автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Разработка методов и моделей прогнозирования и рационального выбора лечения бронхиальной астмы у детей на основе рефлекторного массажа

На правах рукописи

_ Р Г. НГ5 4о

I ' ■ ■ >

Гридисвя Светлана 1>орнсовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ II МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА ЛЕЧЕНИЯ БРОНХИАЛЬНОЙ АСТМЫ У ДЕТЕЙ НА ОСНОВЕ РЕФЛЕКТОРНОГ О МАССАЖА

Специальность 05.13.09 - Управление в биологических

и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук'

ВОРОНЕЖ - 1998

Работа выполнена па межвузовской кафедре «Компьютеризация управления в медицинских системах» ( г.Воронеж)

Научный руководитель -Научный консультант -

Официальные ошюненты:

д-р мед. наук, проф. Перетина А.Ф.

Заслуженный деятель науки Г'Ф, д-р техн. наук, проф. Фролов В.II.

д-р мед. наук, проф. Провоторов В.М. канд. мед. наук Чернышкока М.А.

Ведущая организация -

Смоленская государственная медицинская академия (г. Смоленск)

Защита диссертации состоится «10» апреля ___1998 г. в _14__часов в

конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 063.81.04 при Воронежском государственном техническом университете но адресу: 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежскою государственного технического университета.

Автореферат разослан «_»________1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Пасмурно» С'.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обструкция бронхов является весьма сложным процессом, от которого в значительной степени зависит возникновение, прогрессировать и исходы имеющих достаточно высокий удельный вес заболеваний у детей, в первую очередь, бронхиальная астма, которая, как и другие заболевания данного класса, пока еще мало изучены.

Одним из важных направлений является изучение патогенетических механизмов и клинических проявлений бронхиальной астмы. Несмотря на многочисленные исследования, пока нет единого подхода в оценке причин возникновения бронхиальной астмы, однако, от этого зависит выбор лечебных воздействий и лечебно-профилактические мероприятия.

При кажущейся клинической однотипности у разных больных заболевание гетерогенно, что объясняется механизмами, непосредственно формирующими обструкцию бронхов, которые делятся на внешние и биологические дефекты, усиливающие действие внешних факторов. Помимо гетерогенности имеет место неоднородность характеристик больных бронхиальной астмой, в том числе и индивидуальных. В настоящее время остаются малоизученными ранние проявления компенсаторно-приспособительных реакций при воздействии факторов малой интенсивности, то есть когда организм находится на грани нормы и патологии.

Ряд показателей и факторов, влияющих на возникновение бронхиальной астмы, и эффективность лечения заболевания имеют качественные оценки, что требует применения для их количественной оценки априорной информации на основе математических методов ее обработки.

Одним из перспективных направлений в купировании обструкции бронхов при бронхиальной астме является использование высоких медицинских технологий, к которым относятся компьютерные технологии при диагностике, классификации, прогнозировании исхода лечения и рациональном выборе терапии на основе математических методов, в том числе применение нетрадиционных методов лечения бронхиальной астмы, применение массажа помимо лекар-ственнон терапии.

При использовании традиционных методов лечения бронхиальной астмы возникают проблемы, связанные с выбором метода терапии, так как ряд лекарственных препаратов даже при кратковременном применении достоверно снижают защитные функции организма. Поэтому в последнее время возобновился интерес к одному из традиционных методов рефлексотерапии - точечному мае-

сажу, который позволяет оказывать позитивное воздействие на показатели ды- 1 хагелыюй системы, а также нормализовать гемодинамичеекую реакцию у больных, что дает возможность использования массажа для купирования приступа бронхиальной астмы. Одним из методов управления процессом восстановления бронхиальной проходимости у детей, страдающих бронхиальной астмой, является применение рефлекторного массажа.

Таким образом, актуальность темы заключается в необходимости разработки методов и алгоритмов оценки причин возникновения бронхиальной астмы у детей, исследования рефлекторного массажа для купирования обструкции бронхов.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных направлений Воронежской государственной медицинской академии им. H.H. Бурденко и межвузовской кафедры компьютеризации управления в медицинских системах "Биомедкибернегика, компьютеризация в медицине".

