автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Диагностика уровня миокардиального разреза и функционального состояния при ишемических повреждениях сердца у животных

V*" ,5 1 ... Ч8|р'*

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

Скопин Дмитрий Евгеньевич

ДИАГНОСТИКА УРОВНЯ МИОКАРДИАЛЬНОГО РЕЗЕРВА И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ИШЕМИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЯХ СЕРДЦА У ЖИВОТНЫХ

Специальность 05.13.09 (Управление в биологических и медицинских системах)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Кореневский Н.А.

Научные консультанты

доктор медицинских наук, профессор

Пичугян В.В.

доктор медицинских наук, профессор Покровский М.В.

Курск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................:....................................... 3

1. Аналитический обзор и постановка задачи на исследование......... 9

1.1. Анализ состояния проблемы............................................... 9

1.2. Постановка задачи на исследование..................................... 32

2. Разработка методов диагностики уровня миокардиального резерва

и функционального состояния.................................................. 35

2.1. Разработка структуры модуля определения функционального состояния миокарда и уровня миокардиального резерва объектов исследования...................................................................... 35

2.2. Определение списка информативных признаков..................... 39

2.3. Программно-технический комплекс выделения информативных признаков........................................................................... 52

2.4. Синтез подсистемы диагностики уровня миокардиального резерва и классификации функционального состояния...................... 60

2.5. Формирование банка решающих правил для задач диагностики уровня миокардиального резерва и классификации функционального состояния миокарда.......!................................................... 66

2.6. Выводы по главе............................................................. 77

3. Обучение по выбранным типам решающих правил..................... 78

3.1. Разработка комплекса нагрузочных проб и методов изменения функционального состояния миокарда...................................... 78

3.2. Синтез решающих правил для задач диагностики уровня миокардиального резерва и классификации функционального состояния 85

3.3. Программно-технический комплекс автоматизированной диагностики уровня миокардиального резерва и классификации функционального состояния миокарда животных................................ 106

3.4. Выводы по главе.............................................................. 111

Заключение......................................................................... 112

Список использованных источников.......................................... 114

Приложения........................................................................ 126

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на многочисленные исследования проблема дифференцированной коррекции нарушений сократимости миокарда при ишемической болезни сердца (ИБС) далека от своего решения. Принципиально, существует два подхода, заключающиеся, с одной стороны, в стимуляции сократительной активности интактных областей, и, с другой - в гемодинамиче-ской разгрузке сердца с целью предотвращения дальнейшего расширения очага ишемии и повреждения периинфарктной зоны. В то же время, в современной клинической и экспериментальной кардиологии отсутствует целостное представление о критериях оценки исходного состояния инотропно-го резерва миокарда, а также прогнозов эффективности использования того или иного подхода в фармакологической коррекции сократимости в условиях развития ИБС. Еще более сложным остается вопрос об использовании фармакологических средств при кратковременных (10-20 мин) ишемиях с последующей реперфузией, когда величина реакции на инотропные агенты зависит от сохранности систем энергообеспечения миокарда и кальциевой проницаемости биомембран.

Также одним из актуальных вопросов современной экспериментальной кардиологии и фармакологии остается совершенствование методов для оценки кардиопротекторной и стресслимитирующей способности известных препаратов и новых соединений, которые являются ключевыми при проведении экспериментальной проверки лекарственных форм. В то же время, разработка методов для экспериментальной оценки функционального состояния миокарда и нахождение величины остаточного миокардиального резерва у биологических объектов значительно приближают решение данных задач.

Любая сложная биологическая система построена по принципу иерархичности структур и многократного дублирования, при этом устойчивость организма к повреждающим факторам определяется не только мощностью

адаптивных механизмов, но и адекватностью реагирования регуляторных систем. В связи с этим для сложных биологических систем представляются наиболее адекватными способами оценки функционального состояния той или иной подсистемы - методы проведения нагрузочных проб, когда на вход системы подается воздействие и исследуются параметры вектора отклика на проводимое воздействие. Как показали результаты многочисленных исследований, качественно новых положительных результатов в этой области можно достичь при широком использовании современных информационных технологий. Кроме того, применение компьютерных технологий в данной области позволяет значительно сократить время и конечную стоимость результатов исследований.

