автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Мобильная многоагентная система анализа вольтамперных характеристик биоактивных точек для диагностики пиелонефрита у беременных женщин

На правах рукописи

Мохаммед Авад Али Абдо

МОБИЛЬНАЯ МНОГОАГЕНТНАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОАКТИВНЫХ ТОЧЕК ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПИЕЛОНЕФРИТА У БЕРЕМЕННЫХ

ЖЕНЩИН

Специальность 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005548149

Курск 2014

1 г; ! 7П1*

LUIT

005548149

Работа выполнена в Юго-Западном государственном университете на кафедре биомедицинской инженерии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Филист Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты: Денисов Артем Руфимович

доктор технических наук, доцент, Костромской государственный университет им. H.A. Некрасова, профессор кафедры биотехнических, технологических и информационных систем;

Коржук Николай Львович кандидат технических наук, доцент, Тульский государственный университет, профессор кафедры приборов и биотехнических систем.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пензенский государствен-

ный технологический университет» (г. Пенза)

Защита диссертации состоится «30» мая 2014 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.08 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета и на сайте Юго-Западного государственного университета www.swsu.ru.

Автореферат разослан 22» (Ц/Л^ЛлА^ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.08

Снопков В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Ч

Актуальность работы. Пиелонефрит является наиболее частым заболеванием почек во всех возрастных группах и занимает второе место среди экстрагенитальных заболеваний у беременных после патологии сердечнососудистой системы. Заболеваемость пиелонефритом беременных за последние двадцать лет возросла в 5 раз. Пиелонефрит оказывает отрицательное воздействие на репродуктивную функцию женщины, осложняет течение беременности и родов у 2-10% женщин, что проявляется развитием гестозов, невынашивания, рождением незрелых детей, повышенной частоте послеродовых ренальных и экстра-ренальных осложнений.

Диагностика пиелонефрита при беременности представляет значительные трудности, так как применение многих эффективных методов диагностики во время беременности ограничено. Особенно это касается рентгенологического и ультразвукового обследований. Инструментальные методы диагностики пиелонефрита при беременности также опасны ввиду анатомических изменений, связанных с вынашиванием плода. Поэтому актуальным является развитие мобильных технологий диагностики, не связанных с проблемами транспортабельности беременной и не подвергающих риску их здоровье и здоровье вынашиваемого ребенка.

Одним из направлений развития мобильных технологий такого плана являются биоимпедансные исследования аномальных зон электропроводности - биоактивных точек (БАТ). Однако большой разброс результатов измерений, обусловленный индивидуальными особенностями организма, не связанными с патологией, а также направленность метода не на диагностику патологии органов и систем организма, а на патологию меридиана, что вступает в противоречие с методологией диагностики и лечения, принятой в европейской классической медицине, не позволяет использовать их в широкой клинической практике. Следовательно, исследования, направленные на совершенствования мобильных систем на основе контроля электропроводности БАТ являются актуальными.

Степень разработанности темы исследования. Одними из наиболее популярных методик исследований феномена электропроводности БАТ является методика Е. Накатани и методика Р. Фоля. Система Риодораку Е. Накатани основана на регистрации сопротивления кожи постоянному электрическому току 24 репрезентативных точек 12 меридианов, что весьма затруднительно выполнить вне стационара. По методике Р. Фоля в БАТ проводится измерение потенциала реакции тела или его отдельных органов на ток, которым воздействуют на БАТ. Но этот метод предполагает наличие субъективного контроля давления электрода на поверхность кожи, что не позволяют использовать его в мобильных системах диагностики. Этим обусловлена разработка большого числа приборов и методик, основанных на измерении биоимпеданса. Исходя из требований корректности, измерениё биоимпеданса должно удовлетворять как минимум двум условиям: сохранению морфологической интактности и сохранению функционального состоя-

ния объекта исследования. Эти требования противоречат с требованиями диагностической эффективности, которая может быть повышена за счет увеличения объема информации, снимаемой с отдельной БАТ, с последующим использованием различных сочетаний методов обработки полученной информации и нейросетевого моделирования. Это можно осуществить посредством изучения вольтамперной характеристики в БАТ. Стандартной методики исследования вольтамперной характеристики не разработано, поэтому данные различных авторов не совпадают вследствие использования аппаратуры с различными параметрами, что снижает диагностическую эффективность этого метода.

Таким образом, научно-технической задачей исследования является повышение диагностической эффективности мобильных систем, основанных на исследования вольтамперных характеристик БАТ посредством интеллектуальных технологий.

Цель работы. Разработка мобильной биотехнической системы анализа вольтамперных характеристик биоактивных точек, обеспечивающей повышение качества диагностики пиелонефрита у беременных женщин.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать структурно-функциональную модель электрической проводимости биоматериала в аномальных зонах (в области точек акупунктуры);

- разработать метод формирования пространства информативных признаков, предназначенного для классификаторов функционального состояния биоматериала;

- разработать мобильную биотехническую систему диагностики пиелонефрита у беременных женщин;

- провести апробацию предложенных методов и средств диагностики пиелонефрита у беременных женщин на репрезентативных контрольных выборках.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- структурно-функциональная модель электропроводности биоматериалов в аномальных зонах, основанная на гипотезах обратимого пробоя диэлектрика и «ответной реакции биоматериала» и выполненная в виде последовательно соединенных настраиваемых диодно-резистивных ячеек, позволяющая прогнозировать электропроводность биоматериала в зависимости от частоты и величины тока зондирования;

- метод формирования пространства информативных признаков, предназначенного для классификаторов функционального состояния биоматериала, заключающийся в регистрации вольтамперных характеристик биоткани в биоактивных точках парных меридианов, позволяющий путем аппроксимации каждой из полученных вольтамперных характеристик полиномом седьмого порядка использовать коэффициенты полученных полиномов

в качестве входного вектора для нейронной сети, обученной на принятие диагностических решений по выделенным классам заболеваний;

- структура гибридной нейронной сети с макрослоями для многоальтернативной классификации биоматериалов, содержащая три макрослоя, первый из которых состоит из модулей вероятностных трехслойных нейронных сетей, второй и третий макрослой - из модулей двухслойных нечетких нейронных сетей, причем количество модулей в макрослоях равно числу дифференцируемых классов заболеваний, позволяющая определить субъективные вероятности принадлежности входного вектора к выделяемым классам;

