автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Разработка моделей и алгоритмов прогнозирования физической работоспособности больных с пролапсом митрального клапана

гб ол

На правах рукописи

Воронин Александр Иванович

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БОЛЬНЫХ С ПРОЛАПСОМ МИТРАЛЬНОГ О КЛАПАНА

Специальность 05.13.09 - Управление в биологических

и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ - 1998

Работа выполнена на межвузовской кафедре «Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах»

11аучный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Пасмурнов С.М.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ

доктор технических наук, профессор Петровский B.C. кандидат медицинс ких наук, доцент 'Чернышкова М.А.

Ведущая организация - Курский государственный технический

' ;университет

Защита диссертации состоится «ц»_Д21сайря_ 1998 г. в_часов в

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» _________ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Пасмурнов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогностическая оценка физических возможностей организма человека, степени его адаптации к физическим нагрузкам является одной из важнейших задач современной медицины и физиологии. Неправильное дозирование физических нагрузок вместо пользы может принести большой вред, иногда непоправимый. Особенно остро стоит вопрос о контроле за физическим состоянием организма у студентов, военнослужащих и других групп, у которых физическое перенапряжение особенно чревато нежелательными последствиями дня здоровья. Проблема хронических перенапряжений приобретает актуальное значение для прогнозирования состояний при физических нагрузках у молодых людей, лиц, страдающих заболеваниями сердечнососудистой системы.

Решение данной проблемы позволяет акцентировать внимание на возможной потере трудоспособности человека и продлить период его нормальной трудовой деятельности, что особенно важно при рассмотрении скрытых патологий организма, оказывающих негативное влияние на физическое развитие человека. К ним относится и пролапс митрального клапана (ПМК) - врожденная либо приобретенная сердечная патология, одним из проявлений которой являются аномалии соединительной ткани, приводящие к деформации опорно-двигательного аппарата. Актуальность исследования данной проблемы возрастает в связи с широкой распространенностью ПМК, частота которого в популяции колеблется от 1,8 до 38 %.

Создание автоматизированных диагностических систем позволяет осуществить долговременный прогноз физической работоспособности человека и, путем проведения своевременных профилактических мероприятий продлить, период его нормальной трудоспособности. Программно-аппаратные комплексы таких систем, ориентированные на проведение адекватного объема диагностических обследований, и разработка соответствующего математического аппарата позволяют проводить прогностические обследования в условиях с повышенными физическими нагрузками (трудоемкие производства, вооруженные силы и т.д.).

Актуальность темы заключается в разработке комплекса математических моделей и алгоритмов, ориентированных на формирование прогноза физической работоспособности при ПМК.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежской государственной медицинской академии и межвузовской

кафедры "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" - "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине".

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в построении моделей и алгоритмов прогнозирования физической работоспособности больных, страдающих пролапсом митрального клапана.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

изучить роль пролабирования митрального клапана в снижении физической работоспособности человека;

выявить особенности методов оценки физической работоспособности; провести классификацию признаков, используемых в прогнозе работоспособности;

разработать модели и алгоритмы прогнозирования физической работоспособности у пациентов с пролапсом митрального клапана;

сформировать информационное и программное обеспечение автоматизированных процедур системы прогноза физической работоспособности;

провести клиническую апробацию автоматизированной системы прогнозирования физической работоспособности при ПМК, проанализировать эффективность ее использования.

Научная новизна. Основные результаты диссертации, выносимые на защиту и имеющие научную новизну, состоят в следующем:

комплексный подход к выделению информативных признаков, с использованием группового ранжирования экспертных оценок и определения количества информации признаков, отличающийся полнотой учета анализируемых данных;

математические модели, ориентированные на формирование прогноза физической работоспособности пациента и учитывающие особенности различных видов клинико-инструментальных обследований;

процедура формирования прогноза на основе последовательного анализа диагностических признаков, обеспечивающая сокращение времени обработки диагностических показателей;

логическая модель принятия решения, позволяющая осуществить комплексный анализ исследований;

алгоритмы прогнозирования физического состояния пациента при наличии у него ПМК, обеспечивающие возможность интеграции процедур обработки информации на основе модельных исследований и последовательного анализа диагностических признаков;

структурное, информационное и программное обеспечение автоматизированной системы прогнозирования физической работоспособности больных с ПМК, отличающееся возможностью учета модельных и экспертных оценок при принятии решений в условиях многоапьтернативности.

Практическая значимость и результаты внедрения.

На основе моделей прогнозирования физической работоспособности при ПМК разработана методика диагностики и прогнозирования, реализованная в рамках построенной автоматизированной системы.

