Система поддержки принятия решений по оценке активности воспалительных процессов на основании анализа пассивных электрических свойств биопроб

Актуальность работы. Эффективность лечения и предупреждение осложнений воспалительных процессов во многом связаны не только с возможностью их надежного выявления на ранних стадиях, но и с возможностью регистрации активности их протекания в динамике. Это необходимо для получения прогноза дальнейшего течения заболевания и выбора оптимальной тактики лечения. В настоящее время для исследования воспалительных процессов используются рентгенологические и биохимические методы, а так же методы рентгеновской и MP томографии, предоставляющие значительную информацию о характере патологического процесса. Однако применение этих методов отнимает значительное время и сопряжено с воздействием вредных факторов на организм, что не позволяет их использовать с высокой периодичностью и сильно затрудняет исследование воспалительного процесса в динамике. В этом отношении, перспективным является применение диагностических методов, основанных на исследовании пассивных электрических свойств биообъекта (ПЭС). Общие достоинства этих методов заключаются в абсолютной безвредности для организма, быстроте и оперативности применения, а также сравнительно низкой себестоимости.

Понятие пассивные электрические свойства включает в себя множество характеристик, определяющих электрическую реакцию объекта на воздействие внешнего электрического тока. Пассивные электрические свойства биообъекта заключают в себе значительный объем полезной информации, однако ее полное использование для постановки диагноза сталкивается с серьезными затруднениями. Из-за отсутствия четкой взаимосвязи с физиологическими параметрами биообъекта, представляющими интерес в плане постановки диагноза, параметры ПЭС биообъекта несут в себе значительную неопределенность. Увеличение числа принимаемых во внимание параметров неизбежно приводит к возникновению противоречий в процессе принятия диагностических решений. Вместе с этим, в силу особенностей мышления человек не в состоянии оперировать большим количеством параметров, что особенно ярко проявляется в условиях недостатка времени, типичных для большинства задач медицинской диагностики. Поэтому на практике обычно используется только малая часть полезной информации, заключенная в нескольких наиболее информативных параметрах ПЭС.

Одной из форм представления ПЭС является частотная зависимость импеданса. В настоящее время именно импедансометрия используется в биомедицинских исследованиях. А. Ф. Калашник предложил использовать импедансометрию для прогнозирования нагноения ран. В работе А. В. Давыдова предприняты попытки увеличения диагностической ценности импедансометрического метода при диагностике острого синусита за счет использования в качестве информативного признака «коэффициент активного сопротивления» (КАС), представляющий собой отношение активных низкочастотных и высокочастотных сопротивлений воспаленной биологической ткани.

Несмотря на отдельные успехи, реальная диагностическая ценность методов исследования ПЭС биообъекта в настоящее время остается слишком низкой, и результаты таких исследований являются малодостоверными. Это связано с тем, что информативность отдельных параметров импеданса биообъекта является сравнительно невысокой, а их связь с интересующими физиологическими параметрами биообъекта — сильно опосредованной. Низкая информативность импедансных параметров связана с присутствием в результатах реальных измерений значительной доли погрешностей, как случайного, так и систематического характера. Отсутствие четкой взаимосвязи между измеряемыми параметрами импеданса и физиологическими параметрами биообъекта, вызывает серьезные затруднения, вязанные с интерпретацией результатов измерений.

В настоящее время методики биоимпедансных исследований разработаны достаточно хорошо и существенное повышение информативности результатов исследований ПЭС биообъекта может быть достигнуто только за счёт использования других, более адекватных, способов представления ПЭС биообъекта и построения на их основе новых способов получения и обработки первичной измерительной информации о ПЭС. Причём достижение реального положительного эффекта в плане повышения качества постановки диагноза за счет увеличения числа измеряемых параметров, становится возможным, только при использовании автоматизированных систем поддержки принятия решений (СППР), позволяющих в условиях дефицита времени, на основании множества параметров ПЭС, давать четкие рекомендации по принятию оптимальных диагностических решений. Создание таких систем на основе методов исследования ПЭС является особенно актуальным, так как является единственным путем существенного повышения диагностической ценности и расширения области практического применения этих методов.

Работа выполнена в соответствии с внутренним грантом Пензенской государственной технологической академии за 2008 г. на тему «Информационно-измерительная система для исследования и контроля пассивных электрических свойств биообъекта» по направлению «Наукашаг в будущее».

