Факторный и кластерный анализ показателей гемодинамики и микроциркуляции в оценке тяжести состояния и прогнозировании исходов хирургического лечения больных ишемической болезнью и приобретенными пороками сердца

Несмотря на значительные успехи медицины в области профилактики и лечения заболеваний, патология сердечно-сосудистой системы в настоящее время занимает ведущее место в общей структуре заболеваемости населения страны /Н.М.Амосов и соавт., 1971;В.И.Бу-раковский и соавт., 1982; Е. И. Чазов, 1982/. Наиболее частыми и црогностически неблагоприятными поражениями сердечно-сосудистой системы являются ишемическая болезнь и приобретенные пороки сердца. Распространенность и высокий процент неблагоприятных исходов при оперативном лечении указанных болезней диктуют необходимость поиска новых способов диагностики заболеваний.

Постоянно возрастающий интерес к вопросам применения математических методов и электронно-вычислительной техники в медицине в значительной мере поддерживается теми затруднениями, с которыми сталкивается врач в своей повседневной работе. В свою очередь, последние обусловлены увеличением числа новых методов получения диагностической информации. Растет число анализов, тестов и других способов обследования, дающих значительное число показателей, сложность интерпретации которых повышается по мере развития современных методик и аппаратуры для физиологического, биохимического и структурного анализов.

Наиболее известными и распространенными в области решения медицинских задач являются традиционные методы автоматической классификации. К настоящему времени известно несколько десятков способов классификации, позволяющих объективизировать процесс цринятия медицинских решений. К ним относятся, в первую очередь, распознавание заболеваний, классификация болезней и состояний, прогнозирование течения патологии, нахождение наиболее существенных факторов, влияющих на возникновение, течение и лечение патологических состояний. Однако, неудовлетворительные результаты, полученные с использованием известных методов классификации, приводят либо к созданию новых подходов, либо к модификации уже известных. Обилие же методик обусловливает значительные затруднения в выборе алгоритма распознавания и ввдвигает на первое место проблем выявления и обоснования метода классификации, наиболее подходящего для решения данной конкретной задачи.

При построении распознающих систем важно знать реальные свойства разных алгоритмов в условиях их практического применения. Лишь в незначительной части известных нам публикаций имеются данные об относительной эффективности алгоритмов классификации /А.А.Дорофеюк, 1971; Ш. Ю. Раудис и соавт., 1975; А. О. Поляков, 1979; Г. Соломон, 1980; 0?.P, Yunck, 1980 и др./. Зачастую авторы, предлагающие новый способ построения классификации, не приводят результаты его применения, не сравнивают с известными методами. Неполнота представления некоторых публикуемых результатов затрудняет использование новой методики в дальнейших исследованиях /К.М.Каримов, 1974; Р. Т. Абдукаримов и соавт., 1975; И. В. Сергиенко и соавт., 1983 и др./.

Как указывает Ш. Ю. Раудис /1975/, имеется много недостатков и в методике сравнения: объемы обучающих выборок, как правило, невеликирезультаты обычно не усредняютсяотсутствуют данные о методике экспериментачасто не указывается объем обучающей выборки и характеристики ее распределенияизвестные алгоритмы называются новыми именами, из которых не ясно, какой именно применяется алгоритмпочти во всех случаях отсутствует хотя бы беглое описание данных /выборок, типа распределения признаков/ и т. д.

Б немногочисленных обзорах по методам распознавания образов проводится их качественное сравнение, которое либо охватывает часть алгоритмов, либо носит лишь описательный характер без приведения результатов применения сравниваемых методов классификации к конкретным задачам /Н.Г.ЗНитков, 1970; O. Frank, 1976; Р. Р. Сокал, 1980/.

Цель работы.

Исследовать эффективность применения методов автоматической классификации для ввделения факторов системной гемодинамики и микроциркуляции в оценке тяжести состояния больных ишемической болезнью и приобретенными пороками сердца.

Основные задачи исследования.

