автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Разработка структуры и алгоритмов автоматизированного комплекса для контроля и управления состоянием сердечно-сосудистой системы

На правах рукописи

ГЛОТОВ АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ ч г

< 7 OUI я

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук.

Воронеж 1996 г.

Работа выполнена на кафедре фармакологии Воронежской государственной медицинской академии им Н.Н.Бурденко.

Научный руководитель: академик РАМТН, д.м.н.,

проф. Резников K.M.

Научный консультант: академик РАЕН, д.т.н.,

проф. Фролов В.Н.

Официальные оппоненты: академик РАМТН, д.м.н.,,

проф. Минаков Э.В., к.т.н. Мутафян М.И.

Ведущая организация: Курский государственный

медицинский университет

Защита состоится " osy/r^g^о^1996 г.

'"часов на заседании диссертационного совета Д063.81.04 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж. Московский проспект 14, конференц зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТУ. Автореферат разослан с*—1996 г.

Ученый секретарь —*>

специализированного соврга/тО-^? Йдсмурнов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сердечно-сосудисТая патология долгие годы удерживается в первых строках списка болезней, являющихся причиной временной нетрудоспособности, инвалидности, смертности населения стран всего мира. Клиническая практика тебует постоянного пополнения арсенала кардиотропных средств. Анализ состояния проблемы автоматизации процессов оценки и управления состоянием сложных биомедицинских систем, в частности оценка действия кардиотропных лекарственных препаратов, показывает необходимость разработки новых методологических подходов к использованию современных информационных технологий в этой области. В рамках решения этой проблемы, необходимо сформулировать требования к аппаратному комплексу и концепцию построения программного обеспечения для создания автоматизированного рабочего места специалиста по скринингу новых лекарственных средств. Прежде всего, необходимо развитие общей методологии автоматизации проведения экспериментальных работ по контролю состояния и управлению сердечно сосудистой системой на различных уровнях. Для этого, необходимо иметь достаточно универсальный набор аппаратных средств, позволяющих пользователю обрабатывать аналоговую биомедицинскую информацию на ЭВМ. Предоставить возможность построения и исследования алгоритмов преобразования первичных аналоговых сигналов в распространенные физиологические параметры, характеризующие функционирование сердечно-сосудистой системы, для частных случаев экспериментатору на конкретном рабочем месте. Разработать архитектуру и средства ведения экспериментальной базы данных. Иметь набор адекватных математических моделей для представления процесса взаимодействия сердечнососудистой системы в целом или одного из составляющей ее компонентов с лекарственным веществом, позволяющий адекватно оценивать результаты разных экспериментальных исследований.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы является разработка структуры и алгоритмического

обеспечения автоматизированного комплекса для контроля и управления состоянием сердечно-сосудистой системы в эксперименте.

Для достижения цели ставились и решены следующие задачи.

1) Создать комплекс технических средств для проведения экспериментов по изучению лекарственных препаратов на изолированных органах.

2) Разработать модель базы экспериментальных данных.

3) Предложить оригинальный алгоритм детекции кар-диоцикла.

4) Определить порог чувствительности и особенности фармакодинамики для различных доз кардиотроп-ных лекарственных препаратов с установленным механизмом действия.

5) Сформулировать концепцию построения автоматизированных систем для оценки действия лекарственных препаратов и биологически активных веществ.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач в работе применялись методы перфузии изолированных органов, электрофизиологические методы, методы математической статистики, методы объектно-ориентированного программирования, вычислительной математики и математического моделирования, теории построения алгоритмов и программ.

Научная новизна результатов исследования.

Создан комплекс технических средств регистрации в реальном масштабе времени аналоговых сигналов, легко адаптируемый для решения задач скрининга и оценки действия препаратов различных фармакологических групп.

Разработана универсальная модель представления экспериментальной системы как совокупности информационных потоков от биологического объекта, средств их обработки и представления, обеспечивающая формализацию процесса создания аналогичных систем на высоком уровне.