- мобильная биотехническая система, содержащая мобильный блок и ЭВМ, позволяющая осуществлять акции в виде токовых воздействий на пациента и контролировать реакции пациента на эти воздействия, как врачу-терапевту, так и самому пациенту, с последующей передачей данных на ЭВМ для их анализа и принятия решений.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что изложена идея моделирования вольтамперных характеристик биоактивных точек, основанная на гипотезе обратимого пробоя диэлектрика, позволяющая осуществлять выбор пространства информативных признаков для мобильных многоагентных систем диагностики пиелонефрита. Разработанные метод, модели и алгоритмы составили основу мобильного устройства для диагностики пилонефрита у беременных женщин. Применение гтредложен-ного в диссертации метода и средств анализа биоматериалов позволяет использовал, неинвазивные методы в программах скрининговой диагностики социально значимых заболеваний.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (государственный контракт № П424 от 12 мая 2010 г.) по проблеме «Гибридные информационные технологии для ранней диагностики инфекционных и онкологических заболеваний на основе многочастотной импедан-сомегрии биоматериалов» и в соответствии с научным направлением Юго-Западного государственного университета «Разработка медико-экологических информационных технологий».

Результаты работ внедрены в учебном процессе Юго-Западного государственного университета при подготовке специалистов 200401 - «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и используются в клинической практике Муниципального учреждения здравоохранения городской клинической больницы скорой медицинской помощи г. Курска.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы: теории биотехнических систем медицинского назначения, теории линейных электрических цепей, математического моделирования, нечеткой логики, нейросетевых технологий. При разработке нейросетевых модуля принятия решений в качестве инструментария исполь-

зовался Matlab 8.0 с графическим интерфейсом пользователя для Neural Network Toolbox и со встроенным пакетом Fuzzy Logic Toolbox.

Положения, выносимые на защиту. 1. Структурно-функциональная модель электропроводности биоматериалов в аномальных зонах, выполненная в виде последовательно соединенных настраиваемых диодно-резистивных ячеек, позволяющая учитывать диэлектрические свойства биоматериалов и реакцию систем организма на зондирующий ток. 2. Метод формирования пространства информативных признаков, основанный на исследовании вольтамперных характеристик биоактивных точек. 3. Структура гибридной нейронной сети с макрослоями, позволяющая осуществлять дифференциальную диагностику пиелонефрита. 4. Мобильная биотехническая система на основе многоагентной схемы принятия решений для диагностики пиелонефрита у беременных женщин.

Степень достоверности и апробация работы. Результаты исследования показали их воспроизводимость в различных условиях, непротиворечивость концепциям акупунктурной диагностики и нейросетевого моделирования, а так же аналогичным результатам, полученным другими исследователями. Метод и алгоритмы исследования вольтамперных характеристик БАТ построены на теории нелинейных электрических цепей и теории управления в биотехнических системах и согласуются с ранее опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации.

Основные теоретические положения и научные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 11 Международных, Всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах: «Медико-экологические информационные технологии» (Курск - 2010, 2012, 2013); «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань - 2009, 2012); «Информационные технологии и компьютерные системы для медицины» (Маврикий - 2012); «Теория и практика системного анализа» (Белгород - 2012); «БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА» (Пущино - 2013); «Информационно-измерительные диагностические и управляющие системы. Диагностика - 2013» (Курск - 2013); «Медицинская кибернетика и междисциплинарная подготовка специалистов для медицины» (Томск — 2013), «Актуальные вопросы биомедицинской инженерии» (Саратов — 2013), на научно-технических семинарах кафедры биомедицинской инженерии ЮЗГУ (Курск - 2009, 2010, 2012, 2013, 2014).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и библиографического списка, включающего 78 отечественных и 23 зарубежных наименований. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первом разделе показано, что процесс получения информации с биообъекта достаточно сложен и неоднозначен. Электрические измерения на таких объектах обычно имеют плохие показатели стабильности и воспроизводимости. Это в определенной степени является результатом нестационарности параметров биологического объекта, достаточно быстрых изменений их в ответ на внешние воздействия физическими, химическими и психическими факторами.

В заключение первого раздела формулируются цель и задачи исследования.

Второй раздел посвящен вопросам моделирования импеданса биоматериалов.

Одним из путей увеличения объема информации, снимаемой с БАТ, является исследование ее вольтамперной характеристики с последующим получением характерных точек, координаты которых могут быть использованы для построения пространства информативных признаков в классифицирующих моделях. Для определения и анализа этих характерных точек необходима модель вольтамперной характеристики БАТ. Модель вольтамперной характеристики может быть получена либо на основе структурно-функционального моделирования электрической проводимости в БАТ, либо посредством аппроксимации экспериментально полученной вольтамперной характеристики БАТ более простой функцией, например полиномиальной. Модель должна отражать как экспериментальные данные о характере поведения вольтамперной характеристики биоматериала в окрестности БАТ, так и интегрировать знания о физических и физиологических свойствах самого биоматериала.

В данной работе в основу модели электрической проводимости БАТ положена гипотеза об обратимом пробое диэлектрика. В соответствии с этой гипотезой сопротивление в БАТ состоит из двух составляющих: цепочки последовательно соединенных участков, имеющих свойства диэлектрика с обратимым пробоем, и омических сопротивлений, осуществляющих функции обратной связи (отрицательной) для моделирования «отрицательного» сопротивления.

Для моделирования этих участков используем диодно-резистивные ячейки. На рисунке 1 представлена построенная на основе этой гипотезы модель электрического сопротивления в БАТ. В этой модели для моделирования обратимого пробоя диэлектрика используются три диодно-резистивные ячейки в прямой цепи и две диодно-резистивные ячейки в цепи обратной связи. Как те, так и другие диодно-резистивные ячейки моделируют обратимый пробой диэлектрика. В ячейках, включенных в прямую цепь, сопротивление диэлектрика до пробоя моделируется резисторами, включенными параллельно диодным ячейкам, а в ячейках, включенных в цепь обратной связи, сопротивление диэлектрика до пробоя моделирует сопротивление запертого диода. Омическое (линейное) сопротивление БАТ моделируют два резистора: 114 и Я5. Модель «отрицательного» сопротивления реализована

s

на операционном усилителе DAI. Если диоды VD1-VD6 и VD7-VD10 выключены, то обратная связь отсутствует и потенциал на выходе DA1 <рЪ = О, а ток в БАТ определяют в основном резисторы R1...R3. По мере роста напряжения на БАТ открываются диоды VD1-VD6, что увеличивает крутизну вольтамперной характеристики.