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методов, моделей и алгоритмов прогнозирования и рационального выбора управления процессом лечения бронхиальной астмы на основе рефлекторного массажа и использование результатов исследований в клинической практике.

Для достижения поставленной цепи необходимо решить следующие задачи:

проанализировать и осуществить оценку факторов, влияющих на возникновение бронхиальной астмы у детей;

экспериментально исследовать и подтвердить эффективность рефлекторного массажа для восстановления бронхиальной проходимости у детсй, страдающих бронхиальной астмой,

построить прогностические модели процедуры рефлекторного массажа при бронхиальной астме на основе статистической информации;

разработать методы интеллектуальной поддержки при рациональном выборе процедуры рефлекторного массажа;

апробировать в клинической практике результаты исследования и оценить их эффективность.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются методы управления биологическими и медицинскими системами, математического моделирования, априорного ранжирования и математической статистики.

Научная новизна результатов исследования. В работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной.

Предложены и обоснованы методы априорного и группового ранжирования, позволяющие производить статистическую оценку причин возникновения бронхиальной астмы, наиболее информативных показателей и наиболее существенных факторов на основе экспертной информации при лечении бронхиальной астмы у детей с использованием рефлекторного массажа.

Разработана модифицированная методика рефлекторного массажа, позволяющая повысить эффективность лечения бронхиальной астмы у детей за счет улучшения бронхиальной проходимости.

Построены прогностические модели процедуры рефлекторного массажа при бронхиальной астме у детей, позволяющие осуществлять классификацию, прогнозирование исхода лечения и рациональный выбор в условиях неод-нородностей и неполной априорной информации.

Предложены методы интеллектуальной поддержки принимаемых решений при лечении бронхиальной астмы на основе рефлекторного массажа, ориентированные на предметную область медицины и машинную реализацию.

Разработана методика двухуровневой процедуры бирационального выбора лечения на основе рефлекторного массажа, обеспечивающая последователь- ■ ность интерактивного решения задачи выбора лечения с участием лечащего врача в диалоговом машинном процессе.

Разработано структурно-информационное обеспечение автоматизированной системы прогнозирования и выбора лечения бронхиальной астмы у детей на основе рефлекторного массажа, учитывающей модельные и экспертные оценки в условиях многоальтернативпости.

Практическая значимость результатов исследования. В результате исследования разработана и апробирована в клинических условиях методика рефлекторного массажа при бронхиальной астме у детей. Получены клинические результаты исследования, подтверждающие эффективность рефлекторного массажа за счет улучшения бронхиальной проходимости по сравнению с тради-. ционными методами лечения бронхиальной астмы у детей.

На основе прогностических моделей лечения бронхиальной астмы с применением рефлекторного массажа производится машинная классификация, прогнозирование исхода лечения и выбор рациональной процедуры массажа с учетом неоднородности характеристик процесса лечения и неполной априорной информации для интеллектуальной поддержки принимаемых врачом решений.

При использовании методики рефлекторного массажа, методов и прогностических моделей процесса лечения сокращается время лечения и улучшаются показатели дыхательной системы у детей, страдающих бронхиальной

з

астмой. Результаты исследования апробированы в Воронежской детской кли- 1 нической больнице № 1 на основе автоматизированного принятия решений и используются в клинической практике на кафедре лечебной физкультуры и врачебного контроля Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н. Бурденко (ВГМА), а также в учебном процессе со студентами лечебного факультета ВГМА и со студентами Воронежского государственного технического университета, обучающихся по специальности 190500 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы».

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на VI научно-практической конференции ВГИФК (Воронеж, 1996), VI международной научно-практической конференции "Традиционные и нетрадиционные методы оздоровления детей" (Смоленск, 1997), VII национальном конгрессе по болезням органов дыхания (Москва, 1997), областных и межкафедральных конференциях и семинарах, проводимых на базе Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н.Бурденко (1995-1997).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 научных статей и тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, содержит список литературы из 62 наименований, изложена на 136 страницах машинописного текста, в котором приведено 47 таблиц и 35 иллюстраций. В приложении приводятся программы и акты внедрения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены сведения об апробации и внедрении результатов исследования.

