Принципы построения, структура и особенности компьютерной диагностической системы «Кардиовид»

Статья

тимои погрешности; система выращивает ряд генетических линий модели, которые конкурируют между собой в точности выражения искомой зависимости. Специальный транслирующий модуль такой системы data mining переводит найденные подмножества конъюнкций (каждое подмножество связано с одним термом выходной ЛП) в форму, удобную для принятия решения и понятную пользователю (лицу, принимающему решение).

Типовая схема применения KDD-технологии к реальным данным содержит следующие основные стадии: 1) постановка задачи; 2) организация сбора и хранения данных; 3) предобработка, включающая вычисление производных параметров, разбиение данных на обучающую и тестовую выборки, масштабирование и нормирование данных, очистку их от ошибок, и многие другие преобразования данных; 4) автоматический анализ данных (data mining), использующий различные методы KDD; 5) анализ и интерпретация полученных знаний, включающие оценку значимости и других характеристик обнаруженных знаний; 6) интеграция полученных знаний с другими компонентами системы поддержки принятия решений или другой информационной системы.

Литература

1. Токарев В.Л. Основы теории обеспечения рациональности решений.

2. Мерцалов А.А. Алгоритм эволюционного синтеза моделей в технологии Data Mining. // Известия ТулГУ. Серия Вычислительная техника. Управление.- Тула, 2003.- С. 79-86.

USING OF COMPUTER TECHNOLOGIES FOR AUTOMATION OF MEDICAL INFORMATION ANALYSIS

S.M. AFANASIEVA Summary

Possibilities of the using computer technology for automation of the analysis to medical information are considered. It is offered in base of the medical data analysis to place the methods of the extraction of the knowledge discovery in databases (KDD), which allow selecting the narrow group of the factors, from which depends the interesting researcher a feature, and presenting the discovered regularity in analytical form.

Key words: computer technologies, analysis

УДК 616.12-008.3-073.96

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, СТРУКТУРА И ОСОБЕННОСТИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КАРДИОВИД»

О.Н. БОДИН*

Медицина базируется на биологических, физических, химических и технических науках, «подталкивая» их развитие. Успехи диагностики и лечения обусловлены развитием этих наук и компьютеризацией и автоматизацией исследований.

Цель работы - обоснование принципов построения и структуры компьютерной диагностической системы (КДС) «Кардиовид», предназначенной для оценки состояния сердечнососудистой системы (ССС) и основанной на неинвазивных методах обследования пациента. Сердечно-сосудистые заболевания занимают первое место в числе причин смертности, поэтому компьютеризация диагностики состояния ССС является актуальной задачей. При инфаркте миокарда коронарная недостаточность ведет к нарушениям процессов деполяризации и реполяризации, что отражается на ЭКГ. Анализ ЭКГ позволяет специалисту судить о степени повреждения миокарда. Компьютерная диагностика состояния ССС поможет кардиологу в анализе ЭКГ.

Трудность построения компьютерной диагностики в кардиологии обусловлена ее междисциплинарным характером и главными проблемами при этом являются занесение знаний кардиологов в компьютер и разработка методов обработки кардиологической информации на этой основе. Сложный характер функционирования ССС определяет множество методов и

средств оценки ее состояния [1]. Общим критерием оценки диагностических систем является эффективность функционирования:

с ,

где Кг - коэффициент готовности системы, Р - производительность / функциональные возможности системы (сложная функция, зависящая от алгоритма работы КДС), С - стоимость системы. Создание компьютерной диагностики включает в себя: анализ фактов, лежащих в основе теории. Факты или данные о состоянии ССС получены в результате проведенного определенным методом исследования ССС; разработка принципов построения компьютерной диагностики состояния ССС; моделирование состояния ССС; планирование и проведение эксперимента на модели ССС; выявление закономерностей в результате проведенных исследований модели ССС; сравнение выявленных закономерностей с фактами и корректировка 2-го, 3-го и 4-го этапов в случае несоответствия; построение КДС оценки состояния ССС.