VDl VD3 VD5

Рис. 1. Структурно-функциональная модель электрического сопротивления

БАТ

Рост напряжения на БАТ приводит также и к открытию диодов У08 и УБЮ, что обуславливает снижение крутизны вольтамперной характеристики. Напряжение обратной связи, которое управляет крутизной вольтамперной характеристики при открытом диоде У08, определяется согласно выражению

"ос = -(<Р2-<Р3), (1)

Я8 + Л] о

а «отрицательное» сопротивление Л", вносимое этим напряжением, определяется согласно выражению

п- ^вых. ОА1

к =—-> (2)

'БАТ

где ивых Ш1 =сръ,

1бат~ ток в цепи БАТ (ток через резистор Л5).

Согласно модели рисунок 1

иеых.оА1=иос.(1 + ^). (3)

Подставляя (1) в (3), а (3) в (2), и учитывая, что <р2 - <р3 - 1ЕАТ • /?5, получим

/Г = (1 + ^). (4)

+ Яю й7

■ Вектор информативных признаков определяется с учетом того, что каждая диодно-резистивная ячейка описывается, как минимум, двумя параметрами: резистивным (омическим) сопротивлением и напряжением отпирания диода. При необходимости число этих параметров может быть увеличено путем добавления в диодно-резистивные ячейки в прямой цепи шунтирующих конденсаторов и внесения не симметрии в диодно-резистивную ячейку путем установки для ее диодов различного напряжения отпирания.

Вольтамперные характеристики снимались с БАТ при напряжениях от -15 В до+15 Вс шагом 1 В. Для экспериментальных исследований выбраны БАТы, обладающие максимальной доступностью. Для выявления необходимого объема анализируемых данных - вектора информативных признаков -использовался факторный анализ.

Факторный анализ был проведен в пакете 8ТАТ18Т1СА 6. Целью анализа является изучение вопроса о числе факторов, определяющих характер поведения вольтамперных характеристик БАТ.

Таблица экспериментальных данных была получена по результатам исследования вольтамперных характеристик БАТ меридиана сердца С7 (шэнь-мэнь) у двадцати волонтеров, не страдающих хроническими заболеваниями. График, представленный на рисунке 2, является результатом факторного анализа и позволяет, например, руководствуясь критерием Кэттеля, выбрать число информативных признаков для описания модели. Анализ графика, приведенного на рисунке 2, показывает, что можно ограничиться двумя, пятью или семью факторами (показано стрелками). Можно опробовать все решения и выбрать тот из них, которые дает более адекватную картину. Однако учитывая, что первые производные вольтамперных характеристик волонтеров имеют в большинстве случаев семь скачков в диапазоне от -15 до 15 В, то целесообразно выбрать семь факторов.

РЫ Ы £*дета|ие5

Номер собственного значения

Рис. 2. График собственных значений

Для получения вектора информативных признаков, характеризующих состояние БАТ, использовалась аппроксимация вольтамперной характеристики полиномом седьмого порядка.

Раздел 3 посвящен вопросам разработки модулей классификации для мобильной биотехнической системы диагностики.

Для реализации модулей классификации используются многоагентные структуры, каждый агент которой работает со своим признаковым пространством, формируемым по энергетическим характеристикам «своей» БАТ, селектируемым по времени и/или по возмущающему воздействию. Агенты нижнего уровня построены по вероятностной схеме организации нейронных сетей (РЫМ), что обусловлено небольшими объемами обучающих выборок.

Мета-классификатор построен по схеме нечеткого логического вывода. В его задачу входит агрегация решений, принимаемых агентами нижнего иерархического уровня. Кроме того, в задачу мета-классификатора входит интеграция накопленного практического опыта диагностики патологии по информации, снимаемой с БАТ, включенных в многоагентную систему классификации. Так как структура мета-классификатора соответствует структуре нечеткой сети, то в качестве его аббревиатуры используем аббревиатуру РНК.

Структура классифицирующей системы, реализующая вышеописанный подход к построению мнгоагентных систем, представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структура принятия решения в многоагентной системе классификации на основе гибридной сети РКЫ-РЫЫ

Так как в ней используются как вероятностные, так и нечеткие нейронные сети, то такую структуру назовем гибридной структурой Р МИРИМ. Она включает совокупность независимых модулей классификации, которые анализируют энергетические характеристики «своих» БАТ, но заключения дают только по одному, специфичному для каждого агента, заболеванию. В мета-классификаторе — РММ осуществляется объединение решений, принимаемых отдельным агентом — классификатором.

Архитектура нейронной сети построена на основе нейронных сетей блочного типа. Характерной особенностью такой сети является то, что каждый решающий модуль сети - агент осуществляет классификацию на два класса: объект принадлежит к классу <и, или объект не принадлежит к классу со/. В сети, согласно базовой структуре рисунок 3, имеется столько решающих блоков (агентов), сколько БАТ используется при принятии решения по данному заболеванию, а на выходе каждого блока Р№4 будем иметь оценки функции распределения Р011(Х)

и определенные согласно уравне-

нию

= Р

/ и ,-и^

- а'-Х;

(5)

На двух выходах каждого блока РЫН слоя РЫЫ присутствуют вероятность Ра патологии т, и вероятность Р- патологии со,. При этом, в общем случае, Рю+Р-ф\. Эти вероятности определяются соотношением и расположением в пространстве информативных признаков векторов обучающей выборки, а также выбранной шириной функций активации в уравнении (5).

Для принятия окончательного решения к вероятностному слою нейронной сети PNN добавляется слой, выполненный по нечеткой технологии - FNN, работа которого основана на нечеткой логике принятия решений.

В слое PNN принимаются решения по каждой группе информативных признаков относительно диагнозов еда или an. Агрегация принимаемых решений по М группам признаков осуществляется в слое FNN, который имеет структурно-функциональную организацию, нечеткой нейронной сети и содержит три слоя: слой фуззификаторов, слой агрегаторов и диффузификатор. Отличие заключается только в отсутствии дефуззификатора на выходе.

