Метод и система мониторинга состояния водно-солевого обмена пациента в постоперационный период

Актуальность проблемы. В практической медицине сегодня прилагаются значительные усилия для решения проблемы опережающего распознавания различных патологий, а также осуществления контроля лечения пациентов. Особую важность данный контроль имеет в те периоды течения болезни, когда врачебная ошибка может привести к развитию тяжёлых осложнений или смерти пациента. Наиболее острой данная проблема является при лечении онкологических больных, состояние которых характеризуется наличием нарушений сразу в большом числе систем организма, что затрудняет использование большинство известных методик для получения оперативной и комплексной оценки состояния пациента. Тяжёлые формы ракового заболевания, приводят к метаболическим изменениям сразу на всех уровнях организации организма, сходный эффект оказывают на состояние пациента и серьёзные хирургические вмешательства. Результатом становится рассогласование протекающих в организме процессов, способное привести к утрате им гомеостатических свойств и летальному исходу. Таким образом, существует необходимость разработки, таких методик контроля и мониторинга состояния онкобольного и таких технических средств, которые бы с одной стороны были способны фиксировать изменения в функционировании максимально большого числа систем организма, с другой стороны обеспечивать информационную поддержку врачей на протяжении всего периода постоперационного лечения больного.

Одним из перспективных направлений решения этой задачи необходимо признать контроль состояния функционирования водно-солевого обмена организма, а также оценки содержания других компонентов, либо участвующих в наиважнейших физиологических процессах, либо косвенно отражающих их протекание. В свою очередь выбор данной методики анализа порождает необходимость создания соответствующего технического инструментария для её реализации.

Сам принцип мониторинга порождает многочисленные требования различного характера к разрабатываемым методикам. К ним можно отнестипростоту методики контроля, возможность осуществления его в реальном времени, безопасность, невмешательство в организм пациента и т. п. Контроль крови по содержанию в ней катионов в большинстве случаев представляется малоперспективным в рамках решаемых задач. Это вызвано тем, что кровь является важнейшей буферной системой организма, содержание важнейших веществ в ней имеет узкие, чётко фиксированные границы изменения, выход за пределы которых возможен только в случае тяжёлых патологий, и никогда не бывает продолжителен. Поскольку, при помощи многочисленных систем регуляции, организм стремится сохранить состав крови постоянным, патологический процесс будет протекать длительное время скрытно, и может принять угрожающий жизни характер, прежде чем будет проявлен клинически. В этом отношении, намного, большую ценность представляет контроль электрохимических характеристик и ионных параметров мочи, хотя бы потому, что значительная вариабельность её параметров во многом позволяет сохранять буферные свойства крови. Наиболее перспективным решением для развития системы мониторинга является использование ионоселективных электродов. Тем не менее, до настоящего времени метод прямой потенциометрии не получил широкого распространения в практической медицине из-за сложности интерпретации результатов измерений. Другим недостатком использования ионометрии в современной медицинской практике является также ограниченность информационной базы, используемой в настоящий момент, и включающей в себя только такие параметры как рН, К+, Са2+.

Существенное расширение информационной базы для диагностики требует применения новых методов математической обработки исходных данных и нового подхода к математическому моделированию биосистем. Многолетние исследования различных классических алгоритмов, показали, что медицинские задачи, отличающиеся нечеткой логикой и неявным характером, решаются традиционными методами с недостаточной точностью и информационной достоверностью для практического использования в конкретных задачах диагностики, прогнозирования и принятия решений. Таким образом, возникает необходимость использования математических методов, способных работать с нелинейными системами. Неявные задачи медицины являются привлекательными для применения нейросетевых технологий. Поэтому, именно в этой области, применение методов моделирования объекта при помощи нейронных сетей наиболее целесообразно.

Для преодоления указанных недостатков необходимо не только существенно расширить инструментальную базу при анализе биосред организма человека, но и выполнить глубокий анализ по интерпретации измеряемых параметров с позиций биохимии и физиологии. Создание алгоритмов диагностики при моделировании изучаемых биосистем служит основой для дальнейшей разработки мультисенсорной системы потенциометрического контроля мочи, используемой для мониторинга при лечении больных и массовом скрининге населения.

