автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Математическое и физиологическое моделирование послеоперационного газообмена для прогноза операбельности легочных больных

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ Р0ССИ*кЗК0Л ЙЩСРАЦНЛ

российский пяздарствешл мццп^шсааь! университет

Иа правах рукописи 7Ж 616.24-ССЙ.7-089.151:681.518

дЬ/МИйО Татьяна Юрьевна

г.1ЛТ11!АГЛ ¡¿СКОК II ¡й13!0ЛШГМЖ0й ¿ЮдЗ^ртСаАНИЗ ¡ЮСЖЕРАДОШОГО ГАЬОСБМЫЙ. МЛ ПРОГНОЗА ОИлРАБ&ШЮСТП ЛЕГОЧНал БОШ^Х

L5.I3.C9 - Управление в сЗиологичесши а медицинских системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологлческял наук

;.! о с к в а - I О С-

Работа выполнена в Московской областной научно- исследовательском клинической институте ЫЗРФ

Научный руководитель доктор биологических наук P.C. Вяиицкая

Научный консультант доктор медицинских наук, дро^оссор L.А.¡.^¿омский

Официальные оппоненты

доктор медацинских наук, npoiioccop А.Г.Устинов доктор биологических наук, профессор В.А.Лищук

Ведущая организация Институт трансплантологии и искусственных органов ¡jSPw

Защита диссертации состоится " _"__[__1^52 г.

в 14 часов на заседании специализироьанногоо совета К UH.I4.W Роооийского государственного медицинского университета по адресу : г.Мооква, ул. Островитянова, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_"____Ii-'j-i г.

Учений секретарь специализированного совета кандидат медицинских тук

Актуальность исследования. При определении показаний и противопоказаний к хирургическому лечению легочного сольного необходимо оценивать его функциональную операбельноеть. Однако до настоящего времени отсутствуют общепринятые критерии и единая методика ее определения. Для анализа применяемых способов оценка функциональной операбельности легочного больного нами по данным литературы составлена схе?ла I, в которой систематизированы основные понятия и уточнены связи между ними.

Проблема функциональной операбельности - это проблема прогноза функции легких после операции и оценки вероятности развития послеоперационных осложнений (Долина O.A.,1975). Для оценки вероятности развития сердечно-сосудистых, легочных и бронхопле-вральных осложнений после операций на легком разработан ряд систем математического прогнозирования на ЭВМ (Балеэина З.Н. и соавт.,1978; Кольцуй С.С.,1981; Адамян A.A. и соавт.,1985).

Для прогноза функции легких после операции можно использовать две группы методов: физиологическое моделирование и математическое прогнозирование. Более распространены и достаточно разнообразны методы физиологического моделирования на больном условий, ожидаемых после операции,, путем выключения пораженного легкого из вентиляции и/или кровотока и перевода всей нагрузка по газообмену на интактное легкое« Однако эти методы сложны, трудоемки, обременительны для больного и требуют специальных условий для их проведения. Кроме того* достоверный прогноз можно получить только с помощью крайне травматичного для больного метода бронхо-сосудистой окклюзии ( liemir p.j. et al, 1953; Кабанов А.Н. и соавт.,1964).

Метода математического прогнозирования недостаточно разработаны. До настоящего времени осуществляют прогноз только отдельных показателей внешнего дыхания после операции с помощью эмпирических форлул ( Ali M.K. et al, 1980,1983; Сорокин А.И., 1985). В работах отсутствует прогностическая оценка компенсаторных возможностей организма больного после операций на легком. Компенсаторные возможности пытается оценить, изучая результаты оперативных вмешательств, однако до сих пор не выявлены количественные связи и характер зависимости компенсации после операции от клинического л функционального состояния больного до операции. В послеоперационном периоде не установлены закономерности перераспределения регионарных вентиляции и кровотока в легких, а ре-

СПОСОБЫ ПР01Н03А ОПЕРАЦИОННОГО РИСКА И ОГСлЩОНАЛЬНОл 0ПЕ?ЛЕЗИ.ЮСП1, ШЯШШЕЛЩ В ХИРУРБЫ ЛЕШЕ

Операционный риск

Сложность операционной онгуашш, адекватность натжоза и искусственной вэктзляции легкие

&ункшоналыща риск или Зужаиовальная операболькостъ или

функциональная переносимость опетзацни

Послеоперационные осложнения (их вероятность оценивают до операции методами матеглатк-ческого прогнозирования)

Функциональные последствия операции (оценивают до операции методами (гп-заологического моделирования или" математического прогнозирования)

Кошенсаторныа возможности оргшшз.'ла(оценивают только при изучении послеоперационного периода)

Функциональные потеои в оезультате операции (оценагавт до операшп)

Состояние и степень нарушений функционирования сясто!.', орга-низ;.!а( оценивает с помоцьо КЛаССИфИКа-ЦНЙ)

«ункциональное состояние удаляемых и осталдпхся частей легки* до опега-цпи(оценивают при изучен:!!! региональных функций легких)

гионарный газообмен но исследовали.

Поэтому необходило разработать метода индивидуального прогноза функционирования легкого поело операции, а такжо количественные критерии прогноза, до опершая указизаодие на риск осложненного течения послооиорационного пориода. Целесообразно прогнозировать Функциональные последствия крайнего случая -удалоюш легкого, так как поело цульмонэктоыии лотальность, количество осложнений и функциональные потери максимальны. Тем болоо, что дажо поело частичншс резекции в перлыо 1-2 месяца после оперший основную функциональную нагрузку несет неонори-ровалноэ легкое (Геллер М.Р.,1984; Харчонко В.Г..Кыдыралиов

Цель работы - разработать мотодц прогноза основной функции легких - газообмена после операция на легком, позволяющие до операции указать на риск развития послеонорацношшх осложнений.

Задачи исследования

I. Разработать математическую модель регионарного газообмена при •вирааошюЯ неравномерности распределения вентиляцион-но-перфузионкых отношения и критерии оценки регионарной неравномерности газообмена.

'¿. Ьиорать комплекс неинвазивних методов исследования пациента и автоматизировать обработку их результатов на ЗИМ.