В первой главе приводится анализ современного состояния проблемы этиологии и лечения бронхиальной астмы, рассматривается применение высоких медицинских технологий при лечении бронхиальной астмы, обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

Показано, что на современном этапе до сих пор достоверно не верифицированы факторы возникновения бронхиальной астмы у детей, несмотря на многочисленные исследования, посвященные этой проблеме в области обструкции бронхов

Обструкция бронхов является чрезвычайно сложным индивидуальным процессом. Ряд факторов как возникновения бронхиальной астмы, гак и влияющие на процесс лечения, имеют качественные оценки, что, в свою очередь, затрудняет процесс исследования в рамках поставленной проблемы.

Традиционно используемые при лечении методы и лекарственные, препараты ставят перед клиницистами ряд проблем, связанных как с побочными явлениями, так и со снижением защитных функций организма. Так, в процессе специфической гипосенсибилизирующей терапии удается снизить специфическую реактивность бронхов, однако, при этом лечение оказывает малое влияние на паторецелторный компонент патогенеза заболевания. В последнее время возобновился интерес к рефлексотерапии, т.е. к точечному массажу.

Анализ показывает, что наиболее эффективное лечение можно достичь только при использовании комплексного подхода, сочетающего медикаментозное лечение и традиционных методов с нетрадиционными. Одним из нетрадиционных методов управления процессом восстановления бронхиальной проходимости у детей, страдающих бронхиальной астмой, является применение рефлекторного массажа, что требует исследований при его использовании.

Таким образом, изучение проблемы бронхиальной астмы должно содержать этапы оценки основных факторов, влияющих на возникновение бронхос-пазма, эффективности лечения и формирования профилактических мероприятий.

Процесс лечения больных бронхиальной астмой носит вероятностный • характер, обусловленный рядом неоднородностей, а также наличием качественных показателей, что предполагает применение экспериментально-статистических методов исследования.

Наиболее перспективным в современных условиях при лечении бронхиальной астмы является использование высоких медицинских технологий, к которым относятся комплексное лечение с применением традиционных и нетрадиционных методов лечения, использование новых лекарственных препаратов, привлечение к исследованиям более современных аппаратов и систем для оценки состояния дыхательной системы, компьютеризация принятия решений для повышения эффективности лечения.

В соответствии с поставленной целью сформулирован круг задач, которые необходимо решить в соответствии с темой работы.

Во второй главе рассматриваются результаты исследования процесса лечения бронхиальной астмы у детей на основе рефлекторного массажа.

Исследованию применения рефлекторного массажа для восстановления 7 бронхиальной проходимости у детей, страдающих бронхиальной астмой, предшествует анализ причин возникновения бронхиальной астмы у детей. Учитывая многочисленность факторов возникновения бронхиальной астмы, ставится задача их классификации и выделения наиболее существенных из них. Так как часть факторов не имеет количественной оценки, а информации для решения задачи классификации недостаточно, го к ее решению был привлечен метод априорного ранжирования, базирующийся па информации, полученной в результате целенаправленного опроса экспертов, т.е. специалистов, имеющих достаточно большой опыт работы в этой локальной области медицины.

Г1о результатам ранжирования была сформирована матрица ранжирования. Для оценки согласованности экспертов (специалистов), участвующих в опросе, был проведен расчет коэффициента конкордации W-0,723, а оценка его значимости проводилась по - критерию Пирсона. Так как оказалось, что ^рассч - 65,805 больше критического, взятого из статистических таблиц, Х2Щ, = 22,362 при числе степеней свободы f = 13 и уровне значимости, то гипотеза о согласованности экспертов была принята. По данным матрицы ранжирования была построена гистограмма ранжирования (рис.1).