Наконец, необходимой является разработка самой технологии и системы мониторинга состояния онкобольного. Данная необходимость предполагает непосредственный выбор измерительных преобразователей, создание алгоритмического, технического и программного обеспечения системы.

Цель диссертационной работы состоит в разработке инструментального метода и системы диагностики и мониторинга состояния водно-солевого обмена пациентов с распространёнными формами онкологического заболевания в послеоперационный период.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи: — Выбор и обоснование пространства контролируемых признаков, на основе которых обеспечивается мониторинг состояния больного;

— Обоснование структуры и элементов инструментальных средств системы мониторинга;

— Разработка методик анализа, обработки и интерпретации экспериментальной информации, алгоритмов распознавания послеоперационных патологий;

— Разработка компонентов инструментального, алгоритмического и программного обеспечения системы мониторинга;

— Экспериментальная апробация системы в клинических условиях.

Методы исследования. Исследование базируется на методологии электрохимического контроля биосред, методах математического моделирования электрохимических процессов, методах обработки экспериментальных данных с помощью углубленной математической статистики, факторного анализа, разложения случайных функций в ряды Фурье, разработке математических моделей на основе теории нейронных сетей, методах экспертных оценок, анализе устойчивости колебательных процессов в здоровом организме и при патологии с помощью фазовой плоскости.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. При разработке системы мониторинга состояния водно-солевого обмена у пациента с распространенными формами ракового заболевания в после операционный период необходимо использовать информационное пространство диагностических признаков, учитывающее активности ионов К+, ЫН4+, величину рН, а также потенциалы ЬаБ3, Р^ Ag2S, Сс1 и ЕМ — электродов, позволяющее контролировать состояние водно-солевого обмена в организме пациента, использовать предложенные алгоритмы оценки состояния, методики обработки и модели, учитывающие динамику протекающих процессов в различных подсистемах организма.

Новые научные результаты.

В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

1. Новое пространство информационных признаков, обеспечивающих возможность мониторинга состояния пациента на основе изучения характера изменения в биосубстрате потенциалов девяти ионоселективных электродов с перекрестной чувствительностью, отражающих особенности функционирования различных подсистем организма человека.

2. Методика оценки состояния системы выработки и аккумуляции энергии человеческого организма, основанная на изучения динамики потенциала Иа — селективного электрода в биосубстрате, позволившая выделить области значений потенциалов, соответствующих различным степеням тяжести состояния больного. Исследования биосубстрата с использованием предложенной методики выявили стационарность процессов, связанных с колебаниями [Ма+] в моче здорового организма.

3. Методика диагностики интоксикаций организма ионами НБ" и Бе2+ в послеоперационный период, основанная на совместном измерении потенциалов Р1 — и Ag2S — электродов.

4. Методика обработки комплекса из 9 показателей ионометрии биосубстрата, отражающих изменение состояния пациента, включающая построение топологической карты Кохонена и ее интерпретацию с помощью факторного анализа, проектирования выделенных нейронов на плоскости Б, с нанесением на них векторов измеряемых параметров и изолиний выходной функции.

5. Обобщенный вероятностный критерий оценки тяжести состояния пациента, вычисляемый с помощью разработанной нейросетевой модели состояния пациента с распространенными формами онкологического заболевания.

6. Референтные границы измеряемых показателей в биосубстрате для здорового организма, при патологии и при состояниях близких к терминальному.

Практическую ценность работы составляют:

1. Информационное пространство, основанное на результатах потен-циометрических измерений ионных параметров мочи, обеспечивающее возможность мониторинга состояния водно-солевого обмена онкобольного при его послеоперационном сопровождении.

2. Совокупность предложенных элементов инструментального, алгоритмического и программного обеспечения системы мониторинга, позволяющая контролировать динамику изменения ионных параметров мочи на протяжении послеоперационного сопровождения пациента и обеспечивающая анализ результатов обследования.

3. Метод мониторинга состояния водно-солевого обмена пациента с распространёнными формами онкологического заболевания, на основе по-тенциометрического контроля мочи.