Пиелонефрит оказывает неблагоприятное влияние на течение беременности и состояние плода, поэтому больных пиелонефритом относят к группе высокого риска. К I степени риска относятся больные неосложнен-

ным пиелонефритом, возникшим во время беременности, ко II степени_

больные хроническим пиелонефритом, существовавшим до беременности; к III степени — женщины с пиелонефритом и гипертензией или азотемией, пиелонефритом единственной почки. Больным с III степенью риска беременность противопоказана.

Для получения надежных выводов по дифференциальной диагностике пиелонефрита, необходимо учитывать кроме энергетики БАТ результаты других исследований, таких как анамнез, общий и биохимический анализ крови, УЗИ почек и т.д.

Таким образом, на входе многоагентной модели дифференциальной диагностики имеем некоторую совокупность групп информативных признаков, полученных в результате использования различных методик и технологий диагностики, которые необходимо интегрировать в единую сетевую структуру классификации.

Определив множество векторов информативных признаков, соответствующее выбранной совокупности методик и технологий диагностики, строим классифицирующие модели, позволяющие принять диагностическое решение. Каждая такая модель является макрослоем - автономной решающей системой - классификатором, построенным по нейросетевой или гибридной технологии.

Использование одной многослойной нейронной сети для классификации таких данных является затруднительным в связи с тем, что дополнительное обучение многослойной сети в некоторой области признакового пространства, например, по группе признаков «опрос», приводит к потере обученного состояния в другой рабочей области нейронной сети, например, по группе признаков «осмотр», что не позволяет использовать этот тип нейронных сетей в задачах реального времени. Поэтому при проектировании нейронных сетей для классификации пиелонефрита воспользуемся нейронными сетями со структурой PNN-FNN, представленной на рисунке 3.

Если на входе такой структуры имеем М групп разнородных информативных признаков, то структура PNN-FNN, настроенная на диагностику заболевания класса cof, имеет вид, показанный на рисунке 4.

Для дифференцирования /. патологий необходимо Ь сетевых структур PNN-FNN, которые имеют 21 выходов.

Для агрегации 2Ь выходов РЫМ-РЫИ используем еще один макрослой слой РЫ"Ы*, структура которого показана на рисунке 4. Этот слой является моделью экспертной оценки результатов, получаемых в предыдущих слоях

Каждый модуль макрослоя FNN* состоит из двух слоев. Первый слой имеет два нейрона, в первом из которых осуществляется вычисление субъективной вероятности наличия патологии coi, а во втором - субъективной вероятности отсутствия патологии cal. Каждый из нейронов первого слоя каждого модуля макрослоя FNN* имеет L входов. Схема соединения выходов структуры PNN-FNN и входов макрослоя FNN* построена таким образом, чтобы нечеткая операция, которая в них осуществляется, была аналогична операции сложения вероятностей или алгебраического сложения. Выполнение этого требования достигается тем, что на нейроны первого слоя модулей макрослоя FNN* поступают свидетельства, подтверждающие одно и то же событие. Это значит, что на первый нейрон должна поступать информация, подтверждающая наличиепатологии ai, а на второй нейрон - подтверждающая наличие патологии mi.

Конкретная нечеткая операция в узлах FNN* первого слоя определяется посредством обучения модулей FNN* и экспертной коррекции функций субъективной плотности вероятностей на выходе структуры PNN-FNN.

Второй слой модуля классификации макрослоя FNN* содержит всего лишь один нейрон, который выполняет роль, аналогичную роль дефуззифи-катора в системе нечеткого логического вывода. Нечеткие операции, выполняемые в узлах FNN*, при отсутствии или недостатке экспертных данных могут быть определены на основе методики, основанной на использования генетических алгоритмов.

Таким образом, для дифференциальной диагностики пиелонефрита предложена многоагентная PNN-FNN-FNN* - структура нечеткой нейронной сети, в которой используется FNN* макрослой блочного типа, каждый из блоков которого состоит из двух слоев, первый из которых предназначен для агрегации свидетельств за и против выбора данного класса заболеваний, а второй слой выполняет функции байесовского классификатора, причем число блоков в макрослое равно числу дифференцируемых классов заболеваний.

В четвертом разделе разработана конструкция мобильной биотехнической системы для диагностики пиелонефрита у беременных женщин и приводятся результаты ее экспериментальные исследования.

Структурная схема мобильной биотехнической системы представлена на рисунке 5. Биотехническая система включает мобильный блок 1 и ЭВМ 2. Конструкция мобильного блока представлена на рисунке 6.

Мобильный модуль (рисунок 6) стоит из корпуса 3, выполненного в виде полого цилиндра, закрытого с одной стороны конусообразным колпачком 4, а с другой - крышкой 5. Внутри корпуса располагаются активный электрод б, мембрана 7, позволяющая совместно с конусообразным колпачком 4 активному электроду 6 перемещаться в продольном направлении, и электронный модуль 8. На поверхности корпуса 3 размещены кнопка 9, пассивный электрод 10, выполненный в виде металлизированного кольца, интерфейсный разъем для подключения к ЭВМ 11 и блок питания 12, выводы

которого подключены к соответствующим входам питания микросхем электронного блока и интерфейса ЭВМ, а общий провод, кроме того, подключен к пассивному электроду 10 и первому выводу кнопки 9.

Рис. 5. Структурная схема мобильной биотехнической системы контроля

биоимпеданса

6 4 7 9 10 8 3 5 12

Рис. 6. Чертеж общего вида мобильного блока биотехнической системы

Электронный модуль (рисунок 5) содержит последовательно соединенные резистор 13, первый вывод которого подключен к активному электроду 6, усилитель 14, микроконтроллер 15, второй цифровой порт которого соединен со вторым выводом кнопки 9, а третий цифровой порт — с интер-

фейсньш разъемом 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16 и уси-I' ВйЬ'Х0Д КОТОР°ГО подключен ко второму выводу резистора 13, усилитель 18, вход которого соединен с активным электродом 6, а выход - со вторым аналоговым входом микроконтроллера 15

пппгпяДлЯ раб0Ты биотехнической системы в ЭВМ 2 должна быть загружена

Г ™™ ИССЛеД0ВаНИЯ' Программа глобального исследования подбирает (предлагает) врач-специалист из библиотеки стандартных про-

сТвТ™ТНЫХ ИССЛеД°!аНИЙ ИЛИ свою авторскую программу. Посредством ЭВМ 2 через разъем 11 в микроконтроллер 15 осуществляется загруз-

"™0Й программы биоимпедансных исследований. Локальная программа устанавливает протокол воздействия на биообъект зондирующим током, а также определяет формат данных для передачи их в ЭВМ 2 После то-

™;™3аВерШеНа 331ру3ка локальной программы, дальнейшее управление процессом исследования осуществляется под управлением глобалкой про! граммы, которая реализует взаимодействие между пациентом и ЭВМ 2 через монитор или звуковую карту и динамики, входящие в комплект ЭВМ 2

В задачу локальной программы входит установка зондирующего тока в биообъекте и считывания отсчетов напряжения на входе и на выходе делителя, образованного токовым резистором 13 и биообъектом, включенным в делитель через электроды 6 и 10.