3. По данным собственных исследований найти закономерности изменения основных цункционалышх показателей после пульмонэк-томии и разработать статистическую модель компенсаторных возможностей организма.

4. Разработать необременительный для больного метод физиологического моделирования послеоперационной функции легкого и критерии его оценки.

Научная новизна. Нредломеин повыв количественные показатели неравномерности распределения вентшшццонно-дер^узиошшх отношений - два показателя неэфмэктмшюста газообмена: неэффективность потребления кислорода и неэффективность выделения углекислого газа, а также модифицирован расчет альвеоляр!юго г.вртвого пространства и альвеолярного щунта, характеризующих нсо.{/,;^;,"пишость легочной вентиляции и легочного кровотока. Эти показателя рассчитывают в рамках штсиктпеской модели региончр-ного газообмена.

Предложено оценивать функциональную операбелыюсть легоч-

ного Сольного по прогнозируема показателям неэффективности после пульмонэктоыии, причем повышенно показателей неэффективности указывает на риск развития осложнении в послеоперационном периоде.

Установлены закономерности изменения регионарного газообмена у легочных больных до и после пульмонэктоыии на математической модели по результата проведенных исследований.

Построена статистическая модель средних компенсаторных возможностей организма после пульмонэктоши, которая позволила получить аналитические выражения основных показателей функционирования легкого после операции в зависимости от величин этих показателен до операции в виде нелинейных уравнений множественной регрессии.

Разработан математический метод прогноза регионарного газообмена поело пульмонэктоыии, включавший математическую модель регионарного газообмена и статистическую модель коигансаторных возможностей организма после операции.

По показателям необременительного для больного метода йизи-ологического моделироьшшя послеоперационной ^нкции остающегося легкого осуществлен прогноз напряжений дыхательных газов в артериальной крови в ближайшем периоде после пульмонэктомии, которые являются критериями развития острой дыхательной недостаточности.

Положения, выносимые на защиту

I. Математическая цодель позволяет по измеренным с помощью нешшазивных методов регионарннм распределения:.!, вентиляции и кровотока и их интегральным характеристикам рассчитать газообмен каждой зоны легких и ввести количественные показатели неэффективности функционирования легких.

» 2. Математический метод прогноза регионарного газообмона после удаления легкого позволяет до операции оценить показатели газообмена, ожидаемые после операции, и тип течения послеоперационного периода: неосложненное течение иди с риском развития осложнений.

3. Метод физиологического моделирования послеоперационной функции легкого позволяет непосредственно в операционной определить предел 1]$нкционалыюй операбельности легочного больного и прогнозировать развитие острой дыхательной недостаточности в раннем послеоперационном периоде.

Практическая значимость. Предложен новый способ комплексной оценки Функционального состояния больного с помощью математи-

ческой модели регионарного газообмена, описывающей ззаимосвязь вентиляции, кровотока и газообмена п позволяющей количественно оценить эффективность газообмена и неравномерность функционирования легких.

Математически!: метод прогноза позволяет до операции с ошибкой 14,3% определить тип течения послеоперационного периода конкретного больного: неослозшенное течение или с риском развития осложнений.

Необременительный для больного метод физиологического моделирования используют непосредственно в операционной для экспресс-контроля функционально;; операбольности больного и получения дополнительной прогностически значимо;! информации о функциональной состоятельности интакткого легкого.

Использование разработанных методов прогноза позволяет предусмотреть необходимость проведения мероприятий по профилактике осложнений после операции на легком.

Внедрение результатов. Разработанные методы прогноза и оценки функционального состояния используют при обследовании и хирургическом лечении больных нагноительными и опухолевыш заболеваниями легких в отделении торакальной хирургии МОНИКИ ( 2 акта внедрения прилагаются). В М0Ы1КИ внедрено 3 рационализаторских предложокяя, 4 программы включены в Государственный цюнд алгоритмов и програш и их используют в отделении функциональной диагностики МОНИКИ для обработки результатов исследования больного.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на: научно-практической конференции молодых ученых и специалистов здравоохранения Московской области (МОНИКИ им. М.Ф.Владимирского, Москва,1982,1983); Всесоюзной конференции "Реализация математических методов с использованием ЭШ в клинической и экспериментальной медицине" (Институт сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н.Бакулева, Москва, 1984); семкнаре по клинической физиологии дыхания (Институт хирургии им. А.В.Вишневского, Москва, 1987); семинаре по применению математических методов в мздшцине (Институт трансплантологии и искусственных органов, Москва,198$; научном семинаре кафедры биологической и медицинской кибернетики (П МОЖШ им. И.И.Пирогова, Москва,1988); проблемно-плановой комиссии "Патология органов дыхания" (МОНИКИ им. М.Ф.Владимир-ского, Москва,1988,1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем диссертация. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, трех глав собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы и приложения с текстами программного обеспечения работы. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста и иллюстрирована 21 таблицей и 12 рисунками. Список литературы включает 251 наименование, из которых 170 на русском языке и 81 на иностранных.

МЕТОДУ ИССВДОЙШЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА БОЛЬНЫХ

Главными критериями при выборе методов исследования были следующие :

- неинвазивнооть, безвредность, принципиальная невозможность осложнений, а также необременительность для пациента;

- простота в выполнении, неиспользование дорогостоящей аппаратуры л специальных условий для их проведения.

В результате для получения необходимых исходных данных математической модели регионарного газообмена бил выбран комплекс широко распространенных в клинической практике методов исследования. Минутный объем и частоту дыхания измеряли вентилометром воздухозаборника фирмы "Драгер" (ФРГ). Одновременно воздухозаборником собирали в мешок выдыхаемый воздух. Газовый состав собранного воздуха определяли газоанализатором "Спиролит" (ГДР). Минутный объем кровотока измеряли методом грудной тетралолярной реографии ц0 методике w.G.Kubicek (1966) в модификации Ю.Т. Пушкаря (197?) с помощью реогшетизмографа РПГ2-02. Распределение регионарных вентиляции и кровотока по 6 зонам легких изучали методом зональной реографии легких по методике Е.А.йрикермана (i960) с помощью реографа 4РГ-1М. В качестве регистратора использовали полиграф RM-05 (Япония). Кислотно-основное состояние (КОС) и газовый состав артериаяизованной капиллярной крови анализировали микрометодом Аструпа на аппарате ABL-2 "Радиометр" (Дания). Исследование больных описанным комплексом методов проводилось до операции и в послеоперационном периоде в условиях относительного покоя: утром, через 2-3 часа после легкого завтрака, лежа в покое в кабинете функциональной диагностики.

