимента. Таким образом, математическая модель не только позволяет обнаружить несоответствие, объясняющееся новыми, ранее неизвестными факторами и взаимодействиями, но и проверить гипотезы по поводу этих факторов. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов ведет к постановке новых экспериментальных исследований, целью которых является изыскание причин наблюдаемого расхождения.

Для того чтобы такой анализ был возможен, исследовательская система по своей структуре, наполнению, совокупности измеряемых параметров и методов обработки должна позволять проводить идентификацию модели. С другой стороны, научное исследование в медицине ведется неотрывно от лечения пациента и с безусловным приоритетом последнего. Поэтому функционирование научноисследовательской системы также должно быть подчинено этой цели, что делает ее частью более глобальной системы ведения пациента в лечебнодиагностическом учреждении. Такой подход имеет и преимущество, связанное с тем, что сразу строится система практической проверки современного теоретического представления, данных и фактов отображенных (реализованных) в непрерывно обновляющейся модели.

Интеграция модели внешнего дыхания в автоматизированную научно-исследовательскую систему

Реализация модельного подхода при построении автоматизированной научно-исследовательской системы включает следующие этапы: выбор методик обследования, измеряемых характеристик, определение структуры и наполнения базы данных, формы представления информации. В ходе исследований ведется реальный лечебно-диагностический процесс и проверка модели. Поэтому совокупность параметров, потенциально определяемых у каждого пациента, должна обеспечивать все эти процессы. Определяемые параметры по своему характеру можно разделить на 3 категории. Данные, имеющие строго определенную словесную форму (анамнез, диагноз, социально-гигиенические данные и т.д.), далее называемые персональными данными. Данные, имеющие произвольную текстовую форму (заключения врачей, субъективные замечания по ведению пациента) и, наконец, численные результаты обследования пациента. В настоящей работе эти результаты структурно разбиты на 30 частей, каждая из которых соответствует исследованию определенного звена дыхательной системы, однозначно представленного моделью. Выбор звена практически определяет метод обследования. Поэтому указанные 30 частей данных представляют по сути 30 различных "on" и "off line" методов обследования. К ним относятся:

1. Спирометрия*.

2. Поток-объем форсированного выдоха*.

3. Диффузионная способность легких методом одиночного вдоха*.

4. Диффузионная способность легких методом устойчивого состояния*.

5. Морфология респираторного отдела легких.

6. Рентгенграмметрия.

7. Бронхотермометрия*.

8-13. Эргоспирометрия*.

14. Бодиплетизмография*.

15. Растяжимость легких.

16. Чувствительность и возбудимость дыхательного центра методом возвратного дыхания*.

17. Газы крови.

18. Иммунологический статус.

19. Эхокардиография.

20. Зональная реография легких.

21. Морфология воздухоносного отдела легких.

22. Рентгено-денситометрия.

23. Морфология бронхо-альвеолярного лаважа.

24. Биохимический статус.

25. Токсичность биологических жидкостей.

26. Газотранспортная функция крови.

27. Пульмоносцинтиграфия.

28. Бактериологический статус.

29. Регуляция дыхания.

30. Миография дыхательных мышц*.

* - данные заносятся в процессе измерения (on line).

Спирометрия и поток-объем форсированного выдоха обеспечивают измерение объемных и скорост-

ных показателей вдоха-выдоха. Диффузиометрия двумя методами применяется для измерения коэффициента диффузии СО через альвеоло-капиллярную мембрану. Морфология респираторного и воздухоносного отделов используется для определения геометрических размеров структур дыхательных путей и альвеол. Рентгенграмметрия позволяет определять размеры трахеобронхиального дерева в верхних его отделах. Бронхотермометрия служит для измерения температур воздуха в просвете дыхательных путей в процессе дыхания с целью оценки кондиционирующей функции легких. Бодиплетизмография служит для измерения альвеолярного давления и расчета сопротивления дыхательных путей. Исследование растяжимости легких - методика, позволяющая определить упругие свойства легочной ткани. Возвратное дыхание используется для определения чувствительности и возбудимости дыхательного центра по вентиляторному ответу на гиперкапнический стимул. Газы крови - определение парциального давления кислорода и углекислого газа в артериальной, капиллярной и венозной крови. Зональная реография и пульмоносцинтиграфия - две методики, служащие для исследования регионарных функций легких (распределения вентиляции, перфузии и вентиляционно-перфузионных отношений по зонам легких). Ренге-ноденситометрия - измерение изменений оптической плотности легких в процессе дыхания для выявления регионарных нарушений легочной вентиляции. Газотранспортная функция крови - определение параметров крови, определяющих ее насыщение и разнасы-щение кислородом (р^ ШО2 и др.). Регуляция дыхания - определение окклюзионного давления за первые 0,1 с вдоха, отражающего активность дыхательного центра. Миография дыхательных мышц - измерение электрической активности дыхательной мускулатуры.