Микроконтроллер мобильного модуля биотехнической системы работает согласно предложенному алгоритму, который включает внешний и два внутренних цикла с заданным числом повторений, причем в первом вложенном цикле формируются отсчеты напряжения, воздействующего на оиоооъект; во втором вложенном цикле оцифровываются отсчеты зондирующего напряжения и отсчеты напряжения на биообъекте, а в третьем цикле (внешнем) вычисляются квадратурные составляющие биоимпеданса. Алгоритм позволяет в процессе формирования отсчетов зондирующего напряжения и отсчетов напряжения на биообъекте реализовать диалог микроконтроллера и ЭВМ, и диалог микроконтроллера с пациентов и синхронизировать выполнения команд, поступающих от ЭВМ и ответных сигналов от микроконтроллера и пациента.

Установка зондирующего тока выполняется микроконтроллером 15 посредством выдачи на вход ЦАП 16 кодов отсчетов напряжен™ зондирования. После усиления усилителем 17 это напряжение поступает на вход мас-

оезис^оГп? УСЮШГеЛЯ И И ВТ°РОЙ ВЫВ0Д реЗИСТ°Ра 13" С первого вывода резистора 13 зондирующее напряжение поступает на активный электрод 6 и на вход масштабирующего усилителя 18.

Напряжения с выходов усилителей 14 и 18 поступают на соотвегсгву-™ ВХ°ДЫ АЦП ми,фокошроллера 15. Напряжения с этих выходов дис-крстизируются с частотой дискретизации, задаваемой локальной протрам-

8 С0ГЛаСН° аЛГОрИтмам' Реализуемым локальной про-Завершения отРаботки локальной проФаммой команды, заданной глобальной программой, микроконтроллер 15 через интерфейс 11

передает сообщение об этом ЭВМ 2, которая выходит на диалог с пациентом и передает ему очередную команду. Локальная программа выполняет, как правило, одну и ту же процедуру столько раз, сколько это «попросит» глобальная программа. Выполняемая процедура осуществляет измерение биоимпеденса в точке на поверхности кожи, заданной глобальной программой.

Диагностическая эффективность предложенных методов и средств диагностики пиелонефрита определялась на контрольной выборке, содержащей двадцать беременных женщин больных пиелонефритом (экспериментальные данные были получены в урологических отделениях №1 и №2 Муниципального учреждения здравоохранения городской клинической больницы скорой медицинской помощи г. Курска) и тридцать женщин, не больных урологическими заболеваниями.

В качестве решающих модулей в мобильной системе использовались решающие модули с одним, двумя и тремя агентами на нижнем иерархическом, уровне. Показатели качества диагностики, полученные при использовании этих решающих модулей, иллюстрируют диаграммы, приведенные на рисунке 7.

Рис. 7. Сравнительная характеристика показателей качества много-агентных мобильных систем диагностики пиелонефрита

Агентами системы использовалась информация, получаемая от БАТ меридиана Легких (точка тай-юань), меридиана Перикарда (точка да-лин) и меридиан Сердца (точка шэнь-мэнь).

Анализ диаграмм -на рисунке 7 показывает, что трехагентная модель система имеет наивысшие диагностические показатели среди тестируемых моделей, но увеличение их по сравнению с двухагентной моделью не столь

трехагенгтная модель двухагентная модель одноагентная модель

велико, как увеличение аналогичных показателей при переходе от одно-агентной модели к двухагентной.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

в результате проведенных исследований разработана мобильная мно-гоагентная система диагностики, основанная на анализе вольтамперных характеристик биоактивных точек и нейросетевом моделировании

В диссертационной работе получены следующие основные результа-

ты.

1. Построена структурно-функциональная модель электропроводности оиоматериалов в аномальных зонах, основанная на гипотезе обратимого пробоя диэлектрика и «ответной реакции биоматериала» и выполненная в виде последовательно соединенных настраиваемых диодно-резистивных ячеек, позволяющая прогнозировать электропроводность биоматериала в зависимости от частоты и величины тока зондирования.

2. Разработан метод формирования пространства информативных признаков, предназначенного для классификаторов функционального состояния биоматериала, заключающийся в регистрации вольтамперных характеристик биоткани в каждой биоактивной точке парных меридианов путем воздействия на них постоянным стабилизированным по уровню напряжением в диапазоне от -15 В до +15 В, изменяемым с шагом в 1 В, позволяющий путем аппроксимации каждой из полученных вольтамперных характеристик полиномом седьмого порядка, использовать коэффициенты полученных полиномов в качестве входного вектора для нейронной сети, обученной на принятие диагностических решений по выделенным классам заболеваний

3. Предложена РЫМ-Р№^-Р№Ч* - структура гибридной нейронной сети с макрослоями для дифференциальной диагностики пиелонефрита, содержащая три макрослоя, первый из которых состоит из модулей вероятностных трехслойных нейронных сетей, второй и третий макрослой - из модулей двухслойных нечетких нейронных сетей, причем количество модулей в макрослоях равно числу дифференцируемых классов заболеваний, позволяющая определить субъективные вероятности принадлежности входного вектора к выделяемым классам.

4. Разработана мобильная биотехническая система, содержащая мобильный блок и ЭВМ, позволяющая проводить диагностику пиелонефрита посредством анализа вольтамперных характеристик биоактивных точек с использованием многоагентных технологий поддержки принятия решений.

5. Разработан алгоритм работы микроконтроллера мобильного модуля биотехнической системы, позволяющий в процессе формирования отсчетов зондирующего напряжения и отсчетов напряжения на биообъекте синхронизировать выполнения команд, поступающих от ЭВМ к микроконтроллеру и ответных сигналов к нему от пациента.