Выбор методов исследования, был обоснован сравнением их результатов с результатами других методов, дающих аналогичную ин-

формацию, по данным собственных исследований и данным литора-турч, а также тестированием выбранного комплекса на контрольной группе из II здоровых испытуемых. Сравнение показателей, полученных при исследовании здоровых лиц,с литературными данными показало, что выбранный комплекс методов позволяет получить адекватную физиологическую иьцдрмацтэ.

Поставленные задачи решали методами математического и физиологического моделирования. Использовали два типа методов математического моделирования. Для описания регионарного газообмена в неоднородных легких, механизмы которого известны, разработали детерминированную математическую модель, а для описания процессов компенсации после пульмонэктошш, закономерности которых недостаточно изучены, разработали статистическую модель.

Разработали модификацию одного из методов физиологического моделирования послеоперационной функции логкого - теста и.Л. Иавяпег (1961) к условиям стандартной процедуры предоперационной подготовки. Больные находились на операционном столо под внутривенным наркозом с использованием калипсолй или оксибутира-та натрия и препаратов нейролептанальгезин. После раздольной интубации бронхов трубкой Карлонса наркозным аппаратом "Анестар-7" с дыхательной приставкой больным осуществляли искусственную вентиляцию легких (1ШЯ). При проведении физиологического моделирования, методика которого будет' описана в соответствующем разделе, мы изучали р>щ функциональных показателей больного. Минутный объем и частоту измеряли ввнтилометром, встроенным в контур выдоха аппарата Алестар. С помощью разработанного нами устройства (рацпредложение & 358, 1987) интубационную трубку Карленса подсоединяли к Погтосар О2-СО2 монитору фирмы "Датех" (Финляндия) и поочередно регистрировали капнограммы правого и левого легкого. Анализировали КОС и газы капиллярной крови.

Обработку результатов функционального исследования пациента проводили на ЭШ КС-1033 по разработанным нами программам: "Расчет параметров гемодинамики по данным тетраполярной реографии", "Расчет и анализ данных зональной реографии легких", "Расчет основных параметров альвеолярной вентиляции и легочного газообмена" Распечатки результатов автоматизированной обработки поступали в истории болезни больных в качестве протоколов проведенных исследований. Оти программы приняты в Государственный фонд алгоритмов и программ.

Материал анализировали с помощью программы множественного корреляционно-регрессионного анализа, разработанной доцентом кафедры ЗН.1 ЬИИТ к.т.н. В.Н.Котляровским для SB.M EC-I033. Рассчитывали средние, с р е дн е-квадрат ич ни о отклонения и коэффициенты корреляции. Кроме того, с помощь» программа строили нелинейные уравнения множественной регрессии.

Достоверность различий групп оценивали с ноу.оеью Т-крмте-рия Стьюдента. В раооте использован уровень достоверности Р -i 0.05.

Нами проведено 1047 i ^следований 177 человек - 150 мужчин к 27 женщин. Из них - 157 Сольных нагноительныш (107) и опу-ходевыми (50) заболеваниями легких и 20 здоровых. Возраст Сольных - от 17 до 63 лет; большинство (64,4^) - от 30 до 50 лет. Возраст здоровых - от 17 до 40 лет. Комплексом методов до операции мы обследовали 92 больных (61 нагноительными и 31 опухолевыми заболеваниям легких), из которых 24 Сольных обследовали и после операции. В операционной ыы обследовали IIb больных (77 нагнои тельными и 41 опухолевым заболеваниями легких). Для решения различных задач использовали различные по численности грушш исследованных.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОЩЬ РЕГИОНАРНОГО ГАЗООБАЕНА В НЕОДНОРОДНЫХ ЛЕГКИХ

Газообмен является основной уункциай легких и зависит от распределения вентиляционно-первдзионных отношений в легких, неравномерность которого резко возрастает при легочных заболеваниях. Для описания регионарного газообмена в неоднородных легких мы разработали детерминированную математическую модель. В модели неоднородные легкие были представлены состоящими из:

- 6 газообменных резервуаров, различающихся величинами вентиляционно-перфузионных отношений (УдД>). Количество резервуаров выбрано, исходя из методических возможностей измерения распределения Неравномерности распределений вентиляции

и кровотока по 6 газообменным резервуарам характеризовали альвеолярным мертвым пространством ( У»«. ) и альвеолярным шунтом

( Qsn )-,

■ - анатомического мертвого пространства ( ), представ-

ляющего дыхательные пути, равномерно распределенные по газообменным резервуарам и вносягше вклад только в состав смешанного выдыхаемого воздуха;

- анатомического шунта ( Qsfl ). представляющего сосуды сердца и легочные анастомозы, взятого равным 2% общего кровотока и вносящего вклад только в состав смешанной артериальной крови.

Газообмен в каждом резервуаре считали стационарным. Считали, что медду альвеолярным воздухом газообменного резервуара и омшавдей его капиллярной кровью устанавливается полноо диффузионное равновесие потоков дыхательных газов. Обмена .газами между резервуарами не происходит. Во все резервуары поступает одинаковый по составу вдыхаемый воздух и ко всем притекает смотанная венозная кровь.

В каждом резервуаре газообмен описали системой уравнений, исходя из сделанных предположений, и на основании закона сохранения массы каздого дыхательного газа, а именно: разность потоков каждого дыхательного газа, входящего в резервуар и выходящего из него, равна потоку этого газа в кровь (из крови). Два трансцендентных уравнения отражают сеязи напряжений и содержаний дыхательных газов в крови в соответствии с численными алгоритмами Keiraan о.й. (1966,1967). Последнее уравнение описывает равенство давлений на входе и выходе резервуара.