Разработанные модели и алгоритмы диагностики и прогнозирования физической работоспособности при наличии ПМК используются в клинической практике для аптоматизиронанпого принятия решения.

Применение системы в клинике позволяет сократить количество используемых диагностических средств, снизить время обследования, повысить эффективность формируемого прогноза за счет использования оптимального подхода и автоматизации процесса прогнозирования.

Результаты исследования апробированы и используются в клинической практике в Воронежском гарнизонном госпитале и на кафедре лечебной физкультуры и врачебного контроля Воронежской государственной медицинской академии (ВГМА), а также в учебном процессе лечебного факультета ВГМА и Воронежского государственного технического университета (ВГТУ) по специальности 190500 - "Биотехничеасие и медицинские аппараты и системы".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж 1996-1997 гг.); П Российской научно-практической конференции "Реабилитация больных с сердечно- сосудистыми заболеваниями" (Москва 1997 г.); семинарах кафедры "Лечебной физкультуры и врачебного контроля" (1997 г.) Воронежской государственной медицинской академии, межвузовской кафедры "Медицинские и гуманитарные системы" (1997 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специадистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань 1997 г.); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж 1997 г.); Межрегиональной научно-практической конференции "Актуальные вопросы обеспечения качества медицинской помощи. Аккредитация и лицензирование медицинской и фармацевтической деятельности" (Воронеж 1998 г.); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержит список литературы из 98 наименований, изложена на 115 страницах машинописного текста, в котором приведено 14 таблиц и 18 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава посвящена анализу информационных возможностей методов контроля физической работоспособности.

Установлено, что несмотря на противоречивость сведений об особенностях строения и функции сердца при пролабировании створок митрального клапана, дисплазия соединительной ткани имеет генерализованный характер и затрагивает не только сердце, но и оПорно-двигательный аппарат. Фенотипиче-ские особенности ПМК закономерно отрицательно влияют на физическую работоспособность, что прямым образом ухудшает качество жизни пациентов.

Проведен анализ методов оценки физической работоспособности. Показано, что результаты исследований используются с целью определения профессиональной пригодности, выявления функционального состояния сердечнососудистой и дыхательной систем, имеют прогностическое значение.

Отмечена необходимость построения автоматизированных систем, объединяющих различные методы и позволяющих проводить комплексное, многоплановое тестирование с целью изучения фундаментальных вопросов моделирования двигательных мотиваций, функциональных расстройств двигательной сферы, а также решения прикладных задач - повышения работоспособности человека путем оптимизации параметров его состояния и проявлений, сопровождающих двигательные реакции.

. Показана целесообразность построения прикладного программного обеспечения таких систем на основе современных представлений об объекте и соответствующих им математических моделей. Отмечено, что требования трансформируемое™ и наращиваемости моделей, обеспечивающие возможность их модернизации, выполняются при модульном построении, когда совокупности

логических и расчетных блоков связываются лишь потоками входной и выходной информации.

Исходя из анализа современного состояния и путей повышения эффективности функционирования диагностических систем сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются прогностические модели снижения физической работоспособности при пролабировании митрального клапана.

Отмечена необходимость формирования пространства информативных признаков для прогноза физической работоспособности больных с ПМК на основе данных нагрузочного тестирования, анализа эхокардиографических и фи-зикально-анамнестических данных, позволяющих всесторонне оценить состояние пациентов.

С целью выделения информативных признаков для построения математических моделей, предложен комплексный подход, основанный на применении группового ранжирования экспертных оценок и определении количества информации рассматриваемых показателей.

Показана целесообразность анализа экспертных оценок по методу вычисления медианы Кемени - отыскания результирующего ранжирования М( Р/, ..., Р,п), расположенного как можно ближе к произвольным ранжированиям Р/.....Рт, полученным в результате направленного опроса специалистов-

экспертов:

где Р;, ..., Рт - ранжирования, представленные экспертами; М( Рь ..., Р„)- результирующее ранжирование; Ру) - расстояние между ранжированиями.

Для подтверждения обоснованности полученных ранжирований и количественной оценки качества признаков предложен модифицированный подход к определению количества информации, которое получает система принятия решений в результате определения каждого из них:

АГ(Р,,Р„) = аге тш^с1{Р,Р„),

(1)

(2)

где степень информативности признака, А*/)- количество

информации, вносимой признаками:

m w т п

i«I у» I 1=1 Ы

хк- признак с наивысшим рангом, хг анализируемый признак, P(f2)- вероятность отнесения анализируемого состояния к классу Д, i,j—l, ... ,т; 1=1, ... ,п.