6. Проведена апробация предложенных методов и средств диагностики пиелонефрита у беременных женщин посредством многоагентных мо-

бильных систем, которая показала, что предлагаемые технологии диагностики могут быть рекомендованы для диагностики заболеваний у урологических больных при противопоказании или отсутствии не мобильных систем диагностики.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Жилин, В.В. Прогнозирование исхода процедуры неинвазивной элиминации конкрементов с использованием гибридных технологий нечеткой логики принятия решений и нейронных сетей [Текст] / В.В. Жилин, Авад A.A. Мохаммед, С.А. Филист // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2010.-№2. - С.19-23.

2. Жилин, В.В. Программно-аппаратные средства для системного анализа вязкоупругих свойств артерий [Текст] / В.В. Жилин, A.A. Кузьмин, Авад-A.A. Мухаммед // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. - №8(109). - С.12-16.

3. Мохаммед, Авад А. Моделирование влияния электрокардиосиг-нала на оценку динамической составляющей биоимпеданса [Текст] / Авад A.A. Мохаммед, О.В. Шаталова, Адель Мохаммед Аль-Кдаси и др.// Медицинская техника. - 2013. - №4. - С.30-32.

4. Филист, С.А., Моделирование импеданса биоматериалов в среде MATLAB / С.А. Филист, Авад A.A. Мохаммед, О.В. Шаталова // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2013. -№4.-С. 61-66.

Статьи и материалы конференций

5. Мохаммед, Авад Али А. Синтез моделей биообъекта для неинва-зивных исследований его биофизических свойств [Текст] / Авад A.A. Мохаммед, Дерхим Али Кабус Кассим // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы (БИОМЕДСИСТЕМЫ -2009): материалы конференции. - Рязань: РГРТУ, 2009. - С.407-412.

6. Кассим, Кабус Дерхим А. Носимый медицинский прибор для диагностики вирусных инфекций [Текст] / Кабус Дерхим А. Кассим, С.А. Филист, Авад А. А. Мохаммед // Медико-экологические информационные тех-нологии-2010: сборник материалов XIII Междунар. науч.-техн. конф.; Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2010,- С. 120-123.

7. Волков, И.И. Метод классификации сложных систем на основе анализа сигналов со скрытыми периодичностями [Текст] / И.И. Волков, Авад A.A. Мохаммед // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы: XXIV Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов (БИОМЕДСИСТЕМЫ - 2011). - Рязань, 2012.-С. 161-166.

8. Mohammed, Awadh A.A. Classification of living systems states on the basis of a hybrid approach to the analysis of data on systemic rhythms [Text] / Awadh A.A. Mohammed, 1.1. Volkov, O.V. Shatalova // International journal of experimental education. - 2012. - №3 . с. 22-25.

9. Мохаммед, Авад A.A. Компьютерное моделирование живых систем при импедансных исследованиях [Текст] / Авад A.A. Мохаммед, О.В. Шаталова //Теория и практика системного анализа: сборник трудов Всерос. молодеж. конф. - Белгород: ИД «Белгород», 2012. - С. 115-118.

10. Мохаммед, Авад A.A. Моделирование гемодинамических процессов на основе биоимпедансных исследований [Текст] / Авад A.A. Мохаммед, В.В. Руденко, О.В. Шаталова // Медико-экологические информационные технологии - 2012: сборник материалов XV Междунар. науч.-техн. конф.; Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2012. - С. 99-104.

11. Мохаммед, Авад A.A. Биоимпедансные исследования в среде MATLAB [Текст] / Авад A.A. Мохаммед // БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА: 17-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых. - Пущино, 2013. - С. 590.

12. Мохаммед, Авад A.A. Модели биоимпеданса в среде MATLAB [Текст] / Авад A.A. Мохаммед // Информационно-измерительные диагностические и управляющие системы (Диагностика - 2013): сборник материалов ПГМеждунар. науч.-техн. конф.; Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2013. - С. 22013. Мохаммед, Авад A.A. Технологии моделирования помехозащищенности биоимпедансных измерений, реализованные в среде MATLAB [Текст] / Авад A.A. Мохаммед, О.В. Шаталова, Мохаммед А. Аль-Кадаси // Медико-экологические информационные технологии - 2013: сборник мате-СИГ7°23ХУ' МеЖДуНар' наУч--техн- К0НФ-; Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2013. -

14. Мохаммед, A.A. Структурно-функциональные модели электропроводности биоматериала в среде MATLAB [Текст] / A.A. Мохаммед, K.P. Черников // Актуальные вопросы биомедицинской инженерии: сборник материалов III Всероссийской заочной научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников. - Саратов: ООО «Издательский Центр «Наука», 2013,-С.426-432.

15. Филист, С.А. Моделирование импеданса биоматериалов с учетом нелинейной вольтамперной характеристики при обратимом пробое диэлектрика [Текст] / С.А. Филист, Авад A.A. Мохаммед, О.В. Шаталова // Медицинская кибернетика и междисциплинарная подготовка специалистов для медицины: материалы нучн. конф. - Томск: Сибирский государственный медицинский университет, 2013. - С. 128-132.

Подписано в печать2Ло£.2014 г. Формат 60x84 1/16. Печатных листов 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № Юго-Западный государственный университет,

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Отпечатано в ЮЗГУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Юго-Западный государственный университет»

На правах рукописи

04201 456562

Мохаммед Авад Али Абдо

МОБИЛЬНАЯ МНОГОАГЕНТНАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОАКТИВНЫХ ТОЧЕК ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПИЕЛОНЕФРИТА У БЕРЕМЕННЫХ ЖЕНЩИН

Специальность 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Филист Сергей Алексеевич

КУРСК 2014

Содержание

Введение...........................................................................................................................4

1 Методы и системы поддержки принятия диагностических решений на основе анализа электрического сопротивления в биоактивных точках...............................10

1.1 Хронический пиелонефрит у беременных и методы его диагностики.........10

1.2 Физиологические и морфологические особенности биоматериала в области биоактивных точек........................................................................................................13

1.3 информационное значение акупунктурных точек..........................................16

1.4 Методы исследования и анализа биологически активных точек..................19