Построен и апробирован алгоритм обнаружения и обработки кардиоцикла, использующий оригинальную техно-

логию разбиения кардиосигнала на иерархическую систему объектов.

Впервые зафиксированы стереотипы динамики количественных параметров работы сердца для различных доз кар-диотропных препаратов, отличающиеся определенными зависимостями "доза-эффект".

Предложена концепция, позволяющая эффективно создавать автоматизированные системы для решения широкого круга задач, связанных с проведением экспериментов на живых объектах различного уровня биологической организации.

Практическая значимость и реализация результатов работы. В результате работы были созданы автоматизированные высокотехнологичные установки для исследования кардиотропной активности лекарственных препаратов.

Внедрение результатов позволяет получить медицинский эффект, выражающийся в повышении точности диагностики и качества лечения за счет уменьшения дней нетрудоспособности и осложнений лекарственной терапии. Внедрение в экспериментальные лаборатории дает экономический эффект за счет уменьшения потребности в экспериментальных животных в 10-15 раз, сокращения численности занятого персонала и затрат времени.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Школе-семинаре молодых специалистов "Физиология и патология сердечно-сосудистой системы" (Воронеж 1993 г.); Научно-практической конференции "Актуальные вопросы медицины" (Липецк 1994); Научно-практическая конференция "Высокие технологии в практике учреждений здравоохрания г.Воронежа" (Воронеж 1995 г.); 1-ом Всероссийском съезде фармакологов. (Волгоград 1995 г.); 111 национальном конгрессе "Человек и лекарство" (Москва 1996 г.); Итоговых научных сессиях Воронежской государственной медицинской академии (1990-1995 г.); Научном обществе фармакологов Воронежской области (19901995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 12 таблиц, библиографию из 128 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее краткая характеристика, формулируется цель и задачи исследования, представлены основные научные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проанализировано представление медико-биологических систем разного уровня организации как объектов управления. В качестве примера решения медико-биологических проблем с позиций этого методологического подхода рассмотрена проблема повышения эффективности процесса оценки кардиотропных эффектов биологически активных веществ. Отмечена необходимость постоянного пополнения арсенала кардиотропных средств, приведены современные схемы скрининга лекарственных препаратов, отмечена их дороговизна, громоздкость, растянутость во времени. Обсуждена проблема индивидуального дозирования, зависимости фармакологического эффекта от дозы (концентрации) препарата. Показан возрастающий интерес к изучению и применению сверхмалых доз препаратов, как со стороны практической медицины, так и со стороны экологии.

Создание и внедрение в медицинскую практику автоматизированных сйстем, реализующих рутинные методы по обработке и управлению данными, могут дать наибольший эффект от внедрения вычислительной техники. Актуальна задача создания модели автоматизации проведения лабораторных испытаний кардиотропных лекарственных препаратов.

Анализ существующих подходов к использованию вычислительной техники для анализа и управления медицинской информацией показывает, что основной акцент при

разработке медицинских комплексов делается на создание информационных банков, построенных на вводимой оператором с клавиатуры информации ее переработке и предоставлении пользователю в удобной, легкодоступной форме. Наиболее перспективным является направление создания вычислительных комплексов, работающих с аналоговой информацией, получаемой со стандартных медицинских приборов. Анализ литературы свидетельствует о наличии великого множества разрозненных концепции новых критериев оценки эффективности действия на организм различных, в том числе и лекарственных, факторов, построению математических моделей поведения живого организма при воздействии разного класса внешних, управляющих, воздействий. Признана необходимость получения качественных критериев оценки управляемых параметров функционирования организма, обладающих достаточной простотой, надежностью, универсальностью, позволяющих эффективно подбирать управляющие воздействия.