На кафедре «Информационно-вычислительные системы» Пензенского государственного университета разработана КДС, позволяющая по данным анализа ЭКГ и флюорографии локализовать и визуализировать повреждения миокарда. Это является главной отличительной особенностью разработанной КДС.

В основе работы КДС «Кардиовид» лежат принципы:

1. Аксиоматически-дедуктивный принцип. КДС находится на стыке дисциплин и междисциплинарный характер «накладывает» свой отпечаток на аксиоматику КДС. Аксиомы постулируются в кардиологии, теории систем, вычислительной технике и информатике. Только в этом случае функционирование КДС будет эффективным. Суть аксиоматически-дедуктивного принципа заключается в разложении ССС на более простые и слабо связанные между собой подсистемы, анализ и математическое описание которых ограничивается только явлениями, происходящими в подсистемах, и не представляет существенных затруднений. Функционально ССС подразделяется на подсистемы: гемодинамики, электродинамики, анатомо-физиологическую и вегетативную подсистемы, а все пространство признаков подсистем ССС - на непересекающиеся множество областей.

Основная функция ССС - обеспечение кровотоком организма. Выполнение этой функции ведется за счет сердечных сокращений. Сокращения сердца стимулируются подсистемой электродинамики, основа функционирования ССС заложена в подсистеме электродинамики, поэтому ее исследование является приоритетным направлением исследований в кардиологии. Ритмические сокращения сердца связаны с распространением по его объему волны электрического возбуждения. В результате сердце создает вокруг себя периодически меняющееся электрическое поле, которое исследуется в КДС «Кардиовид»;

2. Принцип подобия, т.е. отношения соответствия, в случае полного подобия ряда процессов, существенных с точки зрения решения поставленной задачи диагностики состояния ССС, являющейся открытой диссипативной автоколебательной системой, структура которой в общем виде состоит из источника энергии, регулятора, автоколебательной системы и контура обратной связи, и в основе функционирования которой лежат нелинейные колебательные процессы. Работа каждой из подсистем ССС описывается системой дифференциальных уравнений, форма которых зависит от вида подсистемы и задачи.

Для ССС справедлив термодинамический постулат И.Р.Пригожина [2]:

dS_

dt

deS d!S dt dt ’

dS > 0

Рис. 1. Компьютерная модель трехмерного изображения сердца

К„ хР

Г

Э =

* Пензенский государственный университет, г. Пенза, Россия

О.Н. Бодин

В открытой системе общее изменение энтропии dS происходит независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой deS, либо за счет необратимых внутренних процессов diS. Пригожин И.Р. доказал, что если система не очень удалена от стационарного состояния термодинамического равновесия, то скорость изменения энтропии внутренних процессов dS>0^•min В рамках термодинамического подхода возможно предсказание поведения открытой системы по изменению ее энтропии. Главная трудность заключается в учете изменения всех термодинамических величин во времени в ходе процессов открытой системы.

Соотношение подобия имеет вид Р^^=т, где Р^ ^ - сходные параметры процессов рассматриваемых систем, т - коэффициент подобия. Установление взаимосвязи между подсистемами ССС является задачей, решаемой в КДС «Кардиовид»;

3. Принцип моделирования. Основным характерным признаком модели является то, что она способна замещать объект на определенных этапах и дать при исследовании информацию о нем. Разработка математической модели (ММ), «подходящей» для решения задачи, является наиболее сложной. Для описания в ММ ССС должно быть задано три основных

множества: множество значений входных

величин; множество значений выходных величин; и множество значений переменных состояния ССС. Критериями выбора ММ являются: адекватность, минимум энтропии, дисперсии, среднеквадратической ошибки. Существует много моделей, описывающих электрическую активность сердца с момента возникновения импульса возбуждения в синусовом узле до момента регистрации ЭКГ на поверхности тела пациента. Из всего многообразия можно выделить следующие общепризнанные модели: распространения возбуждения в нервном волокне (модель Ходжкина - Хаксли [3] в модификации Франкенхаузера); распространения возбуждения в сердечной мышце (модель Алиева - Панфилова [4]); мультипольную модель электрического генератора сердца (модель Титомира Л.И. [5]). Формально взаимодействие моделей можно представить в виде Ф @)=Р(а^ф) при ф0=ч(ю), где Р - функционал модели Титомира Л. И.; а - параметры модели Титомира Л.И.; q(t)=G(p,j(t)) при Я0=]Оо) -фронт распространения волны возбуждения в возбудимой среде (сердечной мышце); где G -функционал модели Алиева - Панфилова; р -параметры модели Алиева - Панфилова; j(t)=H(Y,í(t)) при jo= ^0) - импульс распространения возбуждения по проводящей системе сердца; где Н - функционал модели Ходжкина - Хаксли в модификации Франкенхаузера; у - параметры модели Ходжкина - Хаксли в модификации Франкенхау-зера; ^) - генератор тока в модели Ходжкина - Хаксли в модификации Франкенхаузера.

4. Принцип визуализации или наглядного представления процесса функционирования ССС. Именно наглядное представление области повреждения миокарда позволит повысить эффективность диагноза и лечения. Пользователь КДС

имеет возможность сопоставления изменений ЭКГ с повреждениями миокарда на реалистичной компьютерной модели трехмерного изображения сердца пациента (рис. 1) [6], выделять составные анатомические части сердца, перемещать, вращать, приближать и удалять изображение модели сердца пациента, строить сечения изображения модели сердца пациента.

КДС «Кардиовид» реализована с помощью компьютера и программного обеспечения. Алгоритм работы КДС «Кардиовид» приведен на рис. 2 [7]. На рис. 2 приняты обозначения: 1 - регистрация ЭКГ; 2 - анализ информационных параметров ЭКГ; 3 -локализация и визуализация повреждений на модели сердца пациента; 4 - синтез ЭКГ; 5 - сравнение синтезированной ЭКГ с зарегистрированной ЭКГ; 6 - выдача предварительного диагноза; 7 - регистрация флюорографии; 8 - анализ информационных параметров флюорографии; 9 - коррекция. Первоначально ведется регистрация электрокардиографических и флюорографических данных (рис. 2). Затем по ЭКГ определяются повреждения миокарда, а на данные флюорографии накладывается модель сердца и путем совмещения и нелинейного масштабирования ведется «подгонка» данных модели к данным флюорографии. В итоге определяется «геометрия» сердца, на которую накладывается полученное в результате анализа ЭКГ повреждение миокарда. Далее сравниваются ЭКГ, полученная в результате моделирования состояния ССС, с зарегистрированной ЭКГ и, в случае их совпадения, выдается предварительный диагноз. В случае несовпадения корректируются результаты анализа и моделирования.

КДС «Кардиовид» имеет дружественный интерфейс и модульную, открытую архитектуру с возможностью наращивания выполняемых функций по текущим потребностям пользователя, осуществляет ведение базы данных; регистрацию ЭКГ; просмотр ЭКГ и определение информационных параметров ЭКГ; анализ ЭКГ на предмет заболеваний; просмотр флюорографии и выделение контура сердца по флюорографии; моделирование и визуализацию состояния ССС пациента; сервисные и вспомогательные функции: копирование файлов, функции работы с окнами, обмен данными через буфер, настройка системы. В заключение необходимо отметить, что отечественных аналогов КДС «Кардиовид» в настоящее время нет. Известные аналоги приведены в табл.

Таблица

Аналоги КДС «Кардиовид»

Страна-разработчик Источник информации Назначение Методы диагностики Цена, $

Поликар- диограф ERP-8200 Россия, Екатеринбург, ЗАО ТЭСО http ://home.ural.ru/~einhoven/ Оценка состояния ССС Ритмография, реография и фонокардиография. 5000

Цифровой анализатор биоритмов «Омега-М» Россия, Санкт-Петербург, Лаборатория «Динамика» httD://dvn.ru/ Анализ биологических ритмов Фрактальный анализ ЭКГ 3950

КардиоВи- зор БИОСС Азербайджан, http: //rustamsamedov .narod.ru Оценка состояния ССС Анализ ЭКГ, визуализация 10000

Модели- рующий комплекс EKGSIM Голландия, www.ecgsim.org Моделирование состояния ССС Математическое моделирование, визуализация -

Кардиосистема Innova 2000 США, компания General Electric Оценка состояния ССС Компьютерная томография, визуализация более 1млн.

КДС «Кардиовид» Россия, ПГУ Оценка состояния ССС Анализ ЭКГ, мат. моделирование, визуализация 5000

Расчет по формуле (1) с учетом данных табл. показывает высокую экономическую эффективность функционирования КДС «Кардиовид» по сравнению с аналогами.

Литература

1. www.cardiosite.ru.

2. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций.- М.: Мир, 1973.- 280 с.

Статья

3. Frankenhaeuser B., Huxley A. // J.Physiol.- 1964.- №2.— 302-315 p.

4. Aliev R., Panfilov A. // Chaos, Solitons & Fractals.— 1996.— Vol. 7, №3.— P. 293—301.

5. Титомир Л.И., Кнеппо П. Математическое моделирование биоэлектрического генератора сердца.— М.: Наука — Физмат-гиз, 1999.— 448 с.

6. Бодин О.Н. и др. // Тез. докл. 7 Всерос. с участием стран СНГ конф. «Методы и средства обработки сложной графической информации».— Нижний Новгород.— 2003.— С. 15—16.

7. Патент № 2004107011/14(007326) Способ диагностики состояния сердечно-сосудистой системы. / О.Н. Бодин и др.

УДК 616.153.495.2-07

ГЕМОДИАЛИЗНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ РАБОТЫ В ВЫЕЗДНЫХ УСЛОВИЯХ

М.Ю. АНДРИАНОВА*, В.М. ГРИНВАЛЬД**, О.В. КОРОТКОВА***, В.Л. ЭВЕНТОВ*

В клинической практике зачастую возникает необходимость в безотлагательном проведении пациенту гемодиализа (ГД), у] не всегда имеется возможность транспортировки больного в специализированный центр. В большом масштабе оперативное лечение ГД впервые было реализовано оборудованием аппаратами «искусственная почка» полевых госпиталей во время войн в Корее и Вьетнаме [1]. Накопленный американцами опыт показал высокую эффективность экстренного применения ГД в лечении краш-синдрома, острой почечной недостаточности, отравлений боевыми отравляющими веществами. Первый мобильный аппарат «искусственная почка» был разработан и изготовлен нами на базе серийного аппарата фирмы «Тгауепо1». Он был дооборудован измерителями артериального и венозного давления, солемером и индикатором прорыва мембраны диализатора. Бригада, состоящая из врача, техника и медсестры, выезжала с аппаратом в ЛПУ и проводила по 2-3 сеанса ГД до подготовки пациента к переводу в стационар. Аппарат мог работать в любом помещении, а для подготовки его к работе требуется 30-40 мин.

Следующая модель мобильного аппарата «искусственная почка» была изготовлена с использованием базовых модулей аппарата АК-10 фирмы <ЮатЬго» [5]. Аппарат был дооборудован мобильным баком емкостью 150 литров. На задней стенке бака располагалась система очистки воды, включающая в себя ионо-обменник и активированный уголь, датчики уровней и насос. В транспортном варианте модули помещались внутри бака, и габариты установки составляли всего 550x500x500 мм (рис. 1).