1 Q Раз -t- Роз

-fits /Аз^гА^ _ р >

/ Роз \ pA-i + Рэъ ''

Cat = Pi ( Pal, Paz)

Cat = A fPfil, Pah) з

Рв = £ Рас Pfac ¿-i.

гдо индексы i = I - кислород; 2 - углекислый газ; 3 - азот. 7 - вдыхаемый; А - альвеолярный; а - кровь, омывающая альвеолярное пространство резервуара, т.о. коьечно-капиллярная кровь; V - венозный. Величины Р - напряжение дыхатзлышго газа;

С - содержание газа в крови; 0 - величина кровотока в резервуаре; - коэффициент пересчета объема газов к условиям ^ и перехода от фракций к парциальным давления?.!; У л - альвеолярная вентиляция резервуара; <ЬЪ - коэффициент растворимости азота; Рв - барометрическое давление; Рн£0 - давлоние паров воды. и - условное обозначение численных алгоритмов Ке1шап с.л. (1966,1967), дозволяющих рассчитать содержания кислорода п углекислого газа в крови в зависимости от напряжений этих газов и с учетом эффектов Бора и Холдена.

Эта система уравнений является математической моделью стационарного газообмена в однородном газообменном резервуаре и представляет собой пять нелинейных трансцендентных уравнений ( 1 = 1,2) относительно пяти неизвестных Са1> ( 1 = 1,2) и РА4-( А = 1,2,3). Для азота ( 1=3), не участвующего в метаболизме и подчиняющегося закону Генри - закону физического растворения газа, первое уравнение становится вырозденным. Необходимо отметить, что для легких в целом напряжения азота в артериальной в венозной крови равны (Рдз = °-Щ!ако ■п-яя отдельных резерву-

аров это не выполняется. В некоторых резервуарах азот переходит из воздуха в кровь (Рдд > Р-у-д). а в других - азот переходит из крови в воздух (1уз-'Рда)«

Система уравнений математической модели может быть решена, если для каждого газообменного резервуара известна величина вен-тшшционно-перздзионного отношения и газовые составы смешанной венозной крови и вдыхаемого воздуха ( Уд /О, Си.' Р-ц ).

Особенностью этой модели является отождествление газообменных резервуаров с 6 зонами легких, выделяемыми методом зональной реографии. Мы предложили алгоритмы расчета распределения Уд/9 по зонам и газового состава смешанной венозной крови по величинам, измеряемым в рамках выбранных методов исследования:

- Распределение УдД> но зонам легких рассчитывали следующим образом. Методом зональной реографии определяли процентные распределения вентиляции ( Ур ) и кровотока ( 0/> ) по зонам легких. Необходимо отметить, что в рамках этого метода измеряют дыхательные колебания объема зоны и, следовательно, ее экспираторную вентиляцию, поэтому требуется специальный расчет альвеолярной вентиляции зоны. Измерив величины общей легочной вентиляции (V ) и общего легочного кровотока ( О ) и зная их процент-■ ные распределения, рассчитывали альвеолярную вентиляцию (УД ) и

кровоток ( С}1* ) к;»здой зоны и распродслонио ^д/9 но зонам

странспю, когороо вычислили по дол-уному основному обману (Д00) ( Код = О.ОБ-ДЭО), рассчитываемому с номощьи [формул Гарриса-Бенедиктн по антропометрическим данным больного. Считали, что Уля рас придало но раыкж-.ерно но зонам; Р - частота дыхания; ] - 1т6 - нсмор газоооме-нного резервуара.

- Газовый состав смотанной венозной крови (1^02, РиС02; рассчитывали но результатам измерений газовых составов выдыхаемого воздуха (дГО2, Р^СС^) и капиллярной артериализованной крови (Ра02, РаСС2), а также неличин минутных объемов дыхания (V) и кровотока (С). Рассчитывали объемы потребления 02 (П02) и вцдолонш С02 (УС02):

¡¡а основе принципа ¿ика рассчитывали величины артерио-венозных разностей по (^/(А-У^О.,/ и по С02/(А-У)С02/:

ПОг = $ • ; \П?Ог = С?- (й-у)СОа.

(А~Г)02 = {у/С!)- ЬЙСХ; (А-У)СО*- 1у/в)-РеС0й

Рассчитывали содержания 02 и С02 в артериальной крови (Са02, СаС02) с помощью численных алгоритмов Ко1иап й.«. (1966,1967).

Са 0% = /± (Рп РаСОх ) • СаС0± (ра Ох, Р«СОг)

Рассчитывали содержания газон 13 венозной крови (Су02, СуС02):

С г 0% -- с. Сх ~ (/)-у1 о% ; С -- СоС0£ + (А- у)со.г

-Методом дихотомии рассчитывали напряжения газов в венозной кропи (Ру02, Р^02) с помощью разработанной нами численной процодуры обратной алгоритмам Ке1гаып а. я.

Рг о, = ; Р^со^ (сл., МО,}

ПО-х - V- аРСх • Ус Он = V- Р£СО%

о

Кг

¿#я описания процесса газообмена в неоднородных легких, состоящих из нескольких газообменных резервуаров, ввели уравнения, описывающие смешивание капиллярно!! крови, оттекающей от различных газосбменных резервуаров (смешанная артериальная кровь } и альвеолярного воздуха, выходящего из различных резервуаров (смешанны!! альвеолярный воздух )'•

п к0«*"®' + ^ Ра,- ■ V

гй1 - --г-

* V/

у« А

где ] = 1-^6 - количество расаатриваемых реиергуарои.

Эффективность функционирования неоднородных легких оценили, введя количественные показатели влияния неравномерности распределения на функции легких. В рашах модели осуще-

ствили расчет традиционных показателей неравномерности распря-делений вентиляции и кровотока по зонам легких: альвеолярного мертвого пространства ( Уят.) и альвеолярного шунта ( 0¡¡¡г), которые количественно характеризуют неэффективности вонтиляцил и кровотока в легких.

о2 - .