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О

Рис.1. Гистограмма ранжирования факторов возникновения бронхиальной астмы у детей

10 12 11 6 NN параметров

5

7

3

2

9

1

б

б

15 результате обработки экспертной информации было произведено выделение наиболее существенных факторов возникновения бронхиальной астмы

(табл. 1).

Таблица 1

Номер ¡-го фактора (1=Ц4) Ранг ¡-го фактора (1=М4) Наименование факторов возникновения бронхиальной астмы

1 1 Наследственность

3 2 Гиперреактивность бронхов (повышенная реакция бронхов на раздражитель)

2 3 Атопия (способность организма к выработке ^Е на воздействие аллергена)

9 4 Поллютанты (загрязнение экологии)

4 5 Частые вирусные инфекции, бронхиты, пневмонии

Отрицательное влияние гипокинезии и повышенная аллергизация детского населения требует поисков немедикаментозных методов лечения, одним из которых можно рассматривать применение рефлекторного массажа в совокупности высоких медицинских технологий при купировании обструкции бронхов.

Одно из мест в комплексном лечении занимает массаж, в качестве которого выбран рефлекторный массаж, как один из перспективных видов массажа. Предназначение рефлекторного массажа заключается, в конечном счете, в его воздействии на респираторную мускулатуру бронхов, что приводит к улучшению характеристик внешней дыхательной системы. Поэтому рефлекторный массаж можно рассматривать как средство управления бронхнальной проходимостью у детей, страдающих бронхиальной астмой.

Для подтверждения возможности использования рефлекторного массажа в острый период заболевай!« с целыо восстановления бронхиальной проходимости в стационаре были отобраны две группы по 30 детей в каждой, больных бронхиальной астмой со среднетяжелым и тяжелым течением в возрасте от 7 до 13 лег. При формировании групп, помимо возраста, учитывалась длительность

заболевания, социальный статус, изучались показатели физического развития, сопутствующие заболевания и т.п. для обеспечения корректности исследования.

Для объективной характеристики выраженности обструкт ивного синдрома всем больным проводились функциональные и лабораторные исследования. Непосредственное влияние процедуры рефлекторного массажа оценивалось по данным кривой "поток-объем" перед процедурой массажа и через 15-20 минут после окончания сеанса. Исследования проводились утром натощак в положении сидя, трехкратно (оценивались максимальные показатели).

Лечение основной группы больных, помимо традиционных протоколов, включало рефлекторный массаж. Контрольная группа получала только базисную лекарственную терапию.

Исследования проводились на автоматизированном компьютерном диагностическом комплексе 1Ш8-Рпеито ( версия У4), предназначенном для оценки функции внешнего дыхания с помощью регистрации петли «поток-объем» форсированного выдоха.

Например, больной В. (12 лет, рост 149 см) поступил в клинику в октябре 1997 г. с диагнозом бронхиальная астма. На рис.2 представлены результаты его -лечения на основе рефлекторного массажа.

Рис.2. Больной В.: петля 1 - до проведения рефлекторного массажа (Твид =2,27 с, ОФВ 1=34,73 %); петля 2 - после процедуры рефлекторного массажа (Тоыд=1,45 с, ОФВ1=79,53 %)

При сопоставлении клинико-функциональиых результатов лечения следует, что в основной группе отмечено более раннее и стабильное купирование об-

структивного синдрома и восстановление бронхиальной проходимости (на 2-3-и сутки), а в контрольной группе (на 5-6-е сутки).

При анализе результатов проводимого лечения было отмечено более раннее и стабильное купирование обструкгивного синдрома и восстановление бр01гхолегочной проходимости.

Применение методов рефлекторного массажа в условиях стационара наглядно показало его высокую эффективность, которая проявилась в возможности быстрее купировать приступ БА и добиться более ранней отмены гормональной терапии у детей.