Учитывая установленный экспертами порог информативности, равный 85 %, в группу наиболее информативных признаков для используемых видов клинико-инструментальных обследований включены 14 признаков из 50 первоначально рассматриваемых:

для данных физикалыю-анамнесткческого обследования: a¡- привычные подвывихи, Э2- систолический щелчок, а3- астеническое телосложение, ai- генетическая предрасположенность, а<- гипермобилыюсть суставов (рис. 1, а);

для эхокардиохрафических показателей: а«- степень пролабирования створок, а?- фракция изгнания, а«- степень митральной регургитации, а9- диаметр левого предсердия (рис. 1, б);

для показателей нагрузочного тестирования: аю- пульсовой коэффициент толерантности, ап - индекс энергетических затрат, ап - ИРС/ХРС , а13 - энергетический коэффициент толерантности, а)4- МГЖ/ДМПК (рис. 1, в).

юо -1-шт-

IÍSÉ

а1 aZ аЗ а4 а5

а

Рис.1. Гистограмма информативности признаков

Для формирования прогноза физической работоспособности больных с ПМК построена логическая модель принятия решения с включением на каждом этапе анализа математической модели, соответствующей проводимому клини-ко-инструментапьному обследованию (рис. 2), позволяющая достоверно прогнозировать состояние пациентов и формировать правильные рекомендации по их образу жизни.

Обоснована целесообразность выявления у пациентов подозрения на наличие ПМК по данным физикально - анамнестического обследования.

Рекомендация по образу жшюс физические нагрузки в прежнем объеме

Рис. 2. Логическая схема прогнозирования физической работоспособности больных с ПМК

Учитывая сложность их количественного описания, построена нечеткая классификационная модель, позволяющая формализовать словесное описание состояния пациента и извлечь наиболее полезную информацию для реализации алгоритма прогнозирования его физического состояния:

М=<Ж, К, Я>

где ^У={Р,хР2х ... х ¡'¡} - пространство информативных признаков, наиболее существенно влияющих на выбор решения; К-{К], К2, ..., - разбиение IV на расплывчатые классы Р,"> К2, • ••> Щ- множество решений, соответствую-

щих классам К^ характеризующимся функциями принадлежности

14ко(Р>• Р* Р^У(/и8(Р,) & Мз(Р2) & (4)

В рамках логической модели с целью подтверждения результатов физикально-анамнестического обследования и выявления группы больных с неблагоприятным прогнозом, нагрузочное тестирование для которых не показано, проводилось моделирование по данным эхокардиографического обследования. В случае, если принадлежность к данной группе не выявлялась, прогнозирование физической работоспособности больных с ПМК осуществлялось по результатам моделирования на основе показателей теста с физической нагрузкой.

В связи с тем, что эхокардиографические показатели и результаты нагрузочного тестирования являются хорошо формализуемыми и поддаются четкому математическому описанию, для формирования решения с использованием их в качестве управляющих переменных обоснована возможность использования метода регрессионного анализа. Множественная регрессионная зависимость, построенная с помощью стандартного пакета математического моделирования 81а1§гарЫсз для показателей эхокардиографического обследования и данных нагрузочного теста имеет вид

у = -1445,16 + 57,6401ав + 7.20691а6 - 0,419054а, ~0,0892364а? -

0,506756а6а7-0,192124а7а7 (5)

у = 223,486а,,010-215.9160,00,0 + 1,3688!а!4а14 -23454.3а,, +

+ 22581,0а;-7835,?31а,за,з (6)

Дополнительное обследование пациентов с неблагоприятным прогнозом с целью выявления больных, подверженных риску развития осложнений прово-

дилось на основе анализл кардиоинтервалограмм с использованием критерия согласия Колмогорова-Смирнова и %2- критерия.

С целью сокращения времени, затрачиваемого на проведение обследований, в работе предложена процедура последовательного анализа диагностических признаков при которой после измерения каждого очередного показателя вюпочаетсн соответствующий алгоритм и решается задача прогнозирования на основе измеренных к: текущему моменту данных.

В этом случае, исходя из заданных значений вероятностей правильных (ей) и ошибочных (е,,,) решений, устанавливаются значения порогов дам каждого прогностического класса:

Л(£5,) = (1 е"Уг

(7)

1=1, ..., т; дл. В результате проведения совокупности исследований определяется вектор признаков дг? = .....рассчитываются отношения вероятностей:

ГШ*?)

(8)

где /,(х°), /°(х°)~функции плотности распределения вероятностей признаков.

Значения Л„(гсопоставляются с порогом А(Щ, г'=1, ..., от. В случае

принимается решение о принадлежности рассматриваемого

состояния к классу Д. В противном случае производится следующее исследование с целью определения признака х„+!.