.. = Са*. - Со 1 р 0/ ш

оЛ1 - с^

" У£2— = ?, . Юс У (2)

V

Ввели новые показатели неэффективности газообмена: неэффективности потребления 02 и выделения С02 (nO2.i1 С02), которые количественно характеризуют относительные отличия фактических величин потребления 02 ( П02) и выделения С02 ( У"С02) в неоднородных легких при существующем неравномерном распределении Уд/9 от тех величин, которые можно получить в однородных лсх'ких при равномерном распределении равном фактическо-

му интегральному Уд/О, и тех же величинах ьонтиляц/и, крозо-

тока и газового состава смешишой виновной крови.

Выразив потребление О2 и выделение СО2 через содержания газов в артериальной и венозной крови, получали:

где величины: 1' - нарциальнно давления газов в воздухе; С - со-дерашшя газон з крови; индексы: I - кислород, 2- углекислый газ, од - в однородных легких, 7 - вдыхаемый, а - сиоаишая артериальная кровь без вклада анатомического щита, ц/ - смешанный альвеолярный воздух Ооз вклгща анатомического мертвого пространства, V - смешанная венозная кровь.

Таким ог,разом, получили 4 основных количественных показа-толя нвз.1ц.октиьности вентиляции, кровотока и газообмена по О2 и С02 (.|ормулы 1-4) в результате неравномерности функционирования легких.

Стандартные численные методы решении системы нелинейных уравнений но поанолил яримонкть их малый радиус сходимости. Поэтому на осноьо метода дихотомии мы разработали численную процедуру, обеспечившую сходящийся итерационный процесс в широком диапазоне входных параметров модели ( 1Л/<? от 0 до 100, Р^С02 от 25 до 70 ш рт.от.), характерном при легочных заболеваниях. Длл каэдого сольного п прогрнгму "Определение зональных характеристик газообмонноп ¡.уикции легчих", реализующую решение системы уравнений математической кодсла на 5Ш ЕС-1033, вводят индивидуальный исходные н рассчитывают характеристики регионарного газообмена: нарцтиияше давлен:»! кислорода, углекислого газа и азота ь алььоолярком воздуху каддой зоны и содержания этих газов л оттекающей от зоны кропи, ьеятиляционьо-пери'узи.оиные отношения

(3)

и дыхательные коэффициенты зон, а также процентное участие зон в потреблении кислорода и в выделении углекислого газа; характеристики интегрального газообмена: газовые составы смешанного альвеолярного воздуха, смешанной артериальной и смешанной венозной крови, общие объемы потребления кислорода и выделения углекислого га^а, интегральные величины вентиллциош{о-пер<1узиснного отношения и дыхательного коэффициента, артерио-венозные разности по кислороду и углекислому газу, а также показатели неравномерности и неэффективности функционирования легких. Программа принята в Государственный фонд алгоритмов и программ.

Работоспособность математической модели проворили на контрольной группе из II здоровых испытуемых. Соответствие показателей, рассчитанных в рамках модели, данным литературы №1 здоровых лиц показало адекватность разработанной математической модели .

РЫГЛОНАРШИ ГАЗООК.ЕН ПРИ ЗАБОЛЕВАНИЯХ ЛЕГКИХ ЛО И ПОСЛЕ ПУЛЬМОНЭКТОШ

Результаты исследования больных комплексом методов анализировали на математической модели регионарного газообмена и сравнивали с результатами группы здоровых испытуемых, которые использовали в качестве нормы. Это сопоставление позволило выявить различия, обусловленные наличием патологии и развитием компенсаторных процессов. Особое внимание уделяли компенсаторным реакциям интактного легкого. Существенных различий компенсаторных реакций интактного правого или левого легкого при нагноительных или опухолевых заболеваниях до операции мы не выявили.

42 больным, из 92 обследованных до операции, была произведена пульмонэктомия (45,7^), Из этих больных сформировали две группы по 21 человеку - группу обучения и контрольную группу -однотипные по соотношению ослоуленных и неосложнешшх течений послеоперационного периода. Группу обучения ( п - 21) тем «о комплексом методов мы исследовали вторично в различные сроки после операции. 5 больных были исследованы через 1-5 месяцев после операции и 16 - в сроки от 2 до 3,5 лет. На математической модели изучали закономерности перераспределения регионарных функций легкого после пульмонактоыии. Выявили, что регионарные распределения функций единственного легкого в сроки 1-5 месяцев и через 23,5 года после операции имеют общие тенденции, более выраженные

в отдаленные сроки. А именно: после пульмонэктомии появляется выражений градиент увеличения вентиляции от верхней зоны легкого к нижней и две тенденции распределения кровотока. У части (Зольных распределение кровотока повторяет распределение вентиляции, то есть происходит усиление кровотока от верхней зоны к нижней. У других кровоток болео выражен в верхней зоне, чем в нижней. То есть появляется базально-апикальный градиент кровотока, наличие которого свидетельствует о повышенном давлении в легочной артерии.

Распределение выделения COg по зонам легкого после пульмонэктомии изменяется параллельно распределению вентиляции, то есть появляется выраженный градиент увеличения выделения С02 от верхней зоны к нижней. Распределение потребления по зонам легкого изменяется параллельно распределению кровотока, поэтому у части больных потребление Og увеличивается от верхней зоны к нижней, а у других - больший вклад в потребление О2 вносят верхняя и средняя зоны.

Так как при исследованиях больные находились в горизонтальном положении, то выявленные градиенты распределений регионарных функций имеют не гравитационную природу.