В третьей главе приводятся результаты моделирования с целью построения прогностических моделей процесса лечения бронхиальной астмы у детей на основе рефлекторного массажа, для чего была произведена методом группового ранжирования априорная оценка факторов эффективности рефлекторного массажа по уровню информативности, а также выделены наиболее существенные факторы, влияющие на наиболее информативные показатели процесса лечения бронхиальной астмы.

Так как в процессе лечения имеют место неконтролируемые случайные возмущения, то выходные переменные (показатели эффективности лечения) носят вероятностный характер, и для получения математического описания процесса лечения были применены методы регрессионного анализа на основе статистических данных, накопленных в результате лечения. Кроме того, проверка гипотезы подтвердила предположение о нормальном распределении выходных переменных процесса лечения бронхиальной астмы у детей на основе рефлекторного массажа (Т„ыд^у|, ОФВ1=у2).

На основе плана эксперимента после проверки гипотезы о воспроизводимости опытов с помощью в - критерия Кочрсна, статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии по 1 - критерию Стыодента были получены следующие математические модели процесса лечения бронхиальной астмы у детей на основе рефлекторного массажа соответственно для длительности выдоха Т„ид^у| и ОФВ1=у2 в натуральном масштабе, адекватно описывающие результаты эксперимента:

.)"',,, = 0,10 + 0,41X1+ 0,022х3- 0,19х,; (1)

5'ьк. = -! ,88 + 26х, + 2,! х2+ 9,4хз - 0,52хгх,, (2)

где X] - длительность выдоха до проведения рефлекторного массажа; х2 - ОФВ1 до проведения рефлекторного массажа; х.т - число процедур рефлекторного массажа.

На основе математических моделей (1) (модель 2) и (2) (модель 1) с учетам специфики принятия решений и оценки результатов лечения разработана методика двухуровневой процедуры бирационального выбора лечения на основе рефлекторного массажа (рис. 3), представляющая интерактивную процедуру поиска рационального рефлекторного массажа при лечении бронхиальной астмы.

Программа бирационального выбора для ПЭВМ ЮМ PC с процессором Intel Pentium 166 реализована на языке высокого уровня Delphi версии 3.0 в среде операционной системы Windows 95.

Рис. 3. Схема алгоритма двухуровневой процедуры бирационального выбора лечения на основе рефлекторного массажа

В четвёртой главе рассматривается структура автоматизированной системы классификации, прогнозирования и выбора рациональной процедуры рефлекторного массахса, а также автоматизированные подсистемы библиотеки историй болезни и типовых схем лечения бронхиальной астмы у детей (рис. 4).

Рис. 4. Структура автоматизированной системы и схема информационных

7Г0К0В

Для оценки эффективности лечения рефлекторным массажем и достоверности полученных результатов была помимо "экспериментальной" группы сформирована контрольная. Лечение детей, страдающих бронхиальной астмой, осуществлялось только медикаментозно.

В табл.2,3,4 приведены сравнительные данные по результата^ лечения детей в "экспериментальной" и контрольной группах, а в табл.5 приведены средние значения параметров внешнего дыхания ири лечении бронхиальной астмы на основе рефлекторного массажа.

Классификация пациентов по тяжести заболевания

Таблица 2

Назначение Тяжесть заболевания

группы средняя тяжесть тяжелая

абс. °/о абс. %

"Экспериментальная" 20 67 10 33

Контрольная 15 50 15 50

Применение гормональной терапии

Таблица 3

Назначение группы абс. %

Контрольная 24 80

"Экспериментальная" 18 60

Результаты лечения бронхиальной астмы на основе рефлекторного массажа и гормональной терапии

Таблица 4

Назначение групппы Средние значения показателей

Нормализация функции внешнего дыхания (в сутках) Нормализация клинических данных (в сутках) Количество дней пребывания в стационаре

"Экспериментальная" 5 4 17

Контрольная 11 9 19

Средние значения показателей внешнего дыхания при лечении бронхиальной астмы на основе рефлекторного массажа

Таблица 5

Показатели внешнего дыхания До рефлекторного массажа (в % от должностной величины) После рефлекторного массажа (в % от должностной величины)

ЖЕЛ 54 30

ОФВ1 58 79

мое 25 43 76

МОС 50 42 78

МОС 75 41 85

Анализ данных табл.4 показал, что нормализация внешнего дыхания происходит быстрее при применении рефлекторного массажа в 2,2 раза, улучшение клинических показателей в 2,25 раза, а количество дней пребывания в стационаре с окращается при этом в 1,2 раза. При применении рефлекторного массажа в среднем значительно изменяются показатели внешнего дыхания (табл.5).