Процедура последовательного анализа признаков производится до тех пор, пока последовательным исключением всех классов, к которым рассматриваемое состояние не относится, не удается принять решение о принадлежности его только к одному прогностическому классу.

В третьей главе рассматриваются алгоритмы прогнозирования физической работоспособности при ПМК.

Показано, что построенные алгоритмы отличаются возможностью интеграции процедур обработки информации на основе математических моделей и процедур последовательного анализа диагностических признаков (рис 3,4).

Каждый алгоритм включает в себя укрупненные функциональные блоки, взаимодействующие между собой и ориентированные на выполнение единой задачи - формирование прогноза физической работоспособности обследуемого пациента: блок выбора средств обследования, блок формирования входных воздействий и блок формирования заключения.

Для применения построенных алгоритмов предложены аптомэтизирован-ные процедуры прогнозирования физической работоспособяости при Г1МК, базирующиеся на объектно-ориентированном подходе и позволяющие повысить эффективность формирования решения за счет оптимизации вычислительного процесса. Определены оптимальные условия функционирования представленных алгоритмов.

Разработана схема вычислительного процесса (рис. 5) на основе универсальных процедур интерпретирующего типа, в которых связывание структуры данных и программ производится лишь в момент исполнения программы.

С этой целью выделены три обобщенных уровня: уровень управляющей программы, уровень подсистем, уровень задач, выполняемых в подсистемах.

Предложена модульная структура автоматизированной системы, реализующая разработанные алгоритмы в виде решения задач моделирования различными подсистемами на основе анализируемых прогностических областей. Показано, что каждый блок алгоритма представляется соответствующей подсистемой и решает свой набор задач в рамках вычислител ьного процесса. Разработана функциональная схема автоматизированной сис темы, в соответствии с которой процесс формирования решения представляется как выбор наиболее оптимальной совокупности произошедших событий, наступающих при включении в работу соответствующих подсистем.

Обеспечение устойчивого функционирования построенной системы предложено реализовать посредством организации диалога между лицом, принимающим решение (ЛПР),и системой.

В четвертой главе рассматривается структура и состав автоматизированной системы прогнозирования физической работоспособности, ее практическая реализация.

В соответствии с предлагаемой структурой (рис. 6), система состоит из отдельных модулей, организованных и связанных между собой управляющей подсистемой, представляющих собой функциональные узлы, имеющие упорядоченные значения параметров с единым у инфицированным интерфейсом.

В состав автоматизированной системы включены: подсистема клшшко-инструментальных обследований, подсистема моделирования, подсистема

Определение совокупности диагностических методов ЯШШ.«1 шянши Ё

Переход к другом;' апторитлту

Определение вида диагностического обследования

тигяияк

\

Формирование перечня входных переменных и управляющих воздействий

Прогноз физической работоспособности на основе модели выбранного ища

к. 3. Схема ачгоритмаиа основе модельных исследований

Рис. 4. Схема алгоритма на основе процедуры последовательного анализа

Рис. 5. Схема вычислительного процесса

прогнозирования физической работоспособности пациента, а также сервисная подсистема и разработанная база данных. Взаимодействие между компонентами системы производится за счет внешних и внутренних информационных; потоков. Внешние потоки осуществляют обмен информацией с внешней средой, которая образована лечащим врачом, пациентом и подсистемой клинических обследований, внутренний поток составляют результаты функционирования подсистем, представляющие собой входные воздействия для других структурных единиц системы.

Программное обеспечение системы разработано в соответствии с принципами структурного программирования на языке Object Pascal с использованием среды визуального программирования Delphi версии 3.0. и работает под управлением операционной системы MS Windows 95.

Комплекс технических средств является инструментальной базой разработанной автоматизированной системы и предназначен для решения задач сбора исходных диагностических данных, ввода полученной информации в ЭВМ, ее отображения для контроля и редактирования, обработки и хранения информации. Предложена структура комплекса, включающая электрокардиограф, комплекс приборов для проведения нагрузочного тестирования, эхокар-диограф.

Апробация разработанной системы в клинических условиях проводилась по данным Воронежского гарнизонного госпиталя. Оценка эффективности

предложенных методов производилась путем вычисления их. прогностической значимости и определения экономического эффекта от внедрения системы в клиническую практику.

Пациент

Диалоговый интерфейс

Информационно-справочные средства

¡Интегрированные средства ввода-вывода

Сервисная .по/тсисггема

Подсяст&ма клинических исследований

жшшшшш^шт

111111111

Шшшшвш

Манипулирование зшшшш и лаяными

Подсистема управление

Подсясяена момелхпэоваиия

ш&шш

ЛПР

ШШ*»

Прогнозирование .йрогноэиров.шш;

на основе на основе

последовательного модельных

анализа исследований

Прогнозирование ка основе

статистического сравнения выборок

Подсистема поогнсзтоигмпя

»мштвтаистаааааа!