статистическая мощь компенсаторных возможностей

организма после пульмшэкташ

Чтобы прогнозировать функцию легкого после пульмонэктомии на основании информации, полученной перед операцией, необходимо учитывать компенсаторные возможности организма. Однако закономерности процессов компенсации после операции недостаточно изучены, поэтому для их описания мы, по данным собственных исследований группы больных до и после пульмонэктомии (группа обучения п- = 21), построили статистическую модель. Закономерности изменения основных показателей вентиляции, кровотока и их регионарных распределений после пульмонэктомии имитировали регрессионными полиномами, наилучшим образом аппроксимирующими послеоперационные величины показателей комбинацией дооперационных величин. С помощью специальной программы на ЗШ EC-I033 были подобраны полиномы второй и третьей степени (что связано с небольшой численностью группы обучения), зависящие от двух-семи дооперационных 'показателей (табл. I). Выборки количество переменных для каждого полинома осуществляла, учитывая физиологические связи мевду показателями. Совокупность регрессионных полиномов, отра-

Та бдвда I

СТАТИСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПЕНСАТОРНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОРГАШ2.1А ПОСЛ£ ОПЕРАЗДИ НА ЛЕГКОМ (Уравнешш регрессии, связывающие величины показателей после пульконэктолага с дооперационными)

У1 ~ Е после удаления легкого; Х^ - к до операции; л2 - ЧИ до операция Ух « а0 + 31Х2 + в.^1 + азх| + а4ххх| + а + а6Х^

а0 = -4.52175 33 = 0.14786 % = О.ОСОЗ а4 = -0.0055 а5 = 0.0166 а6 = -0.0224 а^ = 0.6384. Ошибка аппроксимации = 16.82; Р = 1.16; Т = 2.65.

после удаления легкого; Ху - 9 до операции; Хд - 9/9 должн. до операции

2-1 3 2 - 3 2

У7 = а0 + а|Хг, + а2Хд + а^Хг, + а^Х^Хд + а^Х^ + а^ХгДд + а^Хц + а^Х^Хд

: а^ = -22.8194 а^ = -35.8982 а4 = 12.73645 а6 = 6.2187 а? = 54.9159 а3 = -35.0841 а2 = 18.5979 а3 = -3.99726 а5 = -0.2241. Ошибка аппроксимации = 15.35?; Р =0.71; Т = 6.19

Уд, Уд - процентные вклады средней и нижней зон оставпегося легкого в дыхательный объем;

У|0> - процентные вклады верхней ¿г средней зон оставшегося легкого в кровоток;

г.,г,,г, - процентные вклады верхней, средней и нижней зон интактнэго легкого в дыхательный 1 ^ объем до операции;

г6 - процентные вклады -"- в кровоток до операции;

27,гя - суммарные процентные вклады интактного легкого в дыхат.объем и кровоток до опера' ции.

г8 = а0 + а125 + а227+ а328 + а421 + а5г52в + &б27 + а7г8 + а822 + а9г1 + а10212г + а11г?г0; Ошибка аппроксимации = 18.5£; Р = 0.52; Т = 10.42 '

а0 = 193.99504 = 9.3796 а4 = -2.83105 а6 = -0.11095 а8 = -0.0206 а10 = 0.03156

а1 = -2.75856 ад = -12.15935 а5 - 0.06525 в^ = 0.03446 а^ = 0.0382 ап = 0.0764

Таблица I (продолжение)

У9 * Ео + *1г6* B2Z7 + b3z8+ B4Z1 + B5 z| + »6zf + B7Z| + BaZ2Z3 * BSZ6Z6 + ®I0 z5zó + + BjjZ^Zg; Ошибка аппроксимации « 11,%; F s 0.45; T « 18. ES

b0 = -32.369 b2 = -7.22654 b4 = Û.580 b£ - Q.Ü944 b& « 0.0577 bjq * -0.0773

Bj = -2.5473 в3 = 8.79346 в& » 0.Q3354 в? = -0.0365o Bg= 0.0415 Bjj « -0.0716

УЮ e eo + a1Z4 + a2Z7 + a3ZS + a4Z6 + a5Z7 + e6Z8 * e7Z4 * aSZ6 + QSZ4ZS + a10Z4Z1 *

а11Z1Z2: Ошибка аппроксимации = 16.IÍ; F = 0.65; T = 9.II a0 = -28.67764 a2 * 4.6044 a4 = -3.7144 ag = 0.0269 ab = 0.0493 aIQ = 0.С12Э5

aj s 4.0415 ag = -2.5684 a5 = -0.0329 a? = -0.022& a^ « -0.C376 ац » -0.0205

УЦ = B0 + BIZ5 + B2Z5Z6 + B3Z2Z5 + B4Z5Z8 + B5Z2Z7 + BôZ4Za + E7Z6Z8 + B8Z77'3 в0 « 129.2864 в2 = 0.0446 в4 = 0.0396 в6 O -0.Q2625 = -0.0553 - Q.OIII

Bj = -0.09005 в3 = 0.0557 sg » -0.0272. Ошибка аппроксимации = 14.1;"; F = 0.96;

T = 5.12

хающих закономерности процессов компенсации после операции, представляет собой статистическую модель средних компенсаторных возможностей организма, в которой регрессионные полиномы являются уравнениями, позволяющими рассчитать ожидаемые после операции показатели по измеряемым до операции. Для каждого больного в рамках статистической модели осуществляется индивидуальный прогноз основных показателей дыхания и кровообращения после пульмонэктомии в зависимости от функциональных показателей до операции.

Понимая недостаточную общность полученных регрессионных полиномов, связанную с небольшой численностью группы обучения, мы, тем не менее, использовали основанную на них статистическую модель средних компенсаторных возможностей организма в методе прогноза функции легкого после пульмонэктошш.

математический метод прогноза функции легкого

после пульмонэктомии

Математический метод прогноза заключается в последовательном использовании статистической модели компенсаторных возможностей организма посла пульмонэктомии и математической модели регионарного газообмена. Сначала в рамках статистической модели по полученным регрессионным уравнениям и данным доопераци-онного исследования рассчитывают ожидаемые для каждого больного после пульмонэктомии основные показатели дыхания я кровообращения. Затем эти показатели используют в качество* входных параметров математической модели. IIa выходе математической модели получают ожидаемые после пульмонэктомии характеристики общего и регионарного газообмена, а также показатели неравномерности и неэффективности газообмена (формулы 1-4).

Анализ результатов группы обучения показал, что если прогнозируемые величины альвеолярного мертвого пространства, альвеолярного шунта и неэфф>ективностей потребления О2 и выделения COg были меньше 10%, то послеоперационный период протекал гладко, без осложнений. Если же хотя бы два из.этих показателей превышали 10$, то у этого больного наблюдались осложнения после операции. Мы предположили, что прогнозируемые показатели неравномерности и неэффективности можно использовать в качестве критериев риска развития послеоперационных осложнений, а величину показателей, равную 10%, считать границей при прогностическом опреде-

лении типа течения послеоперационного периода конкретного больного: неосложнениого течения или с риском развития осложнений.