На основании анализа современного состояния вопроса можно сделать вывод о том, что построение моделей для оценки уровня функционального состояния миокарда и миокардиального резерва как при ИБС, так и в ин-тактном состоянии, а также моделей для прогнозирования эффективности использования того или иного подхода в фармакологической коррекции при ИБС, хотя бы и на экспертном уровне, является проблемой весьма актуальной. С другой стороны, несмотря на отсутствие данных моделей, в настоящее время имеются практически все необходимые для их построения теоретические и методологические предпосылки. Исходя из сказанного, в данной работе производится попытка разработки системы для оценки величины инотропного резерва миокарда, прогнозирования течения ИБС и оценки эффективности использования различных подходов при фармакологической коррекции ИБС.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений целевой государственной программы Министерства здравоохранения РФ "Системный подход в изучении новых препаратов для оптимизации диспансеризации больных с артериальной гипертензией и ишемической болезнью сердца в популяции" при Курском государственном медицинском

университете и кафедре "Биомедицинские информационно-технические аппараты и системы" Курского государственного технического университета.

Целью диссертации является повышение качества и точности моделей диагностики уровня миокардиального резерва и классификации функционального состояния при ишемических повреждениях сердца у животных.

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

проведен поиск информативных критериев оценки сократимости миокарда и сформированы признаковые пространства для решения задач диагностики миокардиального резерва и классификации функционального состояния миокарда;

разработан и исследован ряд экспериментальных моделей с различным уровнем реактивности к инотропным воздействиям, позволяющих синтезировать модели диагностики уровня миокардиального резерва и классификации функционального состояния;

создана модель диагностики уровня миокардиального резерва и диагностический алгоритм классификации функционального состояния миокарда;

разработано программное обеспечение, реализующее предложенные модели и алгоритмы.

Объект исследования: лабораторные животные (обоеполые крысы линии Вистар), их сердечно-сосудистая система, с оценкой интегральной сократимости миокарда.

Методы исследования: в работе использованы элементы теории распознавания образов, нечетких множеств, прикладной статистики и моделирования.

Научная новизна: В диссертации построена модель диагностики уровня миокардиального резерва и показана зависимость между вектором параметров ответа сердечно-сосудистой системы на нагрузочные пробы и исходным уровнем резерва миокарда;

определена взаимосвязь между исходным уровнем миокардиального резерва и состоянием сердечно-сосудистой системы объекта исследования;

определены информативные показатели, отражающие функциональное состояние миокарда;

разработан алгоритм принятия решения о принадлежности исследуемой группы к одному из классов функционального состояния миокарда путем анализа модифицированного вектора параметров гемодинамической системы на нагрузочные пробы;

на основании полученной модели диагностики уровня миокардиального резерва разработан метод оценки эффективности фармакологической коррекции нарушений сократимости миокарда.

Практическая значимость. Разработанные методы и модели позволяют определить уровень миокардиального резерва и функциональное состояние миокарда, а также оценить эффективность использования известных и новых фармакологических средств при коррекции нарушений сократимости. Это дает возможность сформулировать практические рекомендации к выбору наиболее эффективных фармакологических препаратов в зависимости от варианта течения ишемической болезни сердца.

Реализация. Разработанные модели и алгоритмы классификации функционального состояния миокарда и диагностики уровня миокардиального резерва для оценки эффективности фармакологической коррекции нарушений сократимости при ИБС используются в практике на основе автоматизированного принятия решения. Подсистема выделения признаков и анализа сигнала давления используется в клинической практике в проктологи-ческом отделении Курской областной клинической больницы. Разработанные методы, модели и программное обеспечение, реализующие диагностику уровня миокардиального резерва и классификацию функционального состояния внедрены в экспериментальную работу Курского государственного медицинского университета и используются в учебном процессе Курского государственного технического университета.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Математическое моделирование и компьютерные технологии в современной медицине" (г. Харьков), Международной конференции "Материалы и упрочняющие технологии-97" (г.Курск), Международной конференции "Распознавание 97" (г.Курск), 17-й Международной конференции "Артериальная гипертензия" (г. Амстердам), Международной конференции "Медико-экологические информационные технологии" (г. Курск), научно-технических семинарах кафедры БИТАС КГТУ (г.Курск).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит список литературы из 120 наименований, изложена на 115 страницах машинописного текста в котором приведено 27 таблиц и 22 рисунков.

Во введении обосновывается актуальность работы, определяются цели и задачи исследования.

В первой главе кратко характеризуется современное состояние проблемы по диагностике, прогнозированию течения, оценки степени дисфункции при ИБС, анализу функционального состояния миокарда, ставится задача на разработку и исследование системы диагностики уровня миокардиаль-ного резерва и классификации функционального состояния миокарда при оценке эффективности использования фармакологических средств при нарушениях сократимости миокарда.