4. Система диагностики и мониторинга состояния пациента в после операционный период.

5. Результаты экспериментальной апробации разработанных методов и системы мониторинга состояния водно-солевого обмена пациентов.

Реализация. Результаты диссертационной работы были использованы в течение 10 лет при отработке новых методов лечения больных с распространенными формами ракового заболевания на кафедре торакальной хирургии СПб. Медицинской Академии последипломного образования и внедрены в практику работы отделения торакальной хирургии Городской больницы № 26.

Апробация. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2007;2012 гг.), научно-технических конференциях НТО РЭС им. A.C. Попова (2007;2012 гг.), Международном симпозиуме «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 20 062 012 гг.), Всероссийской научной школе по биомедицинской инженерии (БМИ — 2009, Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, из них 8 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых ВАК, 18 — в трудах международных и российских научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименований. Основная часть работы изложена на 159 страницах машинописного текста. Работа содержит 56 рисунков и 20 таблиц.

4.4 Выводы.

В процессе выполнения экспериментальной разработки системы мониторинга состояния пациента в послеоперационный период и ее апробации в клинических условиях были получены следующие результаты:

1. В соответствии с обобщённой структурной схемой системы, описанной в главе 2, разработан экспериментальный образец системы мониторинга состояния пациентов в постоперационный период. Экспериментальный образец прошел апробацию в отделении торакальной хирургии больницы № 26 Санкт-Петербурга.

2. В соответствии с результатами теоретических исследований, изложенных в главе 3, разработаны алгоритмы оценки состояния энергетики организма, диагностики и лечения воспалительных процессов и диагностики состояния антиоксидантной и антикоагуляционных систем организма.

3. Проведена экспериментальная апробация системы, показавшая, что использование системы позволяет прослеживать изменение состояния пациента в послеоперационный период.

4. Показана работоспособность предложенных алгоритмов оценки состояния энергетики организма, диагностики и лечения воспалительных процессов и диагностики состояния антиоксидантной и антикоагуляционных систем организма.

5. Показана работоспособность классификатора состояний пациента на основе карт самоорганизации Кохонена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящий момент одной из актуальных проблем медицинской практики является необходимость поиска эффективных систем мониторинга при лечении онкобольных, прежде всего в постоперационном периоде их лечения.

Анализ разрабатываемых систем мониторинга показал, что при реализации таких систем в основном упор делается на выбор в качестве контролируемого биосубстрата человека плазмы крови. Мнения широкого круга специалистов об использовании мочи для мониторинга в качестве биосубстрата человека весьма противоречивы. Причиной этого является недостаточная информативность применяемого в практике рутинного анализа мочи и отсутствие эффективных методов обработки получаемых результатов из клинической лаборатории.

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований, представленных в работе, доказана эффективность использования мочи в качестве биосубстрата для контроля состояния организма человека и разработана методология системы мониторинга, обеспечивающая повышение достоверности диагностики патологических отклонений при лечении больных в постоперационном периоде.

В результате выполненных исследований:

1. Осуществлён выбор объекта для мониторирования. Показано, что в качестве контролируемого биосубстрата при мониторинге состояния больных с распространёнными формами ракового заболевания моча характеризуется большей информативностью ионных параметров, по сравнению с кровью.

2. Определено новое пространство входных признаков системы мониторинга, включающее измеренные потенциалы девяти ионоселективных электродов с перекрестной чувствительностью, учитывающее особенности функционирования различных подсистем в организме человека. Представленная информационная модель системы мониторинга включает на входе контроль измеренных потенциалов композиции электродов: рН, К, 1ЧН4, ЬаБз, Р1, Ag2S, Сё и ЕМ. В работе раскрыт физиологический смысл выбранных параметров.

3. Осуществлена разработка технологии контроля ионных параметров выбранного биосубстрата (мочи), выбрана методика проведения измерений, — прямая потенциометрия, предложен алгоритм проведения измерений.