Остальные методики необходимы для обеспечения некоторого минимума обследований, требуемого согласно нормативным документам для пациента в стационаре. Набор данных по каждой методике и по их совокупности таков, что позволяет проверить любой вывод, вытекающий из модели.

Такое разделение информации по каждому пациенту является оптимальным с точки зрения естественности ее представления на экране с сохранением целостности восприятия (экран персональных данных и совокупность экранов для величин, полученных в результате проведенных обследований (один экран на методику), с произвольными текстовыми замечаниями по выполненному обследованию). Это же разбиение сохранено и в базе данных системы, так как одинаковые структуры внутреннего и внешнего представления данных позволяют организовать интерфейс между ними наиболее просто и надежно.

Отметим, что не только результаты обследования могут быть использованы для проверки модели, но и модельные представления позволяют проверить функционирование аппаратно-программного обеспечения разрабатываемой методики. Например, модель тепломассообмена показывает наличие функциональной взаимосвязи между температурой выдыхае-

мого воздуха и временем вдоха, а результаты измерений не имели достоверной корреляции. Выяснилось, что значения температуры были сильно искажены (хотя и вполне разумны), вследствие конденсации влаги на датчике температуры (термисторе). Это потребовало модификации измерительной установки с целью раздельного измерения температур в канале вдоха и канале выдоха. После этого желаемое соответствие было получено.

Согласование требований модели и медицинской практики при разработке автоматизированных методик обследования

При разработке методик обследования пациентов, особенно в режиме "on line", необходимо учитывать ряд требований, определяемых гуманным отношением к больному:

1) любое обследование должно идти на пользу пациенту и ни в коем случае не наносить ему вреда.

2) обследование должно носить минимальный травмирующий (как физически, так и психологически) эффект.

3) необходимо минимизировать отдаленные отрицательные эффекты обследования (например, последствия радиационного облучения).

С точки зрения проверки модели наиболее убедительным доказательством является прямое измерение рассчитанной величины или ее поведения. При этом приоритетом, безусловно, пользуются перечисленные выше три требования, а не требования модели. Например, при разработке методики миографии мы вынуждены были отказаться от использования игольчатых электродов и перейти к накожным, отказаться от измерения транспульмонального давления с помощью внутрипищеводного зонда. В исследовании тепломассообмена измерение температуры внутри дыхательных путей может проводиться только при плановой бронхоскопии. Поэтому большей частью приходится ориентироваться на измерение температуры у рта при различных дыхательных маневрах. Для компенсации потерянной информации усложняются методики обследования. Методика миографии включает в себя попытку вдоха при перекрытых дыхательных путях на уровне максимального выдоха, попытку выдоха на уровне максимального вдоха, максимальную вентиляцию легких и т.п. Исследование тепломассообмена включает в себя маневр жизненной емкости легких, задержки дыхания, форсированной жизненной емкости, субмаксимальной вентиляции холодным (-18°C) воздухом, длительного спокойного дыхания с определением корреляционных связей между температурными и объемноскоростными показателями. Вследствие этого результатами обследования являются, как правило, параметры, которые только косвенно (путем дополнительных расчетов) могут подтвердить либо опровергнуть положения модели. С другой стороны, такая ситуация требует разработки частных приложений общей модели с целью интерпретации результатов создаваемых методик обследования.

Сочетание практического опыта врача и теоретических представлений модели

при разработке диагностических алгоритмов

Общая схема формирования диагностического заключения имеет вид, соответствующий схеме представления информации. Вначале строится заключение по каждой из выполненных методик. Затем строится обобщенное заключение по их совокупности. На третьем этапе привлекаются персональные данные. Представления модели в основном используются на первом и в меньшей степени на втором этапе. Формирование диагностического заключения на первом этапе в самом простом виде состоит в выводе степени отклонения измеренных параметров от нормы (резкое, значительное, умеренное). Затем строится (выбирается), на основе измеренных параметров, вербальное заключение о нарушениях в исследуемом данной методикой звене системы (например, "умеренное нарушение вентиляционной функции по обструктивному типу"). Такой подход к диагностике позволяет не только присвоить имя-диагноз заболеванию пациента, но и дать развернутую картину этого заболевания. С другой стороны, он наиболее последователен с одной из общепринятых классификаций дыхательной недостаточности [3].

Таким образом, получаем, что разработка диагностических заключений по каждой выполняемой методике обследования, в которой проводится исследование выделенного на основе модели звена дыхательной системы, соответствует общепринятому на сегодня диагностическому приему синдромальной диагностики. Это обеспечивает достаточно четкий подход к разработке диагностических алгоритмов. Например, при диагностике вентиляционных нарушений важно знать локализацию нарушений: мелкие или крупные бронхи? Из уравнения связи альвеолярного давления со скоростью потока следует, что вклад в сопротивление крупных дыхательных путей тем меньше, чем меньше скорость потока (конец выдоха в маневре форсированного выдоха). Однако самый конец выдоха (модель механики) сильно зависит от усилия пациента. Существует диапазон (примерно середина выдоха), где эта зависимость минимальна. Поэтому оптимальным будет показатель (скорость потока), измеренный в некотором промежуточном положении. К числу таких показателей относится мгновенная скорость потока на уровне выдоха 75% жизненной емкости легких. После выбора параметра накапливается информация о нем, строится система регрессионных уравнений и должных величин. Затем параметр включается в алгоритм диагностики и, после накопления достаточного количества случаев, анализируется его специфичность, чувствительность и эффективность [8]. На основе этих критериев параметр либо принимается как диагностический, либо процесс начинается сначала, с поиска ошибки в рассуждениях о его выборе.