Рис. 6. Структурная схема автоматизированной системы и информационные связи между отдельными компонентами

Сравнительная оценка методов представлена в таблице.

Сравнительная оценка методов прогнозирования физической работоспособности больных с ПМК

Показатели Моделышс исследования, % Последовательный анализ, %

Чувствительность 92 91

Специфичность 93 93

Предсказующая ценность положительного теста 91 91

Предсказующая ценность отрицательного теста 92 90

Предсказующая точность 93 92

Проведенный гналш показал, что метод, основанный на последовательном анализе признаков обладает более низкими показателями эффективности, чем исследования на оснозе математических моделей, однако обеспечивает сокращение времени, затрачиваемого на диагностику до 30 %.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения системы в клиническую практику в ценах 1997 года составил 1864772 руб/год.

Автоматизированная система реализована на базе ПЭВМ ШМ PC с процессором Intell Pentium 166 в среде операционной системы Windows 95.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведена классификация показателей физической работоспособности больных с пролапсом митрального клапана по степени их информативности на основе группового ранжирования экспертных оценок и определения количества информации, вносимого измерением каждого из признаков.

2. Построен комплекс математических моделей, позволяющий на основе используемых в формировании прогноза физической работоспособности диагностических обследований проводить формирование прогноза на основе логического моделирования с использованием математических моделей; оценивать риск неблагоприятного течения заболевания; формировать заключение, на основе альтернативных подходов к анализу признаков; оценивать качество жизни больных с нролабиропанием митрального клапана; формировать рекомендации по дальнейшему образу жизни пациентов.

3. Предложены алгоритмические процедуры, реализующие различные подходы при формировании прогноза физической работоспособности больных с Г1МК, определены оптимальные условия их функционирования.

4. Сформированы автоматизированные процедуры принятия решения, позволяющие повысить эффективность диагностического процесса за счет использования объектно-ориентированного подхода к формированию прогноза.

5. Разработана структура автоматизированной системы прогноза физической работоспособности пациентов с пролапсом митрального клапана, сформировано ее информационное и программное обеспечение, проведена программно-техническая реализация.

6. Разработанные модели и алгоритмы прогнозирования физической работоспособности больных с ПМК апробированы в клинических условиях.

7. Проведена оценка эффективности функционирования автоматизированной системы, подтверждена экономическая целесообразность ее использования.

8. Результаты работы внедрены в Воронежском гарнизонном госпитале, в учебный процесс кафедры "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" для студентов специальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" и на кафедре лечебной физкультуры и врачебного контроля Воронежской государственной медицинской академии им. H.H. Бурденко.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Воронин А.И., Харина М.В., Пасмурнов С.М. Аппаратный комлекс диагностики кардионарушений гистограммным методом // Современные проблемы информатизации: Тез. докл. Республ. электронной науч. конф. - Воронеж,

1996.- С. 82-83.

2. Безрядина Е.Е., Воронин А.И. Применение системного подхода к задачам определения патологических состояний и их прогнозирования в рамках минидиагностического комплекса: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф.- Рязань,

1997,-С. 51.

3. Воронин А.И., Харина М.В., Пасмурнов С.М. Логическая модель реализации метода гистограмм при распознавании состояния кардиобольных //Современные проблемы информатизации: Тез. дою:. П Республ. электронной науч. конф. - Воронеж, 1997. - С. 69-73.

4. Харина М.В., Воронин А.И. Диагностика и прогнозирование физического развития студентов на основе статистического анализа кардиоинтервало-грамм // Актуальные вопросы современной медицины: Межрегион, сб. науч. тр. - Воронеж, 1997. - С. 259-261.

5. Пасынкова И.В., Воронин А.И., Харина М.В. Автоматизированная система диагностики ПМК: Тез. докл. Всеросс. науч.-техн. конф.- Рязань, 1997. -С. 50.

6. Оценка эффективности гистограммного метода распознавания состояния эргатического элемента производств / С.М. Пасмурнов, Л.З. Рыбак, М.В. Харина, А.И. Воронин: Тез. докл. Всерос. совещ.-сем.- Воронеж, 1997.- С. 101.

7. Опыт математического прогнозирования функционального состояния сердца у больных с синдромом пролабирования митрального клапана / С.М. Пасмурнов, Л.З. Рыбак, М.В. Харина, А.И. Воронин // Реабилитация больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями: Тез. докл. II Рос. кауч.-практ. конф. -М., 1997. - С. 202-203.