4. Предложены структура системы мониторинга, отражающая циркуляцию информационных потоков внутри системы, а также модель системы в виде чёрного ящика, описывающая взаимодействие системы с внешней по отношению к ней средой. На базе построенной информационной модели системы создан экспериментальный образец системы мониторинга состояния пациента в постоперационный период. Проведённая экспериментальная апробация системы, показала, что использование системы позволяет прослеживать изменение состояния пациента в послеоперационный период.

5. Предложена биохимическая модель натриевого потенциала человеческого организма, на основании которой показана возможность контроля состояния системы выработки и аккумуляции энергии организма по величине активности ионов натрия в моче.

6. Разработаны электрохимическая и дифференциальная модели диагностики интоксикации человеческого организма ионами Ее2+ и НБ. Анализ дифференциальной модели приводит к выводу о единстве этиологии форм Ее2+ - и НЭ" - интоксикации организма, которые являются следствием уровня водородного показателя. Этот вывод подтвержден клиническими наблюдениями.

7. Построены математические модели на основании карт самоорганизации Кохонена, описывающие патологические отклонения в системе ионного гомеостаза организма человека.

8. Разработан обобщенный критерий оценки степени нарушения электролитного баланса и эффективности лечебной стратегии в послеоперационном периоде.

9. Разработана методика математической обработки экспериментальных данных многопараметрического биообъекта. Методика включает построение топологической карты Кохонена, ее интерпретации с помощью метода факторного анализа, проектирование выделенных нейронов на плоскости главных компонент ^ - и нанесение на них значений физических векторов измеряемых параметров и изолиний выходной функции.

10. В соответствии с полученными результатами теоретических исследований, разработаны алгоритмы оценки состояния энергетики организма, диагностики и лечения воспалительных процессов и диагностики состояния антиоксидантной и антикоагуляционных систем организма. Экспериментальная апробация показала их работоспособность.

11. Определены референтные границы измеряемых потенциалов в биосубстрате человека для здорового организма, при патологии и при состояниях близких к терминальному.

12. Результаты исследований выполненной работы внедрены в практику лечения больных на базе кафедры торакальной хирургии МАЛО и отделения торакальной абдоминальной хирургии городской больницы № 26.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

АТФ — аденозинтрифосфат.

ЗИП — завод измерительных приборов (Гомель, Республика Беларусь).

ИБС — ишемическая болезнь сердца.

ИИТ — интенсивная инфузионная терапия.

КМ — кардиомонитор

КОС — кислотно-основное состояние.

ЛС — лекарственные средства.

МП — многослойный персептрон.

НС — нейронные сети н.х.с.э. — насыщенный хлорсеребряный электрод сравнения ОВП — окислительно-восстановительный потенциал ОРНС — обобщенная регрессионная нейронная сеть РБФ — радиальная базисная функция СОКК — самоорганизующиеся карты Кохонена.

ТАХ ГБ № 26 — отделение торакальной абдоминальной хирургии городской больницы № 26 ХТ — химиотерапия ЭКГ — электрокардиограмма ЭКС — электрокардиосигнал Эксц — эксцесс (куртозис) ЭН — энергетическая недостаточность ЭЭГ — электроэнцефалограмма.

АХ- - отклонение потенциала электрода от среднестатистической зависимости для здорового организма, мВ.

Ар8 — отклонение фактически измеренного потенциала Ag2S — электрода от значения, вычисленного по электрохимической модели, мВ Ag — потенциал Ag2Sэлектрода Сс1 — потенциал кадмиевого электрода.

— дисперсия еь — овп.

ЕМ — пленочный мембранный электрод (электрод нитрат селективный).

К — потенциал К — селективного электрода ка — коэффициент асимметрии.

Ьа — потенциал лантанфторидного электрода (ЬаЕ3).

Ме — медиана.

Мо — мода.

Ка — потенциал № - селективного электрода 1ЧН4 — потенциал ]ЧН4 — селективного электрода Р1 — потенциал платинового электрода СЬ — нижняя квартиль СЬ — верхняя квартиль АР — квартальный размах.

Хгармсредняя гармоническая.

Хгеомсредняя геометрическая.

Хсрсредняя арифметическая о — среднее квадратическое отклонение.

X — вектор состояния человеческого организма.