Развитие новых медицинских информационных технологий сдерживается проблемами отсутствия эффективного программного обеспечения. Проанализированы этапы эволюции языков программирования, методологий создания программ. Прорывом в области информационных технологий при построении подобных систем стало активное развитие и применение парадигмы объектно-ориентированного программирования, когда процесс разработки программ можно назвать процессом конструирования объектов, технология, при использовании которой мышление разработчика программного обеспечения переходит на качественно новый уровень. Таким образом, объектно-ориентированный подход является универсальной методологической базой в информационной индустрии, доступной в неограниченно широкой области практического программирования. Особенно продуктивен объектно-ориентированный подход при создании высоко сложных приложений для автоматизации медико-биологических исследований и реализации математических моделей разного рода биологических систем и объ-

ектов в связи с большой сложностью организации последних.

Во второй главе описаны методики проведения экспериментов.

Измерения трансмембранных потоков кальция в кар-диомиоцитах осуществляется путем определения разности концентраций метаболита в перфузате. Скорость потока ионов определяется по формуле:

Изучение электрической и механической активности миокарда проведено с использованием изолированных сердец теплокровных. Предложен новый способ регистрации электрической активности миокарда при помощи сконструированных нами атравматичных биполярных электродов. Измеряемые параметры электрокардиограммы и меха-нограммы представлены на рис. 1.

цикла.

Временные характеристики имеют префикс t, а амплитудные - префикс я. В качестве референтной точки для временных параметров кардиоцикла используется вершина зубца R.

ф tRR - расстояние между вершинами двух R зубцов. ф tFront - длительность переднего фронта зубца R. ♦ tBack - длительность заднего фронта зубца R. ф tSyst - время между вершиной зубца R и точкой максимального давления на механограмме. ф tDiast - время между вершиной зубца R и точкой

минимального давления на механограмме. ф aR - амплитуда зубца R. ф aSyst - величина максимального давления. ф aDiast - величина минимального давления.

Принцип подбора тест-веществ, призванных служить входными, управляющими параметрами-для сердца основан на использовании кардиопрепаратов с хорошо изученным механизмом действия и точками приложения, что повышает вероятность обнаружения управляемых, выходных, параметров работы сердца.

Описана методика проведения ортостатической пробы, фиксирующая реакцию сосудистой системы на перераспределение крови при изменении положения тела, использованная нами в качестве имитатора действия сосудистого средства.

В третьей главе описана схема построения автоматизированного комплекса для оценки и контроля состоянием сердечно-сосудистой системы.

Представлена структура комплекса технических средств для ввода аналоговой информации в ПЭВМ, приведены его технические характеристики. Перечислено использовавшееся математическое обеспечение.

Проанализированы трудности связанные с автоматизацией процесса получения первичных экспериментальных данных - наименее проработанного момента в процессе раз-

работки концептуальной модели получения и обработки аналоговой биологической информации.

Предложена схема построения ПО в виде системы для поддержки базы экспериментальных данных (БЭД) (рис 2.), модули которой описаны в терминах объектно-ориентированного программирования.

Первый модуль предназначен для организации ввода новых экспериментов. Второй модуль- модуль управления данными, реализует набор стандартных функций ведения базы данных.

Рис. 2. Схема организации программного обеспечения автоматизированной системы для проведения экспериментов на БО.

Модуль представления данных позволяет гибко управлять видом и содержанием получаемых отсчетов. Модуль анализа данных включает набор стандартных статистических методов, обычно использующийся для обработки медико-биологической информации.

Структура базы экспериментальных данных описана как последовательность серий, опытов, потоков данных, представлено два варианта потока - непрерывный и дис-

кретный. Каждый поток рассматривается в виде последовательности элементов. Структура БЭД изображена на рис. 3. С использованием методики Джексона.

Рис. 3. Структура базы экспериментальных данных.

Предложеный нами алгоритм для детекции кардио-циклов решает задачу повышения производительности обработки входящей информации. Последовательность преобразования входящего сигнала изображена на рис. 4.

Показано, что наиболее эффективная реализация предъявляемых к алгоритму требований возможна с использованием парадигмы объектно-ориентированного программирования. Описана технология получения и хранения информации.

В качестве предобработки получаемых временных рядов значений физиологических параметