автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Модели и метод метрологического анализа сложного информационно-измерительного комплекса для аналитических измерений в гематологии

на правах рукописи

Наумов Вадим Юрьевич

МОДЕЛИ И МЕТОД МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СЛОЖНОГО ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ГЕМАТОЛОГИИ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении) 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 1 МОЯ 2013

005539395

Волгоград-2013

005539395

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» Министерства образования и науки РФ.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Муха Юрий Петрович.

Официальные оппоненты:

Мелентьев Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Самарский государственный технический университет, заведующийкафедрой информационно-измерительной техники;

Ведущая организация

Безбородое Сергей Александрович,

кандидат технических наук, Волгоградский государственный медицинский университет, заведующий кафедрой биотехнических систем и технологий.

Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Защита состоится «10» декабря 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном

техническом университете по адресу: 400005, Волгоград, пр. им. Ленина, 28,ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан " ноября 2013

Ученый секретарь диссертационного совета

Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования. Метрологическое обеспечение лабораторных исследований представляет собой одну из важнейших проблем, ее решение актуально, так как может обеспечить высокую точность и воспроизводимость результатов анализа, а, следовательно, и повысить достоверность диагностических заключений, формируемых на основании этих результатов.

Полнота и точность знаний о процессах формирования погрешностей в информационно-измерительных системах для аналитических исследований связана не только с самой системой, измеряющей определенные показатели, но и с процессом измерения в целом. При этом процесс измерения включает в себя преаналитический, аналитический и постаналитический этапы работы, поэтому при анализе полной погрешности измерения и ее характеристик, необходимо учитывать в измерительном уравнении не только собственно само измерение, но и остальные факторы, влияющие на конечный результат.

Построение аналитической модели при оценке функционального состояния человека без использования системного подхода, в принципе невозможно, поскольку многоуровневые обратные связи имеют сложное аналитическое представление. Во многих работах по физиологии организм рассматривается как сложная динамическая система, взаимодействующая с внешней средой, поэтому необходимо изучение связи элементов внешней среды, биологического объекта и измерительной системы в рамках единого системного похода. Исследование и построение измерительных систем в рамках такого направления является актуальным при изучении сложных биологических систем, поскольку устанавливает однозначную связь объекта и инструмента измерения, обеспечивает необходимую точность и достоверность при анализе и принятии решения.

Степень разработанности темы.

Повышение качества медицинской помощи: Комаров Ю.М. (2008), Михайлова Н.В. (2009), Хоровская Л.А. (2009), Меньшиков В.В. (2003), Пименова JI.M. (2003), Эмануэль B.JI.(1996)

Стандартизация качества медицинских услуг: Малахов В.Н. (2002), Сапрыгин Д.Б. (2005), Гайдаров Г.М. (1996), Железняк Е.С. (1996), Камаев И.А. (1997), Гусарова Г.И. (2003), Саушева Г.Д. (1993), Рыбкин Л.И. (1993), Ярошенко А.Н. (1996), Поляков И.В. (1997), Абашин H.H. (1998), Вишняков Н.И. (1998), Кацул П.С. (1998), Чернова Т.В. (1999), Галлямова Р.У. (2001), Короткова A.B. (2003),

Теория функциональных биологических систем: Анохин, Судаков К.В. (1987), Гольдберг Е.Д. (1998), Дыгай А.М. (2013)

Теория категорий и функторов: Букур И. (1972), Деляну А.(1972), Маклейн С. (2004), Бурбаки Н. (1986)

Теория последовательного метрологического анализа: Цветков Э.И. (2003) Теория биоинстументальных ИИС: Муха Ю.П.(2013), Королева И.Ю.(2010), Авдеюк О.А.(2003), Антонович В.А. (2005), Бугров А.В.(2009)

Объектом исследования являются адаптационные процессы в кроветворной функциональной системе организма под влиянием внешних воздействий.

Предмет исследования - метод, модели и алгоритмы метрологического анализа результатов измерения множества форменных элементов периферической крови при адаптационных процессах.

Цель работы. Разработка математических моделей, метода и алгоритмов, обеспечивающих метрологический анализ проводимых гематологических клинико-диагностических исследований, за счет использования современных информационных технологий и математического аппарата, основывающегося на теории последовательного метрологического анализа, общей теории функциональных систем и математическом аппарате категорий и функторов, для метрологического анализа результатов работы сложной информационно-измерительной системы для аналитических измерений в гематологии.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих подходов к метрологическому анализу гематологических измерений и построена формальная модель объекта измерения.

2. Синтезирована функциональная модель гемопоэтической системы и представлена структура информационных потоков.

3. Разработана модель структуры биоинструментальной информационно-измерительной системы (БИИС)и выделены структурно-аналитические категории адаптационных процессов гемопоэтической системы организма.

4. Разработана методика оценки качества проводимых исследований на базе математического аппарата категорий и функторов и проведены эксперименты, подтверждающие адекватность БИИС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы теории функциональных систем в биологии и медицине, методы системного анализа, структурные методы проектирования систем, теории множеств, методы теории категорий и функторов, методы последовательного метрологического анализа, методы модульного и объектно-ориентированного программирования.

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

- метод синтеза структуры информационных потоков гемопоэтической системы в рамках теории категорий и функторов, отличающийся тем, что физиологические объекты представлены объектами категорий, а взаимосвязи отображениями - морфизмами и функторами, что позволяет формализовать адаптационные процессы гемопоэтической системы и адекватно интерпретировать показатели математической обработки биологического сигнала;

- структурная модель гемопоэтической функциональной системы организма, основанная на математическом аппарате категорий и функторов,

отличающаяся тем, что позволяет ввести структуру биопреобразователя для дальнейшего метрологического анализа! чтобы исследовать и оценивать адаптационные процессы в кроветворной системе организма человека количественно и качественно;

- модель биоинструментальной информационно-измерительной системы, использующейся при аналитических измерениях, отличающаяся тем, что может быть использована в гематологических исследованиях, причем в этой системе первичным преобразователем входного воздействия является исследуемый биологический объект, что позволяет конкретизировать исследование свойств биообъекта;

- метод расчета полной погрешности результата подсчета количества форменных элементов периферической крови, основанный на категорно-функторной модели функции адаптации кроветворной системы организма, отличающийся тем, что кроме инструментальной части информационно-измерительной системы анализируется еще и биологическая;

- алгоритм оценки достоверности результатов гематологических измерений, на базе которого написан программный комплекс, позволяющий автоматизировать учет погрешностей при анализе результата подсчета количества форменных элементов периферической крови, отличающийся тем, что учитываются погрешности, вносимые как инструментальной так и биологической частью информационно-измерительной системы.