8. Эффективность гистограммного метода распознавания состояния эргатического элемента / С.М. Пасмурнов, Л.З. Рыбак, М.В. Харина, А.И. Воронин

// Высокие технологии в медицинской диагностике: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1')'->7 - С. 168-172.

9. Логическая модель реализации метода гистограмм при распознавании состояния кардиобольных / И.В. Пасынкова, Л.З. Рыбак, М.В. Харшга, Л.И. Воронин // Высокие технологии в медицинской диагностике: Мел туз. сб. науч. тр.- Воронеж, 1998. - С. 10].

10. Безряднна Е.Е., Пасмурнов С.М., Воронин Л.И. Применение моделирования дач прогноза работоспособности лиц, страдающих пролабированием митрального клапана: Тез. докл. Межрегион, науч.-практ. конф,- Воронеж, 1998.-С. 254.

11. Воронин А.И., Пасмурнов С.М. Прогнозирование физической работоспособности у людей, етрцаанощих пролабированием митрального клапана: Тез. докл. Вссрос. совещ.-сем.- Воронеж, 1998. - С. 17.

12.Воронин А.И., Пасмурное С.М., Пасынкова И.В. Оценка и прогнозирование работоспособности человека-оператора/ЛЗысокие технологии в технике, медицине и образовании: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1998. -С.168-172.

ЛР № 020419 от 12.02.92. Подписано в печать 10. II .96. Усл. иеч. .л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ №<¿#5

Издательство Ворэнежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский проспект, 14

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВОРОНИН АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БОЛЬНЫХ С ПРОЛАПСОМ МИТРАЛЬНОГО КЛАПАНА

Специальность 05.13.09 - Управление в биологических и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент ПАСМУРНОВ С.М.

Воронеж 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................4

1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ..........................................14

1.1. Анализ информационных возможностей методов контроля работоспособности................................................14

1.2. Методы построения автоматизированных систем для контроля работоспособности................................................31

1.3. Цель и задачи исследования................................41

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПРОГНОЗА ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПРИ ПРОЛАБИРОВАНИИ МИТРАЛЬНОГО КЛАПАНА....................43

2.1. Формирование пространства информативных признаков для построения моделей................................................43

2.2. Прогностические модели снижения физической работоспособности при пролабировании митрального клапана............................53

2.3. Логическая модель принятия решения о прогнозе физической работоспособности................................................64

ВЫВОДЫ ВТОРОЙ ГЛАВЫ..................................70

3. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПРИ ПРОЛАБИРОВАНИИ МИТРАЛЬНОГО КЛАПАНА.......................................................71

3.1. Алгоритмы формирования прогноза физической работоспособности при пролабировании митрального клапана.............................71

3.2. Определение оптимальных условий функционирования алгоритмов.......................................................78

3.3. Автоматизированные процедуры формирования управляющего

решения для прогноза физической работоспособности при ПМК.........87

ВЫВОДЫ ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЫ..................................90

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................91

4.1. Структура автоматизированной системы прогнозирования физической работоспособности......................................91

4.2. Программно-техническая реализация автоматизированной системы..........................................................98

4.3. Оценка эффективности функционирования автоматизированной системы прогнозирования физической работоспособности.............105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................114

ЛИТЕРАТУРА.............................................116

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Прогностическая оценка физических возможностей организма человека, степени его адаптации к физическим нагрузкам является одной из важнейших задач современной медицины и физиологии. Неправильное дозирование физических нагрузок вместо пользы может принести большой вред, иногда непоправимый. Особенно остро стоит вопрос о контроле за физическим состоянием организма у студентов, военнослужащих и других групп, у которых физическое перенапряжение особенно чревато нежелательными последствиями для здоровья. Проблема хронических перенапряжений приобретает актуальное значение для прогнозирования состояний при физических нагрузках у молодых людей, лиц, страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой системы.

Решение данной проблемы позволяет акцентировать внимание на возможной потере трудоспособности человека и продлить период его нормальной трудовой деятельности, что особенно важно при рассмотрении скрытых патологий организма, оказывающих негативное влияние на физическое развитие человека. К ним относится и пролапс митрального клапана (ПМК) -врожденная либо приобретенная сердечная патология, одним из проявлений которой являются аномалии соединительной ткани, приводящие к деформации опорно-двигательного аппарата. Актуальность исследования данной проблемы возрастает в связи с широкой распространенностью ПМК, частота которого в популяции колеблется от 1,8 до 38 %.