Качество прогноза риска развития послеоперационных осложнений было проверено на другой контрольной группе больных после пульмойэктомии ( п = 21). Результаты прогностического определения типа послеоперационного периода каждого больного контрольной группы на основе прогнозируемых показателей неравномерности и неэффективности были сопоставлены с экспертной оценкой фактического течения послеоперационного периода, включающей анализ причин развития осложнений. Тестирование прогноза на контрольной группе больных показало, что ошибка прогноза риска развития послеоперационных осложнений составила 14,3/» в сторону гипердиагностики.

Таким образом, математический метод прогноза функции легкого после операции позволил для каждого больного до операции предсказать не только общий и регионарный газообмен после пуль-монэктомии, но и риск развития осложнений после операции, то есть позволил оценить функциональную операбельность конкретного больного.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСДЕОПЕРАЩОННОЙ ФУНКЦИИ ЛЕГКОГО. ПРОГНОЗ ОСТРОЙ ДДАТЭДЬНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ

С целью получения дополнительной информации о функциональной состоятельности интактного легкого больного непосредственно в операционной мы модифицировали тест иаввпег и, (1961) к стандартным условиям предоперационной подготовки, раздельной интубации бронхов и искусственной вентиляции легких (ИВЛ). Использование этих условий исключило необходимость в дополнительной обременительной для больного раздельной интубации бронхов, в дополнительных расходах анестетиков и затратах рабочего времени анестезиолога, однако потребовало иной процедуры проведения физиологического моделирования и новых критериев оценки информации. Метод заключается в моделировании на больном условий газообмена по углекислому газу (С02), ожидаемых после пульмонэкто-мии. Пораженное легкое отключали от аппарата ИВЛ и вентилировали кислородом по закрытому контуру без абсорбции углекислого газа. То есть в пораженном легком осуществляли возвратное дыхание, яри котором в нем нарастала концентрация С02 (рис. 1,2). Таким об-, разом, пораженное легкое выключали из выведения С02; вся нагрузка по выведению которого ложилась на интактное легкое.

СХИМ НРОйЩЛСИ 'МШСНЮГЛЧЕСКОГО Л!СШИГ0ВА1Ш ПОСЛЕОПЕРАЦгЮННО:; 0У1МЦШ .ЛЕГКОГО 11 ЭТАПЫ ИЗУЧЕНИЯ СУИКЩЮПАШШ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БОЛЬНОГО

/Ал

Копнограср

тп

V

'/¡неипар- 7''

I этап - регистрация капкограым (кривые I и 2) пораженного (I) и интактного (2) легких при раздельной интубации бронхов и искусственной вентиляции легких (1Ш). Измерение минутного объема (МО) и частоты дыхания (ЧЦ) двулегочнои И&Д

гесог

"Лнкстар - 7

2.

П этап -лого газа

выключение пораженного легкого из выведения углекис-(СО2). Измеряли МО и ЧД однолегочной вентиляции ин- , тактного легкого после автоматического изменения режима ИВЛ. Кривая I отражает нарастание концентрации С02 в пораженном легком. После выхода концентрации на плато, регистрировали капно-гра'.му иатактного легкого (кривая 2) и измеряли значение ее альвеолярной фазы. Брали капиллярную кровь на анализ кислотно-основного состояния я газового состава.

2П

По урошш быводония С02 ши'гшо'нцц! лох'ким судили о ого способности или неспособности ко:.цяш£Ш])овшгь гаэообыон после операции. Спосоонооть интактногоилшташш к: выведению всьго объема углекислого газа, образующегося ш сэдианизмо, анализировали по кшшограммам, регистрируемым :{рздюлл1Ш дум каждого легкого. Пределом функциональной опориох-ишшгшш легочного сольного ми предложили считать концинтрццишош» В1 альвеолярной фаз о капно-граммы интак-гного легкого, р;цдеу/и 7/ оя^, при выключенном из выведения СОо поргшенном лог:сом.; ¡и цшгииэ умеренной пшорвентиля-ции (рац.предлоу(нис) а 13о, 11)Ш)).. '"¿о есть, если концентрация СО2 нревыьала 7 об.,*, которым, оютштклшуот напряженно С02 в артериальной крови, примерно ■ {манда 4Имям рт.сг., то удаленно легкого эюыу больному считали.: ,дакщюяалию недопустимым. Необходимость 0граничиты1ьн0г0.>уугшнш11 — умеренной гиперноптиляции обусловлена зависимостью концентдяцвш (ЗЭ2 11 выдыхаемом воздухе от режима вентиляции. Выбор [{(-гхегшудодшшой гинервонтиляции обусловлен возможное гью болышгеогаакгазвнгально осуществлять его в раннем послеоперационном [ш{;:шдчи. Наработанный метод использовали перед оперативным вмошатшшеягпаи: как тест для зкспресс-диагностики предала функциональной шгавабельности легочного больного.

Мы предположили, что иилуушоыаж щ}и физиологическом моделировании информация о однкционгшшсйН <шшг оя т е л ьн о с т и интактного легкого обладает и прогноств.чегя«ш значимостью, и использовали ее для прогноза наиболее тяталепко аояшшения раннего послеоперационного периода - острой дихагвлшган недостаточности (ОДН). О развитии ОДН судят по налряяезпгяш кислорода и углекислого газа (РО2, РС02) в артериальной или.; кпшдашдиой крови.

С помощью специальной ирогщгмвш на! ЭВМ ЕС-1033, на материале 30 больных, которым была прсяшшдпнш пульмонэктомия, были найдены статистические связимовдзу ипкаааталями, регистрируемыми во время физиологического модел'.шолшшш перед началом операции и реальными Р02 и ГС02 ь капиллодн&м крови на вторые сутки поело пулшоиактомии в пиди т:л:шеп1ЕЖ удашшний множественной регрессии. Полученные кь.-^ратичпие у^илюнин',, но которым моздю прогнозировать величины Р0-, и ь егшшшфной крови больного » раннем. периоде поели пульминактомки;, нриведени в диссертации. Расчеты но этим урлиг.ниим мол'но 111;ож1дить непосредственно в операционной с помочь:-.) микрокалькулятор! сразу посла физиологического моделирования.