1. Провести сравнение методов автоматической классификации состояний, описываемых количественными и качественными признаками.

2. Изучить реологические и микроциркуляторные факторы доопе-рационного, операционного и послеоперационного периодов у больных ишемической болезнью и приобретенными пороками сердца.

3. Исследовать эффективность применения методов автоматической классификации для прогнозирования послеоперационных осложнений у больных, оперированных в условиях искусственного кровообращения.

4. Провести анализ гемодинамичееких факторов, определяющих особенности течения послеоперационного периода.

5. Разработать рекомендации по применению методов автоматической классификации в кардиохирургии.

Научная новизна.

Дана сравнительная характеристика применения методов факторного и кластерного анализа в хирургии. Выделены факторы системной гемодинамики и микроциркуляции для оценки тяжести состояния больных после операций на сердце. Исследована эффективность прогнозирования патологических состояний с помощью методов факторного и кластерного анализа. Показано, что использование методов автоматической классификации в хирургии позволяет получить принципиально новую информацию о ведущих факторах^ характеризующих гемодинамические, реологические и микроциркулятор-ные показатели у больных приобретенными пороками и ишемической болезнью сердца на этапах оперативного лечения.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В случае классификации состояний, описываемых качественными признаками, цри отсутствии достаточного количества информативных признаков наиболее эффективным оказывается применение метода групповых среднихметод Уорда является наиболее устойчивым к «защумляющим» факторам.

2. При классификации состояний, описываемых количественными признаками, в условиях наличия малого числа высокоинформативных признаков предпочтительней использовать метод Уорда, медианный метод и метод групповых средних.

3. Ведущими факторами, характеризующими реологические и микрощфкуляторные особенности состояния кардиохирургических больных, следует считать вязкостный, вязкостно-плазматический и суспензионный факторы. Важнейшими гемодинамическими факторами в раннем послеоперационном периоде являются факторы, характеризующие производительность сердечно-сосудистой системы, преднагрузку и постнагрузку.

4. Метод црогнозирования послеоперационных осложнений у больных, оперло ванных с искусственным кровообращением.

Практическая ценность.

Выделены контингенты больных с нарушением реологических свойств крови и микроциркуляции и различным риском осложнений в раннем послеоперационном периоде. Обоснованы вязкостный, метаболический и суспензионный факторы, определяющие течение послеоперационного периода у больных приобретенными пороками и ишемической болезнью сердца. Показано, что воздействие на эти факторы позволяет оптимиз1фовать тактику ведения больных. Определены гемо-динамические факторы раннего послеоперационного периода у больных приобретенными пороками сердца.

Внедрение в практику.

Методические и программные аспекты работы внедрены в практику Киевского научно-исследовательского института сердечно-сосудистой хирургии МЗ УССР, Киевского ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института туберкулеза, пульмонологии и грудной хирургии им. акад.Ф. Г. Яновского, Киевского научно-иеследо-вательского института клинической и экспериментальной хирургии МЗ yGCP, Ереванского филиала Всесоюзного научного центра хирургии, санатория им. В. И. Ленина Сочинской группы санаториев.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований были доложены на:

1. Всесоюзном научно-техническом совещании «Опыт разработки и црименения УВК CM-I и СМ-2 СМ ЭВМ и перспективы их развития». Северодонецк, 9-II сентября 1981 г.

2. I Всесоюзной конференции по физиологической кибернетике. Москва, 1981 г.

3. 1У республиканской научно-практической конференции «Итоги разработки и внедрения автоматиз! фованных систем управления в здравоохранении РСФСР и перспективы их развития. Москва, 1981 г.

4. 1У конференции анестезиологов-реаниматологов Украинской ССР. Львов, май 1982 г.

5. Республиканской научно-практической конференции «Применение ЭВМ в биологии и медицине». Киев, 28−30 сентября 1982 г.

6. Республиканской научной конференции «Актуальные воцросы патологии сердечно-сосудистой системы и органов дыхания». Киев, 1981 г.

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

— 129 -ВЫВОДЫ.

1. Исследование эффективности методов автоматической классификации состояний, описываемых качественными признаками показало, что в случае наличия достаточного числа информативных признаков наиболее уместным оказывается применение метода Уорда. При малом же их числе предпочтительней использовать метод групповых средних. Кроме того, метод Уорда является наиболее устойчивым к «зашумляющим» факторам, что позволяет использовать его в условиях, когда имеется большое количество показателей, информативность которых большей частью остается неизвестной.

2. Исследование эффективности методов автоматической классификации состояний, описываемых количественными признаками, показало, что при наличии неполных данных или при отсутствии достаточного количества высокоинформативных признаков наиболее эффективным является метод Уорда, медианный метод и метод групповых средних.

3. Ведущими факторами, характеризующими реологические и мик-роциркуляторные особенности состояния больных приобретенными пороками сердца до и во время операции, следует считать вязкостный и вязкостно-плазматический. В раннем послеоперационном периоде наиболее значимыми являются суспензионный и вязкостно-плазматический факторы.

4. Применение методов автоматической классификации позволило в 88,1% случаев прогнозировать появление послеоперационных осложнений у больных, оперированных с искусственным кровообращением.

5. Ведущими гемодинамическими факторами в раннем послеоперационном периоде являются факторы, характеризующие производительность сердечно-сосудистой системы, преднагрузку и постнагрузку.

6. Построенные факторные модели агрегатного состояния крови и микроциркуляции больных приобретенными пороками сердца в раннем послеоперационном периоде позволяют оценивать нарушения функционального состояния организма.

— 118 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Заболевания сердечно-сосудистой системы в настоящее время являются самыми распространенными в мире. Они занимают первое место среди причин потери трудоспособности и летальных исходов больных. В последнее время, благодаря успехам кардиохирургии, появилась возможность эффективного лечения врожденных и приобретенных пороков сердца, перикардитов, некоторых заболеваний сосудов. Однако, несмотря на достижения хирургии сердца, операции зачастую сопровождаются тяжелыми послеооперационндаи осложнениями: сердечной, легочной, почечно-печеночной недостаточностью. Распространенность и большое количество неблагоприятных исходов при оперативном лечении больных сердечно-сосудистыми заболеваниями диктуют необходимость поиска более эффективных методов диагностики патологических состояний. Именно поэтому в последнее время значительно возрос интерес к применению математических методов обработки и анализа результатов медицинских исследований. Наиболее известными в области решения медицинских задач являются методы автоматической классификации. К ним относятся: распознавание болезней и состояний, прогнозирование течения заболеваний, нахождение наиболее существенных факторов, влияющих на возникновение и течение заболевания.

Анализируя литературные данные, обобщающие опыт применения методов классификации, можно сказать, что они носят описательный характер без приведения сравнения методов классификации и их применения к конкретнда задачам.

В связи с этим целью настоящей работы явилось исследование эффективности применения методов автоматической классификации для ввделения факторов центральной гемодинамики и микроциркуляции в оценке тяжести состояния больных ишемической болезнью и приобретенными пороками сердца.

Для достижения поставленной цели были вьщвинуты следующие основные задачи исследования:

1. Провести сравнение методов автоматической классификации состояний, описываемых количественными и качественными признаками.

2. Изучить реологические и микроциркуляторные факторы доопе-рационного, операционного и послеоперационного периодов у больных приобретенными пороками и ишемической болезнью сердца.

3. Исследовать эффективность применения методов автоматической классификации для прогнозирования послеоперационных осложнений у больных, оперированных в условиях искусственного кровообращения.

4. Провести анализ гемодинамических факторов, определяющих особенности течения послеоперационного периода.

5. Разработать рекомендации по применению методов автоматической классификации в кардиохирургии.