Рис.1. Аппарат «искусственная почка» в транспортировочном виде

С помощью модернизированного передвижного аппарата можно производить: ацетатный ГД. В бак через патрон водоочистки наливается вода из любого источника, а заборник концен-

Российский Научный Центр Хирургии РАМН, 119992, Москва, Абрико-С*овский пер., д.2, тел. 248-15-87 Закрытое Акционерное Общество Всероссийский научноисследовательский институт медицинского приборостроения (ВНЙЙМП-ВЩА), 127422, Москва, Тимирязевская ул., д.1, тел. 979-68-74

«Euro Aqua Drill», 107053, Москва, ул. Большая Спасская, д.12, офис 109-110, тел. 937-89-66

трата соединяется с ацететатным концентратом. 150 литров воды хватает для проведения 5-часового сеанса ГД; бикарбонатный ГД. В баке разводится 5,35 литров бикарбонатного концентрата «Б», а заборник концентрата помещается в емкость с кислотной частью концентрата «А»; гемосорбцию. Используется только блок перфузии крови; ГД со специальным составом диализи-рующего раствора (ДР). В баке разводятся реактивы ДР; ГД с рециркуляцией ДР (особенно в помещениях, не оборудованных даже раковиной). Аппарат применяется по своему прямому назначению: проведение ГД у больных, находящихся на искусственной вентиляции легких; проведение ГД со специальным (нестандартным) составом ДР; проведение экстренных сеансов ГД нетранспортабельным пациентам и др.

Рис.2. Схема аппарата «искусственная почка» для медицины катастроф

Катастрофы и стихийные бедствия происходят в непредсказуемых местах. Поэтому требования к применяемой при оказании помощи пострадавшим медицинской аппаратуре особенно жесткие: она должна быть мобильной, малогабаритной, особо надежной и готова к максимально быстрому запуску. Специфика поражения людей при катастрофах диктует специальные требования к медицинским аппаратам, и, в частности, к «искусственной почке»: пациентам нельзя проводить продолжительный сеанс ГД и резко снижать концентрацию уремических метаболитов. Схема аппарата, отвечающего этим требованиям, изображена на рис. 2.

Аппарат состоит из емкости (1) размерами 400x300x700 мм, разделенной внутренней перегородкой на 2 бака по 40 литров. Емкость градуирована в мл и выполнена из небьющегося прозрачного материала. Чистый подогретый ДР из половины емкости (1а) через регулятор давления ДР (2) поступает в диализатор (8), из которого роликовым насосом (6) перекачивается во вторую половину емкости (1б). Кровь пациента перфузируется через диализатор (8) насосом (5) и через ловушку воздуха (11) возвращается обратно. Давление ДР фиксируется датчиком (3). Измерители артериального (4) и венозного давления (9) обеспечивают контроль гемодианамических показателей пациента. Датчик уровня крови (11) предотвращает попадание воздуха в кровяное русло пациента. Скорость перфузии ДР меняется синхронно со скоростью кровотока и равна 200-250 мл/мин, таким образом 40 литров ДР хватает на 2-3 часа ГД, что достаточно для этой категории пациентов. Ультрафильтрация считывается как разница между начальным объемом диализирующего раствора и суммой объемов в двух частях бака по мерной линейке (1в).

Пример. Больной К. 34 часа пролежал под завалом. В результате сильного удара, длительного сдавливания и переохлаждения тела у него развилась острая почечная недостаточность. На момент оказания медицинской помощи биохимические показатели крови составляли: мочевина - 420 мг%, креатинин - 25 мг%, калий - 7,8 ммоль/л. После проведенного 2,5-часового ГД мочевина снизилась до 200 мг%, креатинин - до 16 мг%, калий - до 4,9 ммоль/л. Самочувствие пациента улучшилось, и он был транспортирован в медицинское учреждение.

В начале 70-х годов XX века за рубежом началась разработка мобильных аппаратов «искусственная почка» с регенерацией ограниченного объема ДР [6]. Эти системы не нуждались в водоподготовке, были небольшими и могли работать в любом помещении. Нами была разработана и изготовлена серия аппаратов «искусственная почка» с сорбционной регенерацией ДР (рис. 3), в них через диализатор рециркулировалось 30 литров беска-лиевого ДР [2]. Регенерация ДР велась попеременно двумя патронами с активированным углем. Очищали ДР от органических