1.5 Теоретические аспекты объединения диагностических решений на основе вероятностных моделей классификации при анализе групп биоактивных точек ..30 1.6 Цели и задачи исследования...................................................................................39

2. Исследование вольтамепрных характеристик биоматериалов в аномальных зонах электропрповодности в экспериментах in vivo................................................41

2.1 Структурно-функциональные модели электропроводности биоматериала в экспериментах in vivo....................................................................................................41

2.2 Факторный анализ вольтамперных характеристик биоактивных точек ....51

2.3 Разработка метода исследования электрических характеристик биоактивных точек........................................................................................................61

2.4 Выводы второго раздела....................................................................................66

3. Многоагентная гибридная сетевая структура на основе вероятностных нейронных сетей и нечеткой логики принятия решений..........................................68

3.1.Структурно-функциональные решения многоагентной системы на основе вероятностных нейронных сетей.................................................................................68

3.2 Исследование архитектуры вероятностной нейронной сети.........................72

3.3 Сетевая структура PNN-FNN - типа для многоагентных систем диагностики заболеваний по энергетическому состоянию БАТ.....................................................76

3.5 Многоагентные классификаторы с группированием факторов риска

пиелонефрита в дифференциальной диагностике......................................................84

3.6 Выводы третьего раздела...................................................................................88

4 Биотехническая система биоимпедансных исследований для диагностики пиелонефрита.................................................................................................................90

4.1 Структурно-функциональня схема биотехнической системы.......................90

4.2 Алгоритм работы мобильного устройства в режиме мониторинга биоимпеданса и алгоритм обмена данными с ЭВМ...................................................94

4.3 Пример решения диагностической задачи с помощью биотехнической системы.........................................................................................................................101

4.4 Выводы четвертого раздела.............................................................................111

Заключение...................................................................................................................113

Список обозначений и сокращений...........................................................................115

Список литературы......................................................................................................116

Введение

Актуальность работы. Пиелонефрит является наиболее частым заболеванием почек во всех возрастных группах и занимает второе место среди экстрагенитальных заболеваний у беременных после патологии сердечнососудистой системы. Заболеваемость пиелонефритом беременных за последние двадцать лет возросла в 5 раз. Пиелонефрит оказывает отрицательное воздействие на репродуктивную функцию женщины, осложняет течение беременности и родов у 2-10% женщин, что проявляется развитием гестозов, невынашивания, рождением незрелых детей, повышенной частоте послеродовых ренальных и экстра-ренальных осложнений.

Диагностика пиелонефрита при беременности представляет значительные трудности, так как применение многих эффективных методов диагностики во время беременности ограничено. Особенно это касается рентгенологического и ультразвукового обследований. Инструментальные методы диагностики пиелонефрита при беременности также опасны ввиду анатомических изменений, связанных с вынашиванием плода. Поэтому актуальным является развитие мобильных технологий диагностики, не связанных с проблемами транспортабельности беременной и не подвергающих риску их здоровье и здоровье вынашиваемого ребенка.

Одним из направлений развития мобильных технологий такого плана являются биоимпедансные исследования аномальных зон электропроводности -биоактивных точек (БАТ). Однако большой разброс результатов измерений, обусловленный индивидуальными особенностями организма, не связанными с патологией, а также направленность метода не на диагностику патологии органов и систем организма, а на патологию меридиана, что вступает в противоречие с методологией диагностики и лечения, принятой в европейской классической медицине, не позволяет использовать их в широкой клинической практике.

Следовательно, исследования, направленные на совершенствования мобильных систем на основе контроля электропроводности БАТ являются актуальными.

Степень разработанности темы исследования. Одними из наиболее популярных методик исследований феномена электропроводности БАТ является методика Е. Накатани и методика Р. Фоля. Система Риодораку Е. Накатани основана на регистрации сопротивления кожи постоянному электрическому току 24 репрезентативных точек 12 меридианов, что весьма затруднительно выполнить вне стационара. По методике Р. Фоля в БАТ проводится измерение потенциала реакции тела или его отдельных органов на ток, которым воздействуют на БАТ. Но этот метод предполагает наличие субъективного контроля давления электрода на поверхность кожи, что не позволяют использовать его в мобильных системах диагностики. Этим обусловлена разработка большого числа приборов и методик, основанных на измерении биоимпеданса. Исходя из требований корректности, измерение биоимпеданса должно удовлетворять как минимум двум условиям: сохранению морфологической интактности и сохранению функционального состояния объекта исследования. Эти требования противоречат с требованиями диагностической эффективности, которая может быть повышена за счет увеличения объема информации, снимаемой с отдельной БАТ, с последующим использованием различных сочетаний методов обработки полученной информации и нейросетевого моделирования. Это можно осуществить посредством изучения вольтамперной характеристики в БАТ. Стандартной методики исследования вольтамперной характеристики не разработано, поэтому данные различных авторов не совпадают вследствие использования аппаратуры с различными параметрами, что снижает диагностическую эффективность этого метода.

Таким образом, научно-технической задачей исследования является повышение диагностической эффективности мобильных систем, основанных на исследования вольтамперных характеристик БАТ посредством интеллектуальных технологий.

Цель работы. Разработка мобильной биотехнической системы анализа вольтамперных характеристик биоактивных точек, обеспечивающей повышение качества диагностики пиелонефрита у беременных женщин.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: разработать структурно-функциональную модель электрической проводимости биоматериала в аномальных зонах (в области точек акупунктуры);

разработать метод формирования пространства информативных признаков, предназначенного для классификаторов функционального состояния биоматериала;

разработать мобильную биотехническую систему диагностики пиелонефрита у беременных женщин;

- провести апробацию предложенных методов и средств диагностики пиелонефрита у беременных женщин на репрезентативных контрольных выборках.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

структурно-функциональная модель электропроводности биоматериалов в аномальных зонах, основанная на гипотезах обратимого пробоя диэлектрика и «ответной реакции биоматериала» и выполненная в виде последовательно соединенных настраиваемых диодно-резистивных ячеек, позволяющая прогнозировать электропроводность биоматериала в зависимости от частоты и величины тока зондирования;

метод формирования пространства информативных признаков, предназначенного для классификаторов функционального состояния биоматериала, заключающийся в регистрации вольтамперных характеристик биоткани в биоактивных точках парных меридианов, позволяющий путем аппроксимации каждой из полученных вольтамперных характеристик полиномом седьмого порядка использовать коэффициенты полученных полиномов в качестве входного вектора для нейронной сети, обученной на принятие диагностических решений по выделенным классам заболеваний;