Для решения поставленных задач были использованы данные обследования больных кардиохирургического и общехирургического профиля. Материал исследования был разбит на две группы: тестовый и клинический. Первая группа — тестовый материал — группа больных кардиохирургического профиля с диагнозом: недостаточность митрального и аортального клапанов. У 50% пациентов с этой патологией в раннем послеоперационном периоде отмечалась острая сердечно-сосудистая недостаточность. В эту группу также входили больные общехирургического профиля с послеоперационным перитонитом, механической и функциональной непроходимостью кишечника.

Вторую группу наблюдений — клинический материал — составили больные с кардиохирургической патологией /317 случаев/, оперированные в Киевском НИИ сердечно-сосудистой хирургии по поводу приобретенных пороков и ишемической болезни сердца.

В связи с тем, что в основе патогенеза многих осложнений после операций с применением искусственного кровообращения лежат внутрисосудистые изменения микроциркуляции, были использованы данные исследования реологических свойств крови и микроциркуля-ции.Учитывались также показатели центральной гемодинамики и данные клинических наблюдений.

В ходе выполнения работы был разработан специализированный программный комплекс, ориентированный на диалоговый режим работы. В его состав вошел рад программ, реализованных на языках «БЭЙСИК», «ФОРТРАН-2», «ФОРТРАН-4» систем ОУС и ДОС РВ ЭЕМ серии АСВТ-М М-6000 и позволяющих оценивать информативность количественных и качественных признаков, а также проводить факторный и кластерный анализ исследуемых данных.

Программа кластерного анализа обеспечивала возможность использования шести основных подходов к оценке расстояния между кластерами при работе с предварительно подготовленным блоком данных. Программа факторного анализа позволяла выделять факторы, отражающие наиболее существенные внутренние закономерности исследуемой совокупности наблюдений.

Диалоговый режим работы программ обеспечивал решение широкого круга задач, связанных с применимостью и оценкой рада статистических метрик, характеризующих качество автоматического разделения, возможность выбора методов оценки факторных нагрузок и задания широкого круга параметров, определяющих условия сходимости полученных значений.

Особенностью программного комплекса явилось широкое использование одних и тех же модулей в программах кластерного и факторного анализа. Оптимальная организация вычислительного процесса достигалась обоснованным сегментированием программных модулей, что обусловило низкие требования к объему ОЗУ.

С целью изучения разделительных свойств методов автоматической классификации в условиях их практического использования исследовались шесть процедур кластер-анализа и метод факторного анализа в применении к данным количественного и качественного типа.

Для сравнения исследуемых процедур кластерного анализа с точки зрения их чувствительности к информативности и количеству используемых исходных показателей на основе качественных данных было проведено два модельных эксперимента. В ходе первого эксперимента из исходной таблицы данных удалялись постепенно один за другим признаки, начиная с показателя с наибольшим значением информативности, а затем все последующие по мере убывания их информативности. На каждом очередном этапе эксперимента, соответствующем определенному количеству удаленных признаков, проводилась кластеризация объектов всеми исследуемыми методами, определялось число правильно распознанных объектов и число ошибочных распознаваний, в процентах к общему числу наблюдений в таблице данных.

Проведенный эксперимент позволил установить области применения рассматриваемых методов кластер-анализа. Так, в случаях наличия достаточного количества информативных признаков наиболее уместным оказывается применение метода Уорда. В то же время, при малом их числе предпочтительней использовать метод групповых средних.

В ходе второго эксперимента изучались закономерности, связанные с участием в процессе классификации признаков, недостаточно информативных, носящих «вторичный» характер и существенно затрудняющих врачебную диагностику. Наличие таких признаков в решении медицинских задач, как правило, имеет место, так как объем анализируемой совокупности чаще лишь незначительно превосходит размерность пространства признаков. Исследования показали, что для всех методов отмечается тееденция к росту числа правильных распознаваний при относительном постоянстве числа ошибок. Однако, для центроидного метода имеет место постоянный рост числа правильных классификаций, в то время как для метода групповых средних и метода максимального локального расстояния кривая правильных распознаваний после довольно быстрого возрастания переходит в «плато». Крайне незначительное изменение кривых правильных и ошибочных распознаваний для метода Уорда свидетельствует о малой чувствительности этого метода к наличию неинформативных признаков.