Достоверность исследования обусловлена соответствием разработанных моделей законам нормальной физиологии, корректностью математических выводов, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений и результатами экспериментальных данных, коррелирующими с экспериментальными и литературными данными.

Практическая значимость и результаты внедрения работы.

Разработанные метод, модели и алгоритмы и соответствующее программное обеспечение составили основу для построения системы принятия решений врача-гематолога, предназначенной для уточнения результатов анализа периферической крови, экспериментальные испытания которой показали целесообразность ее использования в медицинской практике. Применение разработанной модели БИИС и программного комплекса позволяет повысить качество профилактических и реабилитационных мероприятий, а также планировать эксперименты, направленные на анализ адаптационных процессов гематологической системы организма человека.

Основные теоретические и практические результаты работы включены в учебный план подготовки студентов по направлению «Биотехнические системы и технологии», Волгоградского государственного медицинского университета, кафедры «Биотехнические системы и технологии» и используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета при подготовке специалистов направления 221700 «Стандартизация и метрология» (дисциплина «Метрология») и в клинической практике.

Экономическая и социальная значимость результатов диссертационного

исследования состоит в улучшении качества медицинской помощи населению, при проведении анализов периферической крови.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод синтеза структуры информационных потоков гемопоэтической системы, осуществленный в терминах теории категорий и функторов, отличающийся тем, что физиологические объекты представлены объектами категорий, а взаимосвязи отображениями - морфизмами и функторами, позволит формализовать адаптационные процессы гемопоэтической системы и адекватно интерпретировать показатели математической обработки биологического сигнала.

2. Структурные модели гемопоэтической функциональной системы организма и биоинструментальной информационно-измерительной системы, основанные на математическом аппарате категорий и функторов, позволят ввести структуру биопреобразователя для дальнейшего метрологического анализа, чтобы исследовать и оценивать адаптационные процессы в кроветворной системе организма человека количественно и качественно, а также конкретизировать исследование свойств биообъекта.

3. Метод расчета полной погрешности результата подсчета количества форменных элементов периферической крови, основанный на категорно-функторной модели функции адаптации кроветворной системы организма, отличающийся тем, что кроме инструментальной части информационно-измерительной системы анализируется еще и биологическая, что позволит повысить достоверность проводимых аналитических измерений в гематологии.

4. Алгоритм оценки достоверности результатов гематологических измерений, на базе которого написан программный комплекс, который позволит автоматизировать учет погрешностей при анализе результата подсчета количества форменных элементов периферической крови, отличающийся тем, что учитываются погрешности, вносимые как инструментальной так и биологической частью информационно-измерительной системы

Реализация научно-технических результатов. Результаты работы использованы в госбюджетной научно-исследовательской работе в соответствие с темами: № 31-53/429-04 «Разработка методов синтеза сложных измерительных систем на базе нейронных сетей»; № 31-53/145-09; № 3153/435-12 «Проектирование сложных измерительных комплексов», выполняемых на кафедре «Вычислительная техника» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования волгоградского государственного технического университета министерства образования и науки РФ (ВолгГТУ), по плану Минобрнауки РФ. Отдельные теоретические и практические результаты использовались в учебном процессе ВолгГТУ при проведении практических работ по дисциплинам «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», «Организация работы сложных измерительных комплексов и систем» и «Метрология». Результаты работы

включены в учебный план подготовки студентов по направлению «Биотехнические системы и технологии», Волгоградского государственного медицинского университета.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует специальности 05.11.17 - «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», а именно п.2 - «Значение решения научных, технических, медико-биологических проблем и проблем приборного и инструментального развития современных медицинских технологий и информационного их обеспечения для задач здравоохранения состоит в создании ... измерительной техники и средств метрологического обеспечения, создании новых средств передачи и отображения медико-биологической информации» области исследования. Указанная область исследования соответствует специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы», а именно п.З «Методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных и управляющих систем, метрологического обеспечения испытаний и контроля, метрологического сопровождения и метрологической экспертизы информационно-измерительных и управляющих систем, методы проведения их метрологической аттестации».

Апробация работы. Материалы работы докладывались на научных семинарах кафедры «Вычислительная техника» ВолгГТУ (Волгоград 20052012); ежегодных внутривузовских конференциях ВолгГТУ (Волгоград 20052012); международных конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград 2006, 2009); 7-й международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация (ИКИ-2006)» (Барнаул 2006); II и III Всероссийских конференциях с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» (Волгоград 2007, 2008);Ежегодной всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (Саратов 2008); XII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2007);ХУ международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2009), по результатам выступления был получен диплом 2 степени; 15-м Российском симпозиуме с международным участием «Миллиметровые волны в медицине и биологии» (Москва 2009); IV научной конференции «Системный анализ в медицине (САМ)» (Благовещенск 2010); VI международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии. БФФХ-2010» (Севастополь 2010); X Международной научно-технической конференции «Распознавание - 2012», (Курск 2012); 1-й МНПК «Инновационные информационные технологии» (Прага, Чехия 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 7 - в журналах, рекомендованных ВАК, 2 в зарубежных сборниках.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты получены

лично автором. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата соискателем лично разработаны в [1, 2, 10] -классификация погрешностей гематологических исследований, [3, 11, 15, 16, 17] - категорная модель информационных потоков БИИС для гематологических исследований, [5] - анализ влияния внешних факторов на процесс гематологических измерений, [6, 7, 8, 9, 12, 18, 19] - метод метрологического анализа ИИС, [14] -синтез модели БИИС для гематологических исследований, под руководством научного руководителя д.т.н., профессора Мухи Ю.П. [3, 13] - принцип системной организации эксперимента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Общий объем работы составляет 176 страниц, включая 5 рисунков, 7 таблиц, 8страниц библиографии, содержащей 92 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, определены цель и задачи диссертации, сформулированы положения, выносимые на защиту, показана научная и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены вопросы повышения качества медицинских услуг и контроля качества клинико-диагностических лабораторных измерений. Большинство мероприятий, регламентированных нормами контроля качества, установленными нормативными документами, остается только на бумаге, что обусловлено недостатком финансирования и перегруженностью персонала клиник работой, а это приводит к тому, что полноценный внутрилабораторный контроль качества для всех выполняемых в клинико-диагностической лаборатории (КДЛ) исследований не представляется возможным.

Метрологический анализ клинико-диагностических исследований в гематологии обеспечивается в соответствии с регламентом метрологического обеспечения гематологических анализаторов Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации (Методические рекомендации 21 марта 2007 г. №2050-РХ. Гематологические анализаторы. Интерпретация анализов крови). Однако такой подход позволяет оценить погрешность измерений, обусловленную только инструментальной частью системы.

Мероприятия, проводимые в рамках контроля качества, позволяют отбраковать явно неправильные результаты, однако при этом проверку проходят результаты с погрешностями на грани допустимых. Под анализом результатов исследования понимается контроль качества получившегося результата (Эмануэль B.JL, 2006), при этом не анализируется процесс получения результата и влияющие на него преобразования исходных величин.

Вместе с тем, многие из описанных проблем могут быть решены с помощью автоматизации работы КДЛ путем оснащения ее программно-аппаратными измерительными комплексами, автоматизированными рабочими местами, в том числе и для проведения контроля. Для этого необходимо четко представлять процесс любого измерения, формализовать и систематизировать факторы, влияющие на измеряемую величину на всех стадиях и вносящие

искажения в результат измерений, построить модель измерительной процедуры, метода анализа и трактовки результатов.

В результате проведенного анализа предметной области можно сделать вывод, что в наше время метрологическое обеспечение касается только инструментальной части измерительной системы, а погрешность, вносимая биологической частью, оценивается по результатам анкетирования, да и то не всегда. Предложенный нами метод позволит улучшить качество медицинской помощи за счет повышения достоверности результатов анализов крови, так как предложенная нами оценка погрешности позволяет учесть внешние факторы, влияющие на результат измерения. Определить составляющие части погрешности измерения и присущие им характеристики можно воспользовавшись концепцией биоинструментальной информационно-измерительной системы (БИИС) (Муха Ю.П., Антонович В.А., Бугров А.Н.). Так как метрологическая поверка гематоанализатора как средства измерения, мало чем отличается от поверки любого другого средства измерения, то этот вопрос в диссертации рассматривается в рамках последовательного метрологического анализа (Э.И. Цветков), а отклонение результатов измерений, связанные с адаптационными процессами в организме пациента - с использованием математического аппарата категорий и функторов, на основании разработанной нами модели информационных потоков.

Для достижения цели диссертационной работы нами проводится метрологический анализ результата подсчета форменных элементов крови на примере эритроцитов. Под метрологическим анализом подразумевается процесс оценки достоверности результатов исследования на основе учета погрешности измерений для улучшения качества медицинской помощи. В качестве эталона берется установленный в нормальной физиологии интервал нормы измеряемого параметра (по данным литературы за последние сто лет интервалы норм изменились слабо, и то в сторону уточнения диапазона верхней и нижней границ нормы). Если рассматривать отдельно вопрос метрологического анализа гематоанализатора, то для его калибровки используются синтетические жидкости с заданным количеством элементов, по физическим характеристикам сходных с измеряемыми величинами.

Во второй главе рассмотрен метод синтеза категорной модели информационных потоков БИИС, в которой первичным преобразователем многопараметрического входного воздействия на организм является сам биологический объект, при этом она содержит в себе математическую модель исследуемого объекта, основанную на первоначальных параметрах биологической модели.

Нами разработан метод синтеза описанной выше системы, состоящий в следующем:

1.на основе выбранной информационной структуры выделяются информационные потоки;

2. назначается вход системы (в нашем случае внешнее воздействие);

3.назначается выход системы (в нашем случае набор форменных

элементов периферической крови);

4.в информационном потоке выделяются узловые элементы, являющиеся объектами функциональной системы;

5.выделяются взаимосвязи между объектами, на основе которых определяются характеристики информационного преобразования.

Анализ биологической составляющей БИИС произведен в рамках общей теории функциональных систем, позволяющей исследовать различные проявления живого организма - от его гомеостатических функций до активной целенаправленной деятельности во внешней среде.

На основе законов нормальной физиологии, принципов регуляции кроветворения (Дыгай A.M., Жданов В.В.) и описанного ранее метода нами была синтезирована модель биологической части БИИС (1). Для построения адекватной модели был использован системный анализ: была выявлена структура, указаны участники и характер взаимодействий, что в рамках теории функциональных систем позволяет провести математическую формализацию физиологической модели в рамках определенного математического аппарата формализации, в нашем случае, теории категорий и функторов. Полученная модель при необходимости может быть записана и аналитически, однако, основная цель используемого аппарата формализации — корректное представление структуры и систематизация полученного знания, .обеспечивающая простоту и удобство понимания исследователями и пользователями.

В расширенной диаграмме процесса регуляции кроветворения (1), описана топологическая структура каждого участника, указаны взаимосвязи как мгновенные, так и постоянно действующие. В ней приняты следующие обозначения: X - пространство уровней управления гемопоэзом, Q-пространство внешних воздействий, I- пространство состояний внутренней среды организма, F-множество состояний периферической крови; в морфизмах (Х\и т.д.) принято обозначение: нижний индекс определяет объект, с которого происходит отображение, верхний - порядковый номер этого отображения.

Каждый морфизм, представленный на схеме, представляет собой сложный процесс динамического взаимодействия различных функциональных систем организма и, в случае необходимости, может быть представлен более подробно.

Полученные результаты позволяют проанализировать синтезированную диаграмму информационных потоков в БИИС и выделить структурно-аналитические уравнения адаптационных контуров гемопоэтической системы человека.

В третьей главе определяются категории для выделенных во второй главе пространств состояний внутренней среды организма I, внешних воздействий £>, уровней управления Хи множества состояний периферической крови^. Рассматривается процесс распространения информации с позиции комплексного категорно-функторного похода. Согласно пространству законов и расширенной диаграмме (1) видно, что существуют не только представленные отображения внутри категории, но и отображения из категории в категорию, которые определяются как функторные.

Полученная в рамках такого подхода структура представляет собой описание состояния объекта измерений в произвольно заданный момент времени. Категорная диаграмма информационных потоков процесса управления кроветворной системой была определена как «навязанная» структура ИИС диагностического профиля. То есть системный параметр-количество форменных элементов крови, был представлен в рамках формализованной структуры, что обеспечило однозначное исследование заданных моделью свойств по исходному сигналу и детализацию модели объекта.

В соответствии с нормальной физиологией, в зависимости от типа внешнего воздействия могут включаться только некоторые уровни управления, отвечающие за адаптационные процессы в организме.

В третьей главе были рассмотрены три типа воздействий, отличающиеся по интенсивности и активизирующие различные уровни адаптации. Было выделено три адаптационных контура, представляющих собой интегральный уровень управления гемопоэтической системы организма, направленный на оптимальное поддержание метаболизма организма в целом. В ответ на внешнее воздействие включаются локальные и дистантные механизмы регуляции категории X, позволяющие поддерживать множество форменных элементов крови Г в пределах, соответствующих норме.

Конкретный элемент пространства внешний воздействий на организм

= >->вт} е в задает условия исследования.

Первый адаптационный контур активизируется при таком внешнем воздействии, при котором основные адаптационные процессы проходят на внутриклеточном уровне.

Второй адаптационный контур активизируется при таком внешнем воздействии, при котором основные адаптационные процессы затрагивают не только внутриклеточный уровень, но и гемопоэзиндуцирующее микроокружение.

Третий адаптивный контур управления - это высший и самый сложный уровень, который интегрирует все уровни управления и контролирует функциональную деятельность организма под влиянием воздействий среды извне. Момент и время его активации у каждого организма индивидуальный. Поэтому исследователь, выбирая параметры внешнего воздействия, должен учитывать большее число факторов воздействия и их величину.

Так как в процессе формализации структурных уравнений давалась их физиологическая интерпретация в соответствии с нормальной физиологией, то это позволяет судить о достоверности математической модели объекта измерения; а определенные взаимосвязи между внешними воздействиями и системными параметрами, заданные в виде последовательных функторных отображений, позволяют конкретизировать клинико-диагностические исследования и, как следствие, повысить эффективность диагностики.

Использованный математический аппарат категорий и функторов позволяет перейти к построению автоматизированной диагностической системы и провести ее метрологический анализ.

Четвертая глава посвящена вопросам метрологического анализа синтезированной БИИС. Так как возможно осуществление смешанных схем анализа, то мы используем расчетно-имитационно-экспериментальный метрологический анализ, тем самым объединяя все три метрологических подхода, каждый из которых используется в определенном месте анализа результата измерительной процедуры.

В четвертой главе анализируется математическая модель измерительной ситуации (2), включающая формализованное представления знаний свойств измеряемой величины и входного воздействия, условий измерений, вида процедуры и состава имеющегося измерительного ресурса, а также предъявленных требований и наложенных ограничений.

Математическая модель измерительной ситуации в общем случае имеет

вид:

ММСИТ = = (2)

здecьЛ = F(y) - функциональная связь, ММГ- математическая модель входного воздействия, ММУ - математическая модель условий измерения, 1'Г(*) = Кт"Аг(1)- измерительная процедура, ММмГ математическая модель средств измерения, при этом / - номер измерительного модуля, -

совокупность отношений, представляющих требования и ограничения.

Подход к метрологическому анализу БИИС для гематологических измерений с формальной точки зрения состоит в установлении связи между процессом формирования погрешности и теми преобразованиями информации, которым она подвергается при ее передаче от одного блока гематоанализатора к другому.

Переходом от представленного в третьей главе метода, содержащего описание измерительной процедуры БИИС, к формализации метрологического

анализа является запись уравнений измерений в обобщенной операторной форме.

Вследствие того, что для живого организма нет необходимости строгого достижения определенного состояния, а важно, чтобы состояние динамической системы не вышло из некоторой области, определяющей многообразие допустимых значений существования, можно записать уравнение реализуемой адаптации (З)для рассмотренных в третьей главе контуров в следующем виде:

ADl = W^^S^Y^i (R (б* )))))}+ AW +A^ + AS + AY +

+ AS + A Y + Ддгз + AR + Дб AD'« = ( W („J (s (Y (R (fi* ))))] jfl (Xl (AD» ))+AW+Ao¡ + AS + AY + Azi + AR + LQ

(3)

здесь, Г] (?) - измеряемая величина, состав форменных элементов

периферической крови— входное воздействие, определяемое множеством входных воздействий С2; \У, в, У и Я- операторы измерительных преобразований в функторном представлении; и\,х\,%1 - операторы измерительного преобразования в категорном представлении, Д - символ операции присоединения дополнительных процессов, характеризующих не идеальность управления, а пересечение означает, что следующий адаптационный контур включает в себя предыдущий.

4(0" -RlR\

МО R\R¡R\

МО пЗ п2 т>1 3 3 3..8

МО

МО п5 nb п Зп2п1 л5 л5 л5 А3 Л3 л3

МО ni р4 рЗ п2 pl Хбкб К6К6 3..8

МО n¡ р4 рЗ р2 ni Л, Л, Л7Л7 8Л3 g

МО ^8^7,8^3.8

МО RyRl

4/(0. .•^ío^io^io

*(0

(4)

Биопроба состоит из различных форменных элементов крови, каждый из которых проходит свои стадии дифференцировки и пролиферации, на каждой из которых возможны внешние воздействия, влияющие, в конечном счете, на

13

результат измерений.

Учитывая уравнения измерительных процедур, полученные в главе 2 и модель биологической части БИИС (1) можно перейти к общему уравнению формирования биопробы в реализуемом виде. Используемые в уравнении операторы преобразований информационного потока расписаны в главе 2 для каждой из приведенных выше зависимостей.

Сформированная (4) биопроба попадает на вход гематоанализатора. Дальнейший анализ измерительного уравнения зависит от используемой модели гематоанализатора. Например, для гематоанализатора Коултера измерительная процедура имеет вид:

Xj = RKRDPRsRiiKRmRFORMR(JSRFRRKKRuRl::RKRlRLRFiRny] (f), (5)

где Yj{t) - анализируемая проба, j - номер анализа, RP, - оператор разбавления, RP2 - оператор дополнительного разбавления, RL- оператор лизации раствора и обработки раствором Драбкина, R,- оператор регистрации импульсов, .Кооператор регистрации количества импульсов, R'c - операция подсчета, где /-1,...,6 - порядковый номер счетной камеры, RKK- оператор калибровки, Rfr -оператор фильтрации, Rus - оператор усреднения, Rmоператор формирования выходного сигнала, R,B- оператор обработки интерфейсным блоком, Radc- оператор аналого-цифрового преобразования, Rs- оператор коммутации, RDP - оператор заключительной обработки, Rr- оператор отображения.

В четвертой главе приводится пример метрологического анализа, использующий данные наиболее изученных элементов измерительной процедуры.

Для биологической части БИИС, например, так как возраст человека влияет на все метаболические процессы в организме, то игнорирование возраста пациента приведет к увеличению погрешности измерения. Для определения ее величины в четвертой главе были определены математическое ожидание и дисперсия, что позволило вычислить среднее значение плотности распределения (5)по возрастным группам:

/ (*-/"(0)2 2ог2 (О

✓

Исходные диапазоны имеют вероятность Р = 0,9973 попадания в них величины х внутри возрастной группы 1,. Видно, что игнорирование фактора возраста приводит к снижению достоверности получаемых значений. То есть погрешность классификации возросла с 0,37% до 8,37%.

В качестве примера анализа фрагмента инструментальной части БИИС возьмем аналого-цифровой преобразователь как наиболее исследованный элемент структуры. Аналого-цифровое преобразование, выполняемое современными дельта-сигма АЦП и, в частности, микросхемой ADS1241,

dt, =0.91628. (5)

используемой в гематоанализаторе ABL77, имеет следующую операторную форму (6):

«j = Radc"> = {t) = ôy+ 8Ш + SmL + 5Ф « 2,8 W?, (6)

где Rà- дискретизация аналогового входного воздействия, RK - квантование, считывание сформированной при квантовании кодовой комбинации,RM-масштабирование, 5У- ошибка уСИЛеНИЯ, ÔAdd~ аДДИТИВНЭЯ ПОГреШНОСТЬ, Ôj|s[L— интегральная нелинейность, 5ф- погрешность цифровой фильтрации.

В пятой главе рассматриваются вопросы применения синтезированной БИИС для решения практических задач.

Технические характеристики: ГематоанализаторАМЬ 77 Требования к ЭВМ: ОС Microsoft Windows ХР или выше Процессор частотой 1 ГГц 512 Мб оперативной памяти 20 Мб на жестком диске .NET Framework 3.5

Рисунок 1 - Аппаратно-программный комплекс С учетом указанных выше зависимостей и структурной оценкой погрешности инструментальной части БИИС, нами был разработан алгоритм (рис. 2), позволяющий реализовать программный комплекс для учета погрешности при анализе результатов клинико-диагностических измерений в гематологических исследованиях.

Определение погрешности биологической части БИИС 1

—----—~ I , -------^

|_Определение погрешности инструментальной части БИИС _|

[_____Задание интервалов нормы [

Учет влияния погрешности на верхнюю и нижнюю границы интервала

* (Реэультат<Нижней границы норны с учетом погрешности) или (Результат > Верхней границы нормы с учетом

погрешности)

Рисунок 2 - Алгоритм обработки результата Программный комплекс позволяет анализировать

результат 15

гематологических измерений с учетом погрешности измерения и выдавать на экран сообщение (рис. 3), характеризующее попал результат в пределы нормы, оказался выше или ниже нормы, или является недостоверным так как попал на границу между нормальным и патологическим состоянием, а точное значение нельзя определить, так как учитывается погрешность.

Метод принятия решения о достоверности результата исследования:.

1. задаются данные результата исследования;

2. в соответствии с анкетными данными пациента выставляются критерии, влияющие на результат измерений;

3. если не стоит отметка «учет погрешности», анализируется попадание результата в интервал нормы с выводом соответствующего сообщения;

4. если стоит отметка, то границы нормы «размываются» появлением зоны неопределенности и при попадании в нее результата выдается сообщение, что он не может считаться достоверным (рекомендуется повторное проведение анализа).

Для проверки достоверности программного комплекса нами был проведен ряд экспериментов, заключающихся в следующем: мы брали данные гемограмм, приведенные в литературе и сравнивали литературные и выдаваемые программой результаты диагноза, в соответствии с алгоритмом, приведенном на рисунке 2, погрешностями, определенными в четвертой главе диссертации, принятыми интервалами норм (для эритроцитов 4,0-5,1х1012/л).

В случае явной патологии (количество эритроцитов меньше 4,0х1012/л -эритропения, или количество эритроцитов больше 5,1x1012/л-эритроцитоз) программа выдавала совпадающий с литературой результат соответственно «ниже нормы» или «выше нормы. В случае гемограммы здорового человека(для эритроцитов 4,0-5,1х1012/л) результат работы программы «в пределах нормы».

В случае, когда результат анализа попадает на границу нормы (для нижней границы количества эритроцитов 3,68-4,32х1012/л, для верхней границы -4,69-5,51х1012/л) он не может считаться достоверным, следовательно, анализ крови нужно провести заново. В настоящее время, в зависимости от того, с какой стороны границы нормы находится результат, возможна постановка ложноположительного или ложноотрицательного диагноза.

Для уменьшения погрешности измерения, нами в программу была добавлена возможность уточнения возраста пациента, что позволяет уточнить интервал нормы и уменьшить погрешность измерения на 8%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованы методы и алгоритмы повышения качества медицинской помощи в клинико-диагностических исследованиях и методы метрологического анализа результатов клинических исследований. На основе проведенного анализа выбран адекватный математический аппарат категорий и функторов,

16

позволяющий формализовать измерительную процедуру и ввести количественные оценки проводимых измерений на основании метода последовательного метрологического анализа.

2. Создана модель гемопоэтической функциональной системы организма, представленная совокупностью пространств и базисных множеств, компоненты которых детально рассматриваются с выделением связывающих их основных соотношений, которая позволяет синтезировать БИИС для гематологических исследований, ввести структуру биопреобразователя для дальнейшего метрологического анализа. В качестве адекватного математического аппарата для структурного описания состава рассмотренных пространств и базисных множеств использована теория категорий и функторов.

3. Создана модель информационных потоков в гемопоэтической функциональной системе организма, в которой связи между категориями представления внешних воздействий, уровней управления, внутренней среды организма и состоянием периферической крови определены функторными отображениями, при этом одно из отображений было детально рассмотрено, с декомпозицией до составляющих его биохимических управляющих воздействий, что позволяет включить их в уравнение измерительной процедуры для последующего анализа и проведения экспериментальных исследований.

4. Создана категорно-функторная модель функции адаптации кроветворной системы организма, в которой навязанная структура управления гемопоэтической функциональной системой, выстроенная в строгом соответствии с нормальной физиологией и биокибернетическим подходом Анохина-Судакова, позволила выделить адаптивные контуры управления, записать структурно-аналитические уравнения и придать им физиологический смысл. Структурно-аналитическая запись уравнений адаптации в рамках математического аппарата категорий и функторов позволила учесть и формализовать все возникающие в процессе адаптации связи, включая глубокие обратные.

5. На основании категорно-функторной модели функции адаптации кроветворной системы организма представлен метод расчета полной погрешности биологического и инструментального преобразователя БИИС, на основе функционала, позволяющего определять характеристики погрешности на основе структуры полной погрешности преобразований информационного потока. Результат метрологического анализа может быть использован для подтверждения достоверности проведенных клинико-диагностических исследований.

6. С использованием методов модульного и объектно-ориентированного программирования на языке высокого уровня создан программный комплекс, позволяющий автоматизировать учет погрешностей при анализе результата подсчета количества форменных элементов периферической крови.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Наумов, В.Ю. Классификация погрешностей гематологических исследований / В.Ю. Наумов, Ю.П. Муха // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2007. - №5. - С. 37-44.

2. Наумов, В.Ю. Погрешности аналитического этапа гематологических исследований / В.Ю. Наумов // Известия ВолгГТУ. Серия "Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - Вып. 2, № 4. - С. 62-66.

3. Муха, Ю.П. Принцип системной организации эксперимента для исследования динамики функциональных систем в биологии и медицине / Ю.П. Муха, Л.Г. Акулов, В.Ю. Наумов // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2010. -№ 6. - С. 43-52.

4. Муха, Ю.П. Синтез категорной модели информационных потоков биоинструментальной ИИС при гематологических измерениях / Ю.П. Муха, В.Ю. Наумов // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2010. - № 6. - С. 38-42.

5. Авдеюк, O.A. Влияние внешних факторов на измерительную ситуацию в гематологических исследованиях / O.A. Авдеюк, В.Ю. Наумов, Л.Г. Акулов // Изв. ВолгГТУ. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». Вып. 6 :межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 6. - С. 64-68.

6. Муха, Ю.П. Свойства фрактально-категорной модели динамической схемы физиологической функциональной системы / Ю.П. Муха, И.Ю. Королева, В.Ю. Наумов, Л.Г. Акулов // Биомедицинская радиоэлектроника. -2012.-№ 11.-С. 61-65.

7. Наумов, В.Ю. Принципы метрологии информационно-измерительных систем для аналитических измерений в биомедицине / В.Ю. Наумов, Д.В. Орда-Жигулина, И.С. Соботницкий // Инженерный вестник Дона.

- 2012. - Т.23. - №4-2. - С. 26.

Прочие издания

8. Наумов, В.Ю. Метрологический анализ сложного измерительного комплекса на примере ЯМР-томографа / В.Ю. Наумов // Измерение, контроль, информатизация (ИКИ-2006): матер. 7-й Междунар. науч.-техн. конф., г.Барнаул, 1-2 июня 2006 г. / Алтайский гос. техн. ун-т им. ИИ.Ползунова и др.

- Барнаул, 2006. - С. 155-157.

9. Наумов, В.Ю. Метрологический анализ информационно измерительной системы / В.Ю. Наумов // Вопросы физической метрологии: вестник Поволжского отделения Метрологической академии России: науч.-техн. сб. / Поволж. отд. MAP. - Волгоград, 2006. - Вып.8. - С. 16-22.

10. Наумов, В.Ю. Метрологический анализ гематологических исследований / В.Ю. Наумов, Ю.П. Муха // Бюллетень Волгоградского научного центра РАМН и Администрации Волгоградской области. - 2007. - №3.

- С. 56-57.

- С. 56-57.

11. Наумов, В.Ю. Методика' метрологического анализа в гематологических исследований / В.Ю. Наумов, Ю.П. Муха // Бюллетень Волгоградского научного центра РАМН. - 2008. - № 3. - С. 51-52.

12. Наумов, В.Ю. Погрешности гематологических исследований / В.Ю. Наумов // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2008: матер, ежегод. всерос. науч. шк.-семинара, 3-5 июля 2008 г. / Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского. - Саратов, 2008. - С. 168-170.

13. Муха, Ю.П. Категорная модель информационных потоков биоинструментальной ИИС / Ю.П. Муха, В.Ю. Наумов // Информационные технологии в образовании, технике и медицине : матер.междунар. конф., 21-24 сент. 2009 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 125.

14. Наумов, В.Ю. Метрологический анализ гематологических исследований / В.Ю. Наумов, Ю.П. Муха // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез.докл. междунар. н.-т. конф. студ. и аспир., 26-27 февр. 2008 г. / Московский энергетический ин-т (техн. ун-т) [и др.]. - М., 2009. - Т. 1. - С. 237-238.

15. Муха, Ю.П. Принцип системной организации эксперимента для исследования динамики функциональных систем в биологии и медицине / Ю.П. Муха, Л.Г. Акулов, В.Ю. Наумов // Миллиметровые волны в медицине и биологии : сб. тр. 15 Рос.симпозиума с междунар. участием, Москва, 25-27 мая 2009 г. / ЗАО Медико-техническая ассоциация "КВЧ" [и др.]. - М., 2009. - С. 8285.

16. Наумов, В.Ю. Биоинструментальная измерительная система в гематологических исследованиях / В.Ю. Наумов, Ю.П. Муха // Миллиметровые волны в биологии и медицине. - 2010. - № 4. - С. 27-32.

17. Муха, Ю.П. Категорная модель информационных потоков в биоинструментальной ВВС при гематологических измерениях / Ю.П. Муха, В.Ю. Наумов // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание - 2010 : сб. матер. IX междунар. конф., 18-20 мая 2010 г. / ГОУ ВПО "Курский гос. техн. ун-т" [и др.]. - Курск, 2010. - С. 288-290.

18. Муха, Ю.П. Синтез диаграммы информационных потоков в биоинструментальной ИИС при гематологических измерениях / Ю.П. Муха, В.Ю. Наумов // Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии. БФФХ-2010 : матер. VI междунар. науч.-техн. конф., г. Севастополь, 26-30 апр. 2010 г. В 2 т. Т. 2. Биофизика и биофизическая медицина / Севастоп. нац. техн. ун-т [и др.].- Севастополь, 2010.- С. 238-239.

19. Муха, Ю.П. Синтез категорной модели информационных потоков биоинструментальной ИИС при гематологических измерениях [Электронный ресурс] / Ю.П. Муха, В.Ю. Наумов // Учёные заметки ТОГУ : электрон.науч. издание. - 2010. - Т. 1, № 1. - С. 109-112.

20. Наумов, В.Ю. Метрологические аспекты клинико-диагностических исследований / В.Ю. Наумов, Ю.П. Муха // Инновационные информационные

технологии : матер, первой междунар. науч.-практ. конф. , г. Прага, 23-27 апр.

2012 г. / Моск. гос. ин-т электроники и математики (МИЭМ) [и др.]. - М., 2012. -С. 219-221.

21. Наумов, В.Ю. Метрологический анализ в гематологических исследованиях / В.Ю. Наумов, Ю.П. Муха // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание - 2012 : сб. матер. X междунар. науч.-техн. конф., Курск, 15-17 мая 2012 г. / Центр информ. технологий и проектирования РАН, ФГБОУ ВПО "Юзо-Западный гос. ун-т". - Курск, 2012. -С. 304-306.

22. Наумов, В.Ю. Влияние внешних факторов на измерительную ситуацию в гематологических исследованиях / В.Ю. Наумов, Л.Г. Акулов, Ю.П. Муха, O.A. Авдеюк // Инновационные информационные технологии : матер, междунар. науч.-практ. конф., г. Прага, Чехия, 22-26 апр. 2013 г. В 4 т. Т. 2 / МИЭМ НИУ ВШЭ [и др.]. - М., 2013. - С. 24-25.

23. Наумов, В.Ю. Выделение структурно-аналитического уравнения адаптационных контуров гемопоэтической системы / В.Ю. Наумов, Л.Г. Акулов, Ю.П. Муха, O.A. Авдеюк // Инновационные информационные технологии : матер, междунар. науч.-практ. конф., г. Прага, Чехия, 22-26 апр.