Основные результаты работы

1. При отсутствии единого представления о причинах возникновения бронхиальной астмы у детей одним из возможных методов оценки факторов ее возникновения является метод априорного ранжирования, учитывая наличие искомой априорной информации и что многие факторы не имеют количествен-' ной оценки.

2. На основе анализа механизма рефлекторного массажа, апробации его в клинических условиях установлено, что рефлекторный массаж можно применять для восстановления бронхиальной проходимости при бронхиальной астме у детей. Показано, что рефлекторный массаж относится к эффективным немедикаментозным лечебным воздействиям.

3. На основе экспериментально-статистических методов построены про-гностичес:ше математические модели процесса лечения бронхиальной астмы у детей и разработана методика двухуровневой процедуры бирациональаого выбора лечения на основе рефлекторного массажа, обеспечивающая последовательность интерактивного решения задачи выбора лечения в диалоговом ма- ■ шинном режиме.

4. Разработана структура и информационное обеспечение автоматизированной системы прогнозирования и выбора лечения бронхиальной астмы у детей на основе рефлекторного массажа.

5. На осноьалии сравнения результатов лечения контрольной группы детей, страдающих бронхиальной астмой, и "экспериментальной" группы детей, получивших лечение рефлекторным массажем, показано, что при применении рефлекторного массажа при управлении бронхиальной проходимостью более чем в 2 раза быстрее происходит нормализация внешнего дыхания и улучшение клинических показателей, а время пребывания пациентов в стационаре сокращается в среднем на 20 %.

Слисок работ, опубликованных по теме диссертации

1. К методике применения лечебной физкультуры и массажа в лечении сколиоза у детей / Г.К. Корчагин, Б.Н. Короткое, О.В. Челобееаа, С.Б. Гриднева // VI научно-практическая конференция ВГиФК по итогам научных исследований института за период 1991-1995 гг.: Тез. докл. - Воронеж, 1996.

2. Гриднева С.Б. Восстановление бронхиальной проходимости у детей, страдающих бронхиальной астмой, под воздействием рефлекторного массажа // Традиционные и нетрадиционные методы оздоровления детей: Тез.докл. VI Между нар. научно-практ. конф. - Смоленск, 1997.

3. Гриднева С.Б., Неретина А.Ф., Чершщина О.А. Роль рефлекторного массажа в реабилитации детей больных бронхиальной астмой // VII национальный конгресс по болезням органов дыхания: Тез. докл. - М., 1997.

4. Роль лечебной физкультуры и массажа в реабилитации детей, страдающих бронхиальной астмой в дошкольных учреждениях / Б.Н. Коротков, Г.К. Корчагин, С.Б. Гриднева, А.Б. Коротков // Традиционные: и нетрадиционные методы оздоровления детей: Тез. докл. VI Междунар. научно-нракт. конф. -Смоленск, 1997.

5. Гриднева С.Б., Неретина А.Ф. Применение высоких медицинских технологий при купировании бронхиальной обструкции // Высокие технологии в технике, медицине и образовании: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 1997.

6. Гриднева С.Б., Неретина А.Ф., Фролов В.Н. Оценка основных факторов возникновения бронхиальной астмы на основе экспертной информации методом априорного ранжирования // Высокие технологии в технике, медицине и образовании: Межвуз. сб. науч. тр.-Воронеж: ВГТУ, 1997. Ч.З.

Ч.З.

ЛР № 020419 от 12.02.92. Подписано в печать 5.03.98. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 8Ь'экз. Заказ № <?#&

Издательство

Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский просп., 14