Таким образом, метод Уорда является наиболее устойчивым к «зашумляющим» факторам. Даже участие в классификации значительного числа неинформативных признаков не ухудшает правильности распознавания более, чем на 2%. Центроидный, медианный методы и методы групповых средних и максимального локального расстояния оказываются значительно более чувствительными к неинформативным признакам и, в особенности, это относится к центроидному методу.

Исследование данных обследования больных сердечной недостаточностью и без нее /количественные данные/ с помощью факторного анализа позволило вьделить наиболее важные факторы, описывающие функциональное состояние сердечно-сосудистой системы. Первый фактор, гемодинамический, объединяет параметры: МОС, минутный индекс, ударный объем сердца, ударный иццекс, общее периферическое сопротивлениевторой характеризует объем циркулирующей крови.

Отображение исследуемых данных в пространство первых двух факторов позволяет сделать вывод о возможности вццеления двух достаточно разнесенных групп объектов: больные с острой сердечной недостаточностью и без нее. Исследование материала с точки зрения вццеления степеней сердечной недостаточности, проведенное с помощью кластерного анализа, показало, что метод Уорда дает результат, который соответствует клинической картине исследуемого материала /разделение больных на две группы: с острой сердечной недостаточностью и без нее/. Центроидный метод, медианный и метод групповых средних дают подобную классификацию, но позволяют вццелить в отдельные группы два наблюдения, характеризующиеся наименьшей выраженностью расстройств кровообращения. В то же время применение метода кластеризации по максимальному локальному расстоянию /деление больных на три группы/ не оправдано, так как не имеет достаточно обоснованной клинической интерпретации.

Проведенное сравнение методов автоматической классификации на основе количественных данных позволило сделать вывод о том, что метод Уорда и факторный анализ являются достаточно эффективными для автоматической диагностики сердечной недостаточности у больных приобретенными пороками сердца в раннем послеоперационном периоде. Метод Уорда, медианный метод и метод групповых средних оказались наиболее устойчивыми в условиях наличия неполных данных или при отсутствии достаточного количества высокоинформативных /с точки зрения разделения исследуемой совокупности объектов на классы/ признаков. Это позволяет использовать их в ситуациях, когда сбор полной информации о больном и регистрация всего набора признаков невозможны, например, из-за сложности некоторых исследований, что довольно часто встречается в практической медицине.

С целью изучения возможности применения факторного и кластерного анализа для прогнозирования послеоперационных осложнений у кардиохирургических больных были использованы данные, характеризующие внесосудистые, сосудистые и внутрисосудистые нарушения микроциркуляции, а также гемодинамичеекие и метаболические критерии.

Анализ результатов, полученных с помощью факторного анализа, позволил вьщелить обобщенные факторы, характеризующие гемодинамичеекие и реологические особенности состояния больных приобретенными пороками сердца. Ведущими среди них были вязкостный, суспензионный и осмотический, а также гемодинамичеекие /АД сист., АД диаст., ЦВД/ и метаболические /рН, ЕЕ, рС02 артериальной крови/ критерии.

С помощью метода главных компонент нами была определена возможность прогнозирования геморрагических осложнений в первые дни после протезирования клапанов сердца. На оси абсцисс откладывались значения вязкостного фактора, в состав которого входили вязкость крови и плазмы, на оси ординат — значения суспензионного фактора /седиментация эритроцитов и показатель агрегации/. Исследовалась взаимосвязь субдуральных гематом и значений вцце-ленных факторов по дооперационнш, операционным и ранним послеоперационным данным. Наилучшие результаты получены при использовании дооперационных показателей. Основная масса наблюдений была рассеяна в третьем и четвертом квадрантах. Среди них б наблюдений составили группу, расположенную на границе второго и третьего квадрантов, причем у всех больных этой группы в послеоперационном периоде наблюдались нарушения функции центральной нервной системы. Пять больных этой группы умерли. На вскрытии.