Цель работы. Разработка системы поддержки принятия решений врача — хирурга, позволяющей повысить достоверность оценки активности протекания воспалительного процесса на основании данных о ПЭС отбираемых биопроб.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать адекватную математическую модель ПЭС биообъекта и эффективный метод её идентификации при наличии посторонних шумов;

— разработать методы компенсации случайной и систематической погрешностей измерения параметров ПЭС биообъекта;

— разработать специализированные алгоритмы принятия диагностических решений по оценке активности воспаления на основании параметров ПЭС биопроб, отбираемых в процессе лечения;

— реализовать СППР по оценке активности воспалительного процесса на основании данных о ПЭС отбираемых биопроб.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы системного анализа, методы математического моделирования, методы принятия решений, методы адаптивной идентификации линейных систем, методы деконволюции сигналов, методы редукции измерений, численные методы, методы статистики многомерных данных, нейросетевые методы, методы линейной оптимизации, методы электрохимического анализа.

Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

— двухуровневая иерархическая модель ПЭС биообъекта, отличающаяся наличием второго уровня иерархии, выполняющего функции компенсации влияния дестабилизирующих факторов и интерпретации результатов измерений параметров ПЭС биообъекта, позволяющая организовать эффективную процедуру обработки первичной измерительной информации.

— алгоритмы редукции измерений параметров ПЭС биообъекта, позволяющие скомпенсировать систематическую погрешность измерений, обусловленную несовершенством и нестабильностью характеристик аппаратной части системы поддержки принятия решений по оценке активности воспалительного процесса (СППР АОВП) в реальном времени.

— специализированные алгоритмы принятия решений по оценке активности воспаления, отличающиеся использованием в качестве информативных признаков коэффициентов многочленов числителя и знаменателя передаточной функции ПЭС биопроб и позволяющие повысить достоверность оценки активности воспаления.

— система адаптивной идентификации, отличающаяся сочетанием полигармонического сигнала с идеальной автокорреляционной функцией (АКФ), линейной модели ПЭС биообъекта с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) и градиентного алгоритма наименьших средних квадратов (НСК), обеспечивающая, при минимальной вычислительной сложности, быструю сходимость и точную оценку высокоинформативных параметров ПЭС биообъекта.

Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанные методики модели и алгоритмы позволяют повысить достоверность оценки активности воспалительного процесса и дают возможность прогнозирования дальнейшей динамики его протекания, на основании анализа ПЭС биопроб, что в свою очередь позволяет своевременно определить наиболее эффективную тактику лечения и сократить период пребывания больных в стационаре.

Результаты работы внедрены в учебный процесс Пензенской государственной технологической академии при подготовке специалистов по направлению 200 401 — «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», а так же используются в учебном процессе ГДО ДПО «Пензенский институт усовершенствования врачей Росздрава».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и форумах: Междунар. симп. «Надежность и качество» (Пенза, 2002) — XIII научных чтениях памяти академика Н. Н. Бурденко (Пенза, 2002) — XI Междунар. симп. «Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в системах медико-экологической безопасности» (Испания, Коста Дуарада, 2002) — V междунар. конф. «Радиоэлектроника в медицине» (Москва, 2003) — Междунар. конф. «Измерительные и информационные технологии в охране здоровья» (Санкт-Петербург, 2007) — Междунар. НТК «Современные информационные технологии» (Пенза, 2007) — XIV Междунар. НТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008) — XI Междунар. НТК «Медико-экологические информационные технологии — 2008» (Курск, 2008) — Междунар. НТК «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2008) — XXXIV Междунар. конференции и дискуссионного клуба «Информационные технологии в науке социологии экономике и бизнесе IT+SE'08» (Крым, Ялта — Гурзуф, 2008).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Двухуровневая иерархическая модель ПЭС биообъекта, позволяющая организовать эффективную процедуру обработки первичной измерительной информации, получаемой в процессе исследования ПЭС биообъекта.

2. Алгоритмы редукции измерений параметров ПЭС биообъекта, позволяющие скомпенсировать систематическую погрешность измерений, обусловленную несовершенством и нестабильностью характеристик аппаратной части системы поддержки принятия решений по оценке активности воспалительного процесса (СППР АОВП) в реальном времени.