Прогноз величии Р02 и РС0£ в капиллярной крови позволяет судить о возможности развития ОДН после пульмонэктомии и необходимости проведения профилактических мероприятий в ближайшем послеоперационном периоде.

ВЫВОДЫ

1. Метод математического прогнозирования функции легкого посла пульмонэктомии в зависимости от функционального состояния больного до операции и компенсаторных возможностей организма позволяет оценить функциональную опсрабольлость легочного больного по прогнозируемой эффективности гаэооомина в послеоперационном периоде. Метод включает математическую модель регионарного х'азооомена и статистическую модель компенсаторных возможностей организма после операций.

2. Математическая модель регионарного газообмена позволяет по измеряемым у пациента показателям системы внешнего дыхания и распределению вентиляционно-порфузионных отношений рассчитать газообмен каждой зоны легких и ввести количественные показатели неравномерности и неэффективности газообмена.

3. Показатели, рассчитываемые в рачках математической модели, - неэффективности потреблении 0-2 и выделения СО2, альвеолярное мертвое пространство и альвеолярный шунт - количественно характеризуют неравномерность функционирования легких. Нормативы этих показателей получены при исследовации здоровых испытуемых. При прогнозе регионарного газообмена после пульмонэктомии эти показатели предсказывают риск развития осложнений в послеоперационном периоде, если хоть бы два из них превышают 10$, или неосложненное течение, если все показатели меньше

4. Статистическая модель компенсаторных возможностей организма поело пульмонэктомии позволила получить аналитические выражения основных показателей 5:ункционировашш легкого после операции в зависимости от величии этих показателей До операции в виде нелинейных уравнений множественной регрессии.

5. Необременительный для больного метод физиологического моделирования послеолорационноа функции легкого, модифицированный для условий стандартной процедуры предоперационное подготовки и искусственной вентиляции легких, позволяет определить предел функциональной операбельности легочного больного и прогнозировать развитие острой дыхательной недостаточности в раннем

'послеоперационном периоде.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАН]ПД ПО ТЕЛЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дьяченко Т.Ю., Кольцун С.С. Расчет основных параметров альвеолярной вентиляции и легочного газообмена// Информационные матер. ГосЗАП. М.,1981. - & П004955.

2. Дьяченко Т.Ь., Дьяченко А.И., Кольцун С.С. Применение модели неравномерно функционирующих легких для исследования газообмена при хирургических заболеваниях легких// Реализация мат. методов с использованием ЭВМ в клннич. и экспериментальной мед.: Тезисы докл. Всесоюзн. конф; - М.,1983. - Т.2. - С. 159-160.

3. Дьяченко А.И., Дьяченко Т.К., Гукасян Э.А. Исследование регионарных функций легких при патологии методом математического моделирования.// Проблемы автоматизации в медицине: Республ. сб. научн.трудов. - М.,1983. - С.99-104.

4. Дьяченко Т.Ю., Дьяченко А.И., Кольцун С.С. Определение зо- . налышх характеристик газообкенной функции легких.// Инфор-кацичнныо матер. ГосФАП. - !,'. ,1963. - Je П006444.

5. Дьяченко Т.К., Кольцун С.С., Гукасян Э.А. Применение модели зонального газообмена в определении функциональной целесообразности оперативного лечения легких.// Повышение эффективности использования достижений мед. науки в практике здравоохранения: Тезисы докл. - iM., 1983. - С.20-21.

6. Зональная раография легких в комплексной оценке состояния больного перед операцией.// Грудная хирургия. - 1984. - Ä 5. - С.61-65/ Муромский Ю.А., Кольцун С.С., Соловьева И.Д., Би-нвцкий Э.С., Дьяченко Т.Ю.

7. Дьяченко Т.Ю., Максимов А.Б. Экспресс-оценка функциональной операбельноети больных с патологией легких.// Повышение эффективности использования достижений мед. наука в практике здравоохр.: Тезисы докл. -М. ,1985. - С.26.

8. Дьяченко Т.Ю., Кольцун С.С., Ширинских Н.В. Расчет и анализ данных зональной реография легких.// Информационные матер. ГосФАП. - М.,1986. - ¡ё 50870000357.

9. Дьяченко Т.Ю., Кольцун С,С. Расчет параметров гемодинамики по данным тетраполярной реографии.// Информационные матер. ГосФАП. - М., 1986. - Si 508700С0358.

10. Капнография в экспресс-диагностике функциональной состоя-

тельности легкого перед.радикальной операцией.// Гнойные заболования легких: Республ. сб.научн.трудов. -М.,1987. -С.131-135/ Дьяченко Т.Ю., Кольцуй С.С., Мартынов М.Б., Ко-синская И.М.

11. Оценка операционного риска при цульмонэктомии.// Хирургия. - 1989. - № 9. - С.Ю5-120/Дьяченко Т.Ю., Муромский Ю.А., Соловьева И.Д., Котляровский В.Н.

12. Дьяченко Т.Ю. Применение реограс}ииеских методов для исследования гемодинамики,: Методическое пособие/ НИИ школ, 1990. - 44 с.

РАЦИОНАЛИЗАТОРСКИЕ ПРШОШШ

1. Способ оценки предела функциональной операбельности лег-, ких.: Удостоверение И 136 вид. 27.12.1983 МОНИКИ/ Кольцун С.С., Блнецкий Э.С., Дьяченко Т.Ю., Мартынов М.Б., Соловьева И.Д.

2. Дьяченко Т.Ю., Мартынов М.Б., Комаров А.Н. Устройство для подсоединения О2 - С0£ монитора к интубационнои трубке Карленса.: Удостоверение № 358 вып. 30.03.1967 МОНИКИ.

3. Дьяченко Т.Ю., Мартынов М.Б., Пряхин Г.В. Устройство для подсоединения масспектрометра к интубациокной трубка Карленса. : Удостоверение И 359 выд. 30.03.1967 МОНИКИ.

Ш'И 28.C4.92r.

Ззк.1Г- 5/1 тир. 100 окз.