2013 г. В 4 т. Т. 2 / МИЭМ НИУ ВШЭ [и др.]. - М., 2013. - С. 57-58.

24. Муха, Ю.П. Системы измерений с развивающейся структурой / Ю.П. Муха, O.A. Авдеюк, И.Ю. Королева, Л.Г. Акулов, В.Ю. Наумов // Инновационные информационные технологии : матер, междунар. науч.-практ. конф., г. Прага, Чехия, 22-26 апр. 2013 г. В 4 т. Т. 2 / МИЭМ НИУ ВШЭ [и др.]. - М., 2013. - С. 66-69.

Подписано в печать 06.11.2013 г. Заказ № 741. Тираж 100 экз. Печ.л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

МОДЕЛИ И МЕТОД МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СЛОЖНОГО ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ГЕМАТОЛОГИИ

05.11.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы

(в машиностроении)

05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Наумов Вадим Юрьевич

Научный руководитель: д. т. н., профессор

Муха Юрий Петрович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ 11

1.1 Нормативное обеспечение качества лабораторно диагностических исследований 12

1.2 Современные направления гармонизации данных лабораторных исследований 19

1.3 Средства анализа погрешностей медицинских исследований 28

1.4 Классификация погрешностей гематологических исследований 32

1.5 Постановка задачи исследований 40 Основные результаты и выводы по главе I 42 ГЛАВА 2. СИНТЕЗ КАТЕГОРНОЙ МОДЕЛИ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ БИОИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ 43 ИИС

2.1. Базисные пространства БИИС 45

2.2. Диаграмма информационных потоков инструментальной части

ИИС 48

2.3 Пространство состояний кроветворных органов 53

2.4 Пространство внешних воздействий 55

2.5 Пространство состояний внутренней среды организма 58

2.6 Пространство законов 63

2.7 Влияние гемопоэзиндуцирующего микроокружения на гемопоэз 70 Основные результаты и выводы по главе II 80 ГЛАВА 3. ВЫДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНО-АНАЛИТИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ АДАПТАЦИОННЫХ КОНТУРОВ 81 ГЕМОПОЭТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

3.1. Категорное представление пространства уровней управления 81

3.2. Категорное представление базисных множеств внутренней 88 среды организма

3.3. Категорное представление базисных множеств внешних воздействий и множества форменных элементов крови 91

3.4. Структурно - аналитическая категория гемопоэтической

системы 92

3.5. Структурно-аналитические уравнения адаптивных контуров 99 Основные результаты и выводы по главе III 113 ГЛАВА 4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БИИС 114

4.1 Математическая модель измерительной ситуации 114

4.2 Измерительное уравнение информационно-измерительной

системы 119

4.3 Характеристика полной погрешности 126

4.4 Пример анализа вклада биологической части БИИС в полную погрешность 134

4.5 Пример анализа вклада фрагмента инструментальной части БИИС

в полную погрешность 137

Основные результаты и выводы по главе IV 144

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 145

5.1 Интерпретация результатов гематологических измерений 145

5.2. Пример анализа гемограмм 151

Основные результаты и выводы по главе V 159

Заключение 160

Перечень сокращений и условных обозначений 162

Список использованной литературы 163 Приложение I Пример оценки качества клинико-диагностических

исследований 179

Приложение II. Метрологический анализ АЦП 185

Приложение III. Влияние цитокинов на кроветворение 191

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Метрологическое обеспечение лабораторных исследований представляет собой одну из важнейших проблем, ее решение актуально, так как может обеспечить высокую точность и воспроизводимость результатов анализа, а, следовательно, и повысить достоверность диагностических заключений, формируемых на основании этих результатов.

Полнота и точность знаний о процессах формирования погрешностей в информационно-измерительных системах для аналитических исследований связана не только с самой системой, измеряющей определенные показатели, но и с процессом измерения в целом. При этом процесс измерения включает в себя преаналитический, аналитический и постаналитический этапы работы, так как на любом из них возможны ошибки, связанные с подготовкой больного к исследованию, забором пробы, ее подготовкой к исследованию, хранением образцов и т. д. В конечном счете, возможны неточности при выписке и регистрации готовых анализов, а также в их трактовке.

Поэтому, при анализе полной погрешности измерения и ее характеристик, необходимо учитывать в измерительном уравнении не только собственно само измерение, но и остальные факторы, влияющие на конечный результат. Таким образом, полная погрешность может быть получена при совокупном анализе предметной части исследованибя, метода исследования, аппаратной части и метода анализа результата.

Во многих прикладных задачах медицины на современном этапе требуется изучение организма человека как сложного многоуровневого и многосвязного динамического объекта. Построение аналитической модели при оценке функционального состояния человека без использования системного подхода, в принципе невозможно, поскольку многоуровневые обратные связи имеют сложное аналитическое представление. Во многих работах по физиологии организм рассматривается как сложная динамическая система, взаимодействующая с внешней средой, поэтому необходимо изучение связи элементов внешней среды, биологического объекта и

измерительной системы в рамках единого системного похода. Исследование и построение измерительных систем в рамках такого направления является актуальным при изучении сложных биологических систем, поскольку устанавливает однозначную связь объекта и инструмента измерения, обеспечивает необходимую точность и достоверность при анализе и принятии решения.

В данной работе определен класс биоинструментальных информационно-измерительных систем (БИИС), использующихся при аналитических измерениях, отличающийся тем, что может быть использован в гематологических исследованиях, причем в этих системах первичным преобразователем входного воздействия является исследуемый биологический объект, что позволяет конкретизировать исследование свойств биообъекта.

В первой главе данной работы проведен анализ существующих подходов к повышению качества медицинской помощи, рассмотрены подходы метрологического обеспечения клинико-диагностических измерений на примере гематологических исследований. В итоге были сформулированы цели диссертационной работы.

Объектом исследования являются адаптационные процессы в кроветворной функциональной системе организма под влиянием внешних воздействий.

Предмет исследования - метод, модели и алгоритмы метрологического анализа результатов измерения множества форменных элементов периферической крови при адаптационных процессах.

Цель работы - разработка математических моделей, метода и алгоритмов, обеспечивающих метрологический анализ проводимых гематологических клинико-диагностических исследований, за счет использования современных информационных технологий и математического аппарата, основывающегося на теории последовательного метрологического анализа, общей теории функциональных систем и

математическом аппарате категорий и функторов, для метрологического анализа результатов работы сложной информационно-измерительной системы для аналитических измерений в гематологии.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих подходов к метрологическому анализу гематологических измерений и построена формальная модель объекта измерения.

2. Синтезирована функциональная модель гемопоэтической системы и представлена структура информационных потоков.

3. Разработана модель структуры биоинструментальной информационно-измерительной системы (БИИС) и выделены структурно-аналитические категории адаптационных процессов гемопоэтической системы организма.