Во второй главе рассматриваются методические вопросы по разработке методов диагностики уровня миокардиального резерва и функционального состояния миокарда, рассматривается структура разрабатываемой системы, формируется признаковое пространство, разрабатывается подсистема выделения признаков и синтезируется модуль классификации функциональ-

ного состояния миокарда и определения уровня миокардиального резерва

животных.

В третьей главе рассматриваются вопросы по синтезу решающих правил классификации в соответствии с результатами экспериментальных исследований, разрабатывается комплекс нагрузочных проб, методы ведения экспериментов, методы экспериментального управления функциональным состоянием миокарда, рассматривается практическое применение полученных решающих правил и разработанного программно-технического комплекса анализа функционального состояния миокарда и диагностики уровня миокардиального резерва.

1. Аналитический обзор и постановка задачи на исследование 1.1 Анализ состояния проблемы

Диагностика ишемической болезни сердца (ИБС)- проблема, весьма подробно освещенная как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Тем не менее, специалисты вновь и вновь возвращаются к ней в связи как в связи с появлением новых поколений диагностической техники, так и с изменением концепции проведения диагностических и лечебных мероприятий у данных больных. Парадокс обсуждаемого вопроса состоит в том, что диагностика ИБС, как правило, не составляет особого труда. При типичном течении процесса тщательно собранный анамнез, внимательное физикальное обследование и критический анализ полученных данных позволяет диагностировать ИБС более чем в 75% случаев. Таким образом, если говорить о диагностике наличия или отсутствия заболевания, то весь мощнейший инструментальный потенциал направлен на выявление заболевания у 20-25% пациентов, у которых его течение не укладывается в классические картины. Картина кардинально изменяется, если необходимы количественные данные о тяжести патофизиологического процесса. Точные данные о тяжести патологии необходимы при определении прогноза заболевания и подборе той или иной тактики лечения. Достаточно трудно даже перечислить все методы и методики, применяющиеся при обследовании больных в современной клинической и экспериментальной кардиологии. Если попытаться сгруппировать их, то можно выделить [1,2]: графические методы оценки электрической активности миокарда (запись ЭКГ, ЭКГ картирование, холтеровское мониторирование ЭКГ, регистрация дистанционной ЭКГ, сигнал усредненной ЭКГ, магнитокардиография), графические методы оценки механической активности миокарда (апекс-, баллисто-, сейсмокардиограмма и.т.д), методы непосредственной визуализации сердца (рентгенокардиографические, ультразвуковые, радионуклидные, сверхбыстрая рентгеновская компьютерная томография), методы оценки перфузии миокарда (радионуклидные, ультра-

звуковые). Особо следует выделить группу методов неиивазивной непосредственной визуализации коронарных артерий: ультразвуковые методы, рентгеновская компьютерная и магниторезонансная томография. Однако региональные нарушения сокращения и, особенно, расслабления миокарда возникают значительно раньше, чем электрокардиографические и клинические признаки ишемии [3]. Длительное время считалось несомненным, что степень дисфункции левого желудочка у больных, перенесших острый инфаркт миокарда, является важнейшим предиктором последующей выживаемости [4,5]. В дальнейшем, с более широким внедрением в клиническую практику таких высокоинформативных диагностических методов, как 2-мерная эхо-кардиография, коронарная ангиография, нагрузочный тест (в частности, с оценкой локальной сократительной функции к перфузии миокарда), возрос интерес к сравнительной характеристике методов в определении ближайшего и отдаленного прогнозов заболевания.

Анализ современного состояния применения средств вычислительной техники в медицинских учреждениях различного профиля позволяет сделать вывод, что у нас в стране и за рубежом эксплуатируется и разрабатывается большое количество моделей, методов и систем, использующихся при решении различных задач медицинской диагностики, прогнозирования течения патофизиологического процесса как на экспертном уровне, так и в клинической практике. Это связано прежде всего с тем, что для построения достаточно общей модели принятия решения об оценке состояния здоровья человека необходимо было пройти этап накопления опыта и знаний в области построения и исследования ряда частных моделей для такого сложного и плохо формализуемого объекта исследования как человек. В то же время систем для определения показателя состояния инотропного миокардиально-го резерва как человека, так и животных, практически не было создано, так как для решения поставленной задачи главным препятствием является то, что в настоящее время нет четких критериев для определения величины

данного показателя, однако, несмотря на это, подобные работы широко ведутся как у нас в стране, так и за рубежом. Анализ существующей ситуации в данной предметной области позволяет сделать вывод, что исследования проводятся по нескольким направлениям. Основное направление составляют экспертные системы для оценки текущего состояния пациента, бази