— 125 были обнаружены различные по объему субдуральные гематомы. Выявить связь операционных показателей и геморрагических осложнений не удалось. По-видимому, число действующих факторов намного превышает число использованных.

С целью получения объективного критерия оценки реологических свойств крови для прогнозирования осложнений в послеоперационном периоде у больных ишемической болезнью сердца нами выделено два ведущих фактора, характеризующих реологические и ге-модинамические особенности состояния больных.

Первый фактор, вязкостный, является интегральным показателем, объединяющим признаки: гематокрит, динамическая вязкость крови в микрососудах при различных скоростях сдвига, электропроводность крови, гемоглобин. Второй фактор: седиментация и показатель агрегации эритроцитов.

При исследовании зависимости течения послеоперационного периода от выраженности реологических нарушений у больных ИБС до операции было обнаружено, что лица с высоким гематокритом, высокой динамической вязкостью крови в микрососудах, а также высоким показателем агрегации эритроцитов более длительное время находятся на лечении в клинике, чем больные с нормальными показателями. Факторный анализ позволил разделить исследуемых больных на две группы. Первая группа характеризовалась сравнительно гладким послеоперационным течением, летальных исходов в этой группе не было. Во второй груше отмечены такие тяжелые послеоперационные осложнения, как острая почечно-печеночная недостаточность, инфаркт миокарда, тромбозы. Летальность составила 36,3%. Детальный клинический анализ больных с осложненным послеоперационным периодом показал, что повышение вязкости крови, агрегации эритроцитов и тромбоцитов, нарушение обмена фибриногена зависит от осо.

— 126 бенностей течения ишемической болезни сердца. Наблюдаемые при ИБС сдвиги в системе гемореологии и микроциркуляции можно трактовать с точки зрения единого синдрома распространенного диссеми-нированного свертывания крови.

Применение факторного анализа позволило получить объективный критерий для прогнозирования послеоперационных осложнений. Были предложены формулы, позволяющие определить, к какой из двух прогностических групп отнести больного.

Найденные изменения со стороны гемореологии у больных ИБС до операции и их непосредственная связь с патогенезом послеоперационных осложнений указывают на необходимость коррекции нарушений реологических свойств крови на всех этапах оперативного лечения больных ИБС.

Важной задачей данной работы было вьщеление с помощью кластерного анализа различных состояний нарушения микроциркуляции и соответствующих им групп признаков. Учитывалось 47 признаков. Все признаки имели качественную природу дихотомического типа. СоглаI сно проведенным экспериментальным исследованиям, в условиях наличия таких данных наиболее эффективным методом распознавания является метод Уорда. Вццелены три группы признаков, характеризующих различную степень нарушения микроциркуляции.

К первой степени сосудистых нарушений относятся: умеренная извитость, неравномерность калибра вецул, частичный спазм арте-риол, артериоло-венулярное отношение не более 1:2, внутрисосуди-стые изменения, характеризовались живым, непрерывным кровотоком и нестойкой мелкозернистой агрегацией. Ко второй степени сосудистых и внутрисосудистых изменений относятся: выраженная неравномерность калибра, полный спазм, артериоло-венулярное отношение не менее 1:5,замедление кровотока, в отдельных венулах стаз, крупнозернистая агрегация эритроцитов. И, наконец, к третьей степени нарушений относятся: сплошной спазм, обширные зоны запустения, вплоть до полного исчезновения капилляров, мелких артериол и венул, крупнозернистая стойкая агрегация, замедление кровотока, микротромбозы.

Анализ изменений бульбарной микроагнископии в первые сутки после операции по отношению к исходным данным и сопоставление этих показателей в зависимости от структуры послеоперационных осложнений выявило, что наибольший процент осложнений отмечен среди больных, у которых в первые сутки по сравнению с исходными показателями наблюдалась Ш степень нарушения микроциркуляции.

Методом факторного анализа были вццелены факторы, характеризующие состояние центральной гемодинамики и микроциркуляции кар-диохирургических больных в раннем послеоперационном периоде /табл.6.