Создание автоматизированных диагностических систем позволяет осуществить долговременный прогноз физической работоспособности человека и, путем проведения своевременных профилактических мероприятий продлить период его нормальной трудоспособности. Программно-аппаратные комплексы таких систем, ориентированные на проведение адекватного объема диагностических обследований, и разработка соответствую-

щего математического аппарата позволяют проводить прогностические обследования в условиях с повышенными физическими нагрузками (трудоемкие производства, вооруженные силы и т.д.).

Актуальность темы заключается в разработке комплекса математических моделей и алгоритмов, ориентированных на формирование прогноза физической работоспособности при ПМК.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежской государственной медицинской академии и межвузовской кафедры "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" - "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине".

Цель диссертации. Цель диссертационной работы заключается в построении моделей и алгоритмов прогнозирования физической работоспособности больных, страдающих пролапсом митрального клапана.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

изучить роль пролабирования митрального клапана в снижении физической работоспособности человека;

выявить особенности методов оценки физической работоспособности; провести классификацию признаков, используемых в прогнозе работоспособности;

разработать модели и алгоритмы прогнозирования физической работоспособности у пациентов с пролапсом митрального клапана;

сформировать информационное и программное обеспечение автоматизированных процедур системы прогноза физической работоспособности;

провести клиническую апробацию автоматизированной системы прогнозирования физической работоспособности при ПМК, проанализировать эффективность ее использования.

Научная новизна. Основные результаты диссертации, выносимые на защиту и имеющие научную новизну, состоят в следующем:

комплексный подход к выделению информативных признаков, с использованием группового ранжирования экспертных оценок и определения количества информации признаков, отличающийся полнотой учета анализируемых данных;

математические модели, ориентированные на формирование прогноза физической работоспособности пациента и учитывающие особенности различных видов клинико-инструментальных обследований;

процедура формирования прогноза на основе последовательного анализа диагностических признаков, обеспечивающая сокращение времени обработки диагностических показателей;

логическая модель принятия решения, позволяющая осуществить комплексный анализ исследований;

алгоритмы прогнозирования физического состояния пациента при наличии у него ПМК, обеспечивающие возможность интеграции процедур обработки информации на основе модельных исследований и последовательного анализа диагностических признаков;

структурное, информационное и программное обеспечение автоматизированной системы прогнозирования физической работоспособности больных с ПМК, отличающееся возможностью учета модельных и экспертных оценок при принятии решений в условиях многоальтернативности.

Практическая значимость и результаты внедрения. На основе моделей прогнозирования физической работоспособности при ПМК разработана методика диагностики и прогнозирования, реализованная в рамках построенной автоматизированной системы.

Разработанные модели и алгоритмы диагностики и прогнозирования физической работоспособности при наличии ПМК используются в клинической практике для автоматизированного принятия решения.

Применение системы в клинике позволяет сократить количество используемых диагностических средств, снизить время обследования, повысить эффективность формируемого прогноза за счет использования оптимального подхода и автоматизации процесса прогнозирования.

Результаты исследования апробированы и используются в клинической практике в Воронежском гарнизонном госпитале и на кафедре лечебной физкультуры и врачебного контроля Воронежской государственной медицинской академии (ВГМА), а также в учебном процессе лечебного факультета ВГМА и Воронежского государственного технического университета (ВГТУ) по специальности 190500 - "Биотехнические и медицинские аппараты и системы".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж 1996-1997 гг.); II Российской научно- практической конференции "Реабилитация больных с сердечно- сосудистыми заболеваниями" (Москва 1997 г.); семинарах кафедры "Лечебной физкультуры и врачебного контроля" (1997 г.) Воронежской государственной медицинской академии, Межвузовской кафедры "Медицинские и гуманитарные системы" (1997 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань 1997 г.); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж 1997 г.); Межрегиональной научно-практической конференции "Актуальные вопросы обеспечения качества медицинской помощи. Аккредитация и лицензирование медицинской и фармацевтической деятельности" (Воронеж 1998 г.); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержит список литературы из 98 наименований, изложена на 115 страницах машинописного текста, в котором приведено 14 таблиц и 18 рисунков.

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

В первой главе рассматриваются методы оценки физической работоспособности человека - оператора.

Установлено, что несмотря на противоречивость сведений об особенностях строения и функции сердца при ПМК, дисплазия соединительной ткани имеет генерализованный характер и затрагивает не только сердце, но и опорно-двигательный аппарат. Фенотипические особенности строения закономерно отрицательно влияют на физическую работоспособность, что прямым образом ухудшает качество жизни пациентов.