3. Специализированные алгоритмы принятия диагностических решений по оценки активности воспалительного процесса на основании анализа ПЭС отбираемых биопроб, позволяющие повысить достоверность оценки активности воспаления за счёт использования множества параметров ПЭС. 4. Система адаптивной идентификации модели ПЭС биообъекта, позволяющая при минимальной вычислительной сложности достичь быстрой сходимости адаптивного процесса и высокой точности оценок высокоинформативных параметров ПЭС биообъекта. Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по теме диссертации опубликовано 20 печатных работ.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, в [5] лично автором проведен сравнительный анализ эффективности применения нейронных сетей различного типа при распознавании биообъекта, в [4,6,9] - лично автором проведено усовершенствование конструкции четырехэлектродных датчиков и проведен анализ областей его практического применения, в [8] - лично автором проведены исследования по улучшению воспроизводимости параметров ПЭС, в [10] - лично автором установлена теоретическая взаимосвязь ПЭС ДЭС с химическим составом электролита, в [11,16] - лично автором проведен анализ методов адаптивной идентификации и преимуществ их использования при исследовании ПЭС биообъекта, в [2,17,19] - лично автором разработана система сбора данных и алгоритмы обработки первичной измерительной информации, в [20] -лично автором проведен анализ методов принятия решений и разработаны нейросетевые алгоритмы построения решающей функции СППР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 145 страницах, включая 51 рисунок, 84 формулы, 11 таблиц. Библиографический список содержит 107 наименований источников.

Выводы по главе.

1. Предложена обобщенная структурная схема построения СППР ОАВП на основании ПЭС биообъекта позволяющая выделить основные элементы данной СППР, их взаимосвязи и сформулировать основные требования, предъявляемые к каждому из них.

2. Предложены надежные и практичные конструкции двухэлектродно-го поляризующегося датчика и четырехэлектродного контактного датчика для исследования ПЭС биожидкостей, обеспечивающие высокую информативность измерений параметров ПЭС.

3. Предложено использование в СППР ОАВП на основании анализа ПЭС биообъекта, в качестве генератора возбуждающего тока, однобитного ЦАП с токовым выходом управляемого двоичными минимаксными кодовыми последовательностями имеющего простую конструкцию и позволяющего обеспечить высокую точность воспроизведения требуемой формы тестового сигнала на физическом уровне.

4. В результате расчета и оценки нестабильности характеристик аналоговых фильтров установлено, что современные средства аналоговой фильтрации не позволяют в полной мере удовлетворить требованиям высокоразрядных АЦП по подавлению высокочастотных составляющих сигнала и устранению эффекта наложения спектров и для обеспечения высокой информативности измерений требуется восстановление искаженных сигналов посредством цифровой фильтрации.

5. Разработана действующая Simulink — модель СППР ОАВП на основании анализа ПЭС биообъекта, реализующая ее программную часть, позволяющая проводить исследования ПЭС биообъекта в реальном масштабе времени, осуществлять быстрый и оперативный контроль, многократно повторять измерения, а так же — реализовать мониторинг состояния исследуемого биообъекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения настоящей диссертационной работы были получены следующие результаты.

1. Предложена двухуровневая иерархическая модель ПЭС биообъекта, позволяющая реализовать эффективную обработку первичной измерительной информации, а так же интерпретировать данные измерений в терминах химического состава биообъекта.

2. Разработана адаптивная система на базе полигармонических тестовых сигналов с идеальной формой АКФ, алгоритма НСК и линейной параметрической модели типа ARX, обеспечивающая при минимальной вычислительной сложности, быструю сходимость и точную оценку высокоинформативных параметров ПЭС биообъекта.

3. Разработаны алгоритмы редукции измерений параметров ПЭС биообъекта, позволяющие скомпенсировать систематическую погрешность измерений, обусловленную несовершенством и нестабильностью характеристик аппаратной части СППР ОАВП.

4. Разработаны специализированные алгоритмы поддержки принятия решений на основе линейной решающей функции, формирующей обобщенный показатель активности протекания воспалительного процесса.

5. Разработана обобщенная структурная схема построения СППР ОАВП на основании ПЭС биообъекта, позволяющая выделить основные элементы данной СППР, их взаимосвязи и сформулировать основные требования, предъявляемые к каждому из них.

6. Разработана надежная конструкция двухэлектродного поляризующегося датчика для исследования ПЭС биожидкостей, обеспечивающая высокую информативность измерений параметров ПЭС.

7. Реализован и внедрен опытный образец СППР ОАВП на основании анализа ПЭС биообъекта, построенный на базе ПЭВМ и средств визуального моделирования Matlab — Simulink, позволяющий проводить исследования ПЭС биообъекта в реальном масштабе времени, осуществлять быстрый и оперативный контроль, многократно повторять измерения, а так же — реализовать мониторинг параметров ПЭС.