4. Разработана методика оценки качества проводимых исследований на базе математического аппарата категорий и функторов и проведены эксперименты, подтверждающие адекватность БИИС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы теории функциональных систем в биологии и медицине, методы системного анализа, структурные методы проектирования систем, теории множеств, методы теории категорий и функторов, методы последовательного метрологического анализа, методы модульного и объектно-ориентированного программирования.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту:

- метод синтеза структуры информационных потоков гемопоэтической системы в рамках теории категорий и функторов, отличающийся тем, что физиологические объекты представлены объектами категорий, а взаимосвязи отображениями - морфизмами и функторами, что позволяет формализовать адаптационные процессы гемопоэтической системы и адекватно интерпретировать показатели математической обработки биологического

сигнала;

- структурная модель гемопоэтической функциональной системы организма, основанная на математическом аппарате категорий и функторов, отличающаяся тем, что позволяет ввести структуру биопреобразователя для дальнейшего метрологического анализа, чтобы исследовать и оценивать адаптационные процессы в кроветворной системе организма человека количественно и качественно;

модель биоинструментальной информационно-измерительной системы, использующейся при аналитических измерениях, отличающаяся тем, что может быть использована в гематологических исследованиях, причем в этой системе первичным преобразователем входного воздействия является исследуемый биологический объект, что позволяет конкретизировать исследование свойств биообъекта;

- метод расчета полной погрешности результата подсчета количества форменных элементов периферической крови, основанный на категорно-функторной модели функции адаптации кроветворной системы организма, отличающийся тем, что кроме инструментальной части информационно-измерительной системы анализируется еще и биологическая;

- алгоритм оценки достоверности результатов гематологических измерений, на базе которого написан программный комплекс, позволяющий автоматизировать учет погрешностей при анализе результата подсчета количества форменных элементов периферической крови, отличающийся тем, что учитываются погрешности, вносимые как инструментальной так и биологической частью информационно-измерительной системы.

Достоверность исследования обусловлена соответствием разработанных моделей законам нормальной физиологии, корректностью математических выводов, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений и результатами экспериментальных данных, коррелирующими с экспериментальными и литературными данными.

Практическая значимость и результаты внедрения работы.

Разработанные метод, модели и алгоритмы и соответствующее программное обеспечение составили основу для построения системы принятия решений врача-гематолога, предназначенной для уточнения результатов анализа периферической крови, экспериментальные испытания которой показали целесообразность ее использования в медицинской практике. Применение разработанной модели БИИС и программного комплекса позволяет повысить качество профилактических и реабилитационных мероприятий, а также планировать эксперименты, направленные на анализ адаптационных процессов гематологической системы организма человека.

Основные теоретические и практические результаты работы включены в учебный план подготовки студентов по направлению «Биотехнические системы и технологии», Волгоградского государственного медицинского университета, кафедры «Биотехнические системы и технологии», и используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета при подготовке специалистов направления 221700 «Стандартизация и метрология» (дисциплина «Метрология») и в клинической практике.

Экономическая и социальная значимость результатов диссертационного исследования состоит в улучшении качества медицинской помощи населению, при проведении анализов периферической крови.

Реализация научно-технических результатов. Результаты работы использованы в госбюджетной научно-исследовательской работе в соответствие с темами: № 31-53/429-04 «Разработка методов синтеза сложных измерительных систем на базе нейронных сетей»; № 31-53/145-09; № 31-53/435-12 «Проектирование сложных измерительных комплексов», выполняемых на кафедре «Вычислительная техника»федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования волгоградского государственного технического университета министерства образования и науки РФ

(ВолгГТУ), по плану Минобрнауки РФ. Отдельные теоретические и практические результаты использовались в учебном процессе ВолгГТУ при проведении практических работ по дисциплинам «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», «Организация работы сложных измерительных комплексов и систем» и «Метрология». Результаты работы включены в учебный план подготовки студентов по направлению «Биотехнические системы и технологии», Волгоградского государственного медицинского университета, кафедры «Биотехнические системы и технологии».

Апробация работы. Материалы работы докладывались на научных семинарах кафедры «Вычислительная техника» ВолгГТУ (Волгоград 20052012); ежегодных внутривузовских конференциях ВолгГТУ (Волгоград 20052012); международных конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград 2006, 2009); 7-й международной науч.-техн. конф. «Измерение, контроль, информатизация (ИКИ-2006)» (Барнаул 2006); II и III Всероссийских конференциях с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» (Волгоград 2007, 2008); Ежегодной всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (Саратов 2008); XII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2007);ХУ международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2009), по результатам выступления был получен диплом 2 степени; 15-м Российском симпозиуме с международным участием «Миллиметровые волны в медицине и биологии» (Москва 2009); IV научной конференциии «Системный анализ в медицине (САМ)» (Благовещенск 2010); VI международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии. БФФХ-2010» (Севастополь 2010); X Международной научно-технической конференции

«Распознавание - 2012», (Курск 2012); 1-й МНГЖ «Инновационные информационные технологии» (Прага, Чехия 2012), 2-й МНПК «Инновационные информационные технологии» (Прага, Чехия 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 14 статей в журналах, 7 - в журналах, рекомендованных ВАК, 9 статей в сборниках конференций, в том числе 5 в зарубежных сборниках.

Личный вклад автора. Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя д.т.н., профессора Мухи Ю.П.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Общий объем работы составляет 178 страниц, включая 5 рисунков, 7 таблиц, 16 страниц библиографии, содержащей 158 наименований и 16 страниц приложений.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В настоящее время лабораторная диагностика представляет собой самостоятельное направление медицинской науки, которая может претендовать на объективность, если лабораторные исследования проведены метрологически корректно.

Лабораторная диагностика (греч. сНа§по51:1ко8 способный распознавать) — совокупность физико-химических, биохимических и биологических методов диагностики, исследующих отклонения в составе и изменения свойств тканей и биологических жидкостей больного, а также выявляющих возбудителей болезней.

Клиническая лабораторная диагностика (КЛД)- неотъемлемый раздел медицины, обеспечивающий адекватный уровень диагностического и лечебного процесса [47]. Управление качеством клинических лабораторных исследований является важным звеном качества медицинской помощи, поэтому Министерством здравоохранения и социального развития Российской Федерации сформирована единая система управления качеством [34].

Совершенствование системы обеспечения качества связано с изучением и развитием её структурных, процессуальных, результативных компонентов и средств контроля, включающих стандарты, экспертные оценки, статистические показатели и результаты социологических опросов [52]. Создание системы управления качеством клинических лабораторных исследований с учетом всех ее компонентов и разнообразных методов оценки является актуальным вопросо