Отмечено, что комплексное изучение проблемы ПМК с использованием компьютерной техники позволяет ускорить дифференциальную диагностику на ранних стадиях развития синдрома, что дает возможность эффективно использовать методы первичной профилактики и решить задачи трудовой реабилитации.

Показано, что оценка физической работоспособности в клинической практике проводится на основе нагрузочных тестов, получивших широкое распространение при диагностических обследованиях населения с целью определения профессиональной пригодности, для выявления функционального состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Результаты тестирования дополняют диагноз и позволяют судить о вероятности заболевания коронарной болезнью, имеют прогностическое значение.

Отмечена необходимость построения автоматизированных систем,

объединяющих различные методы и позволяющих проводить комплексное, многоплановое тестирование с целью изучения фундаментальных вопросов моделирования двигательных мотиваций, функциональных расстройств двигательной сферы, а также решения прикладных задач - повышения работоспособности человека путем оптимизации параметров его состояния и проявлений, сопровождающих двигательные реакции.

Показана целесообразность построения прикладного программного обеспечения таких систем на основе современных представлений об объекте и соответствующих им математических моделей. Отмечено, что требования трансформируемое™ и наращиваемости моделей, обеспечивающие возможность их модернизации, выполняются при модульном построении, когда совокупности логических и расчетных блоков связываются лишь потоками входной и выходной информации.

Исходя из анализа современного состояния и путей повышения эффективности функционирования диагностических систем сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются прогностические модели снижения физической работоспособности при ПМК.

Показано, что для формирования рабочего пространства информативных признаков для прогноза снижения физической работоспособности, целесообразно сузить общее признаковое пространство до уровня, обеспечивающего построение модели с наибольшей достоверностью.

Решение этой задачи с наибольшей эффективностью достигается за счет применения методов вычисления экспертных оценок и ранжирования признаков по степени их информативности. С этой целью применен метод отыскания медианы Кемени, являющийся одним из наиболее обоснованных способов выбора результирующего ранжирования на основании ранжирований, указанных экспертами. Сравнительная оценка качества признаков произведена на основе определения количества информации, которое получает

система принятия решений в результате определения каждого из этих признаков.

Исходя из этого, в сформированное рабочее пространство информативных признаков с учетом количества информации, вносимого в систему с измерением каждого из них, включены 14 признаков из 50 первоначально рассматриваемых.

Показано, что применение методов математического моделирования для различных видов обследований позволяет решить задачу прогноза физической работоспособности в клинических условиях, дифференцировать прогноз, что в свою очередь, приводит к значительному сокращению временных и ресурсных затрат.

Т.к. данные нагрузочной эхокардиографии и нагрузочного тестирования относятся к хорошо формализуемым и поддаются четкому математическому описанию, для прогноза работоспособности с использованием их в качестве управляющих переменных предложено использование регрессионного анализа на основе статистических данных, накопленных в результате проведения пассивного эксперимента.

Для физикально-анамнестических данных, учитывая сложность их количественного описания, для прогноза физической работоспособности построена нечеткая классификационная модель, т.к. она позволяет формализовать словесную информацию эксперта и извлечь наиболее полезную ее часть для построения алгоритма управления физическим состоянием пациента.

Дополнительное обследование пациентов с неблагоприятным прогнозом с целью выявления больных, подверженных риску развития осложнений предложено проводить на основе анализа кардиоинтервалограмм с использованием критерия согласия Колмогорова-Смирнова и % - критерия.

С целью сокращения времени, затрачиваемого на проведение обследования, предложен подход к формированию решения, основанный на приме-

нении последовательного анализа, когда после измерения каждого очередного признака включается соответствующий алгоритм и решается задача прогнозирования на основе данных об измеренных к текущему моменту признаках.

Для формирования окончательного заключения и выработки соответствующих рекомендаций по дальнейшему образу жизни пациентов разработана логическая модель принятия решения. При этом на каждом этапе включена в анализ математическая модель, соответствующая проводимому кли-нико-инстументальному обследованию. Показано, что принятие решения может также осуществляться с применением процедур последовательного анализа признаков.

Таким образом, для прогноза физической работоспособности при ПМЕС предложено использование комплекса математических моделей, относящихся к одному из используемых видов обследований или применении метода, заимствованного из теории распознавания образов и базирующегося на последовательном анализе признаков, полученных в результате проведения комплекса клинико-инструментальных обследований.

В третьей главе рассматриваются алгоритмы принятия решения о прогнозе физической работоспособности пациентов с МГЖ.

Отмечено, что построенные алгоритмы отличается возможностью интеграции процедур обработки информации на основе модельных исследований и процедур последовательного анализа диагностических признаков.

Показано, что каждый из представленных алгоритмов включает в себя несколько укрупненн