структура гибридной нейронной сети с макрослоями для многоальтернативной классификации биоматериалов, содержащая три макрослоя, первый из которых состоит из модулей вероятностных трехслойных нейронных сетей, второй и третий макрослой - из модулей двухслойных нечетких нейронных сетей, причем количество модулей в макрослоях равно числу дифференцируемых классов заболеваний, позволяющая определить субъективные вероятности принадлежности входного вектора к выделяемым классам;

мобильная биотехническая система, содержащая мобильный блок и ЭВМ, позволяющая осуществлять акции в виде токовых воздействий на пациента и контролировать реакции пациента на эти воздействия, как врачу-терапевту, так и самому пациенту, с последующей передачей данных на ЭВМ для их анализа и принятия решений.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что изложена идея моделирования вольтамперных характеристик биоактивных точек, основанная на гипотезе обратимого пробоя диэлектрика, позволяющая осуществлять выбор пространства информативных признаков для мобильных многоагентных систем диагностики пиелонефрита. Разработанные метод, модели и алгоритмы составили основу мобильного устройства для диагностики пилонефрита у беременных женщин. Применение предложенного в диссертации метода и средств анализа биоматериалов позволяет использовать неинвазивные методы в программах скрининговой диагностики социально значимых заболеваний.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (государственный контракт № П424 от 12 мая 2010 г.) по проблеме «Гибридные информационные технологии для ранней диагностики инфекционных и онкологических заболеваний на основе многочастотной импедансометрии биоматериалов» и в соответствии с научным направлением Юго-Западного государственного университета «Разработка медико-экологических информационных технологий».

Результаты работ внедрены в учебном процессе Юго-Западного

государственного университета при подготовке специалистов 200401 -«Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и используются в клинической практике Муниципального учреждения здравоохранения городской клинической больницы скорой медицинской помощи г. Курска.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы: теории биотехнических систем медицинского назначения, теории линейных электрических цепей, математического моделирования, нечеткой логики, нейросетевых технологий. При разработке нейросетевых модуля принятия решений в качестве инструментария использовался Matlab 8.0 с графическим интерфейсом пользователя для Neural Network Toolbox и со встроенным пакетом Fuzzy Logic Toolbox.

Положения, выносимые на защиту. 1. Структурно-функциональная модель электропроводности биоматериалов в аномальных зонах, выполненная в виде последовательно соединенных настраиваемых диодно-резистивных ячеек, позволяющая учитывать диэлектрические свойства биоматериалов и реакцию систем организма на зондирующий ток. 2. Метод формирования пространства информативных признаков, основанный на исследовании вольтамперных характеристик биоактивных точек. 3. Структура гибридной нейронной сети с макрослоями, позволяющая осуществлять дифференциальную диагностику пиелонефрита. 4. Мобильная биотехническая система на основе многоагентной схемы принятия решений для диагностики пиелонефрита у беременных женщин.

Степень достоверности и апробация работы. Результаты исследования показали их воспроизводимость в различных условиях, непротиворечивость концепциям акупунктурной диагностики и нейросетевого моделирования, а так же аналогичным результатам, полученным другими исследователями. Метод и алгоритмы исследования вольтамперных характеристик БАТ построены на теории нелинейных электрических цепей и теории управления в биотехнических системах и согласуются с ранее опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации.

Основные теоретические положения и научные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на И Международных, Всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах: «Медико-экологические информационные технологии» (Курск - 2010, 2012, 2013); «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань - 2009, 2012); «Информационные технологии и компьютерные системы для медицины» (Маврикий - 2012); «Теория и практика системного анализа» (Белгород - 2012); «БИОЛОГИЯ -НАУКА XXI ВЕКА» (Пущино - 2013); «Информационно-измерительные диагностические и управляющие системы. Диагностика - 2013» (Курск - 2013); «Медицинская кибернетика и междисциплинарная подготовка специалистов для медицины» (Томск - 2013), «Актуальные вопросы биомедицинской инженерии» (Саратов - 2013), на научно-технических семинарах кафедры биомедицинской инженерии ЮЗГУ (Курск - 2009, 2010, 2012, 2013, 2014).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и библиографического списка, включающего 78 отечественных и 23 зарубежных наименований. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунка и 8 таблиц.

1 Методы и системы поддержки принятия диагностических решений на основе анализа электрического сопротивления в биоактивных точках

1.1 Хронический пиелонефрит у беременных и методы его диагностики

По данным литературы, в настоящее время прослеживается неуклонный рост числа инфекционно-воспалительных заболеваний мочевыводящих путей, в том числе пиелонефрита, который встречается у 15—20% лиц молодого возраста [6, 25]. Он занимает лидирующее место в структуре заболеваний почек во всех возрастных группах — от новорожденных до долгожителей. Особенно актуальна эта проблема с позиций современного акушерства и перинатологии, так как чаще всего заболевание проявляется или возникает впервые во время беременности, обусловливая осложненное течение гестационного процесса и высокую заболеваемость новорожденных при наличии этой патологии у матери [6, 41].

К наиболее частым осложнениям беременности при пиелонефрите относятся невынашивание, гестоз, анемия, плацентарная недостаточность, хроническая гипоксия плода и/или задержка его внутриутробного развития [6, 25]. Наличие пиелонефрита также осложняет течение родов и послеродового периода. Установлено, что у рожениц с данной патологией достоверно чаще встречаются преждевременное или раннее излитие околоплодных вод, острая интранатальная гипоксия плода, нарушения сократительной активности матки, процессов отделения и выделения последа [25]. После родов в 2—3 раза возрастает риск возникновения гнойно-воспалительных процессов в мочеполовых органах. Пиелонефрит неблагоприятно влияет на состояние плода и новорожденного, являясь источником внутриутробного инфицирования и обеспечивая развитие плацентарной недостаточности [6, 25, 41, 58]. Это диктует необходимость пристального внимания исследователей к проблеме пиелонефрита у беременных женщин.

Среди клинико-лабораторных исследований ведущими в диагностике пиелонефрита являются клинические и биохимические анализы крови и мочи. В общем анализе крови выявляются лейкоцитоз, нейтрофильный сдвиг лейкоцитарной формулы влево за счет увеличения к