Статистический анализ информации - основной инструмент идентификации модели и источник материала для ее доработки

Статистический анализ накопленной информации является одним из самых продуктивных методов ис-

следования в медицине, что связано с существенно случайным характером медико-биологических данных. Построение диагностических алгоритмов, исследование эффективности применения новых лекарственных средств или целых методик лечения, изучение воздействия факторов окружающей среды - во всех этих случаях конечным результатом являются выводы, основанные на статистических оценках. Поэтому любая автоматизированная система для научных исследований в медицине, независимо от того, основана она на какой-либо модели или нет, должна включать в себя пакет статистической обработки.

Статистические методы являются одновременно и инструментом системного анализа [5, 6], позволяя путем использования корреляционного, регрессионного, факторного и дискриминантного анализа провести параметрическую идентификацию модели.

Проверка гипотез относительно сложной модели биологического объекта только статистическими методами и может быть проведена. Связано это с тем, что одномоментное измерение всех даже наиболее важных параметров, определяющих состояние системы, невозможно (зачастую просто из-за ограничений, накладываемых методиками измерения). Связь между параметрами, снятыми в разное время, может быть сильно искажена в результате какого-либо неучтенного воздействия на пациента за период между двумя обследованиями (выкуренная сигарета приводит к катастрофическому изменению диффузионной способности легких). Более достоверной будет такая связь для средних, по совокупности пациентов, величин, где влияние возможных воздействий будет уменьшено за счет усреднения.

Основные требования к пакету статистической обработки:

• Неразрывная связь с системой в целом по интерфейсу, структурно и внутренне, на основе естественного для врача представления о выборках из базы данных (группах пациентов с заданными характеристиками).

• Результаты обработки должны иметь несколько уровней представления: вербальный (интерпретация проведена самой системой), цифровой-обязательный -для правильной интерпретации и цифровой-дополнительный - для расширенной интерпретации. Пользователь, в зависимости от степени подготовки, может остановиться на том или другом уровне.

Еще одна сфера приложения методов прикладной статистики - определение характера и достоверности изменения результатов обследования в процессе лечения пациента (динамика данных) с целью прогнозирования его будущего состояния. В этом случае модули статистической обработки должны встраиваться непосредственно в систему анализа данных пациента и использоваться при диагностике и коррекции алгоритма лечения.

Выводы

В результате анализа роли и места модели внешнего дыхания в автоматизированной системе для ис-

следования дыхательной функции человека получено:

1. Модель вместе с практическими задачами формирует структуру автоматизированной научноисследовательской системы, включая набор методик обследования пациентов и снимаемых при этом характеристик.

2. Модель служит основанием для выбора диагностически ценных параметров при синдромальной диагностике тех или иных функциональных нарушений.

3. Модель является источником гипотез о поведении исследуемой системы и требует создания аппарата для проверки этих гипотез. Имеет место и обратное соотнесение: система формирует гипотезы, а те служат для модели источником усовершенствования и развития, что приводит к росту возможностей системы в целом.

4. При решении задачи по обеспечению ведения пациента в рамках стационара с привлечением современных информационных подходов (экспертные системы, автоматизированные системы принятия решений, информационно-консультационные системы) модельные представления выступают как средства структуризации информации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Балантер Б.И., Ханин М.А., Чернавский Д.Е. Введение в математическое моделирование патологических процессов.-М.: Медицина, 1980.-261 с.

2. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем.-М.: Мир, 1973.-344 с.

3. Низовцев В.П. Скрытая дыхательная недостаточность и ее моделирование.-М.: Медицина, 1978.274 с.

4. Петрова М.М., Шеломанов Н.Ф., Лисовский К.И. Оценка дыхательной функции легких с использованием мини-ЭВМ: Методические рекомендации.-Смоленск, 1985.-27 с.

5. Перегудов Д.И., Тарасенко Д.П. Введение в системный анализ.-М.: Высшая школа, 1989.-367 с.

6. Славин М.Б. Методы системного анализа в медицинских исследованиях.-М.: Медицина, 1989.304 с.

7. Ульянычев Н.В. Модель внешнего дыхания человека:Препринт.-Благовещенск, 1990.-57 с.

8. Computers and control in clinical medicine/Ed. E.R.Carson, D.G.Gramp.-New York: Plenum Press, 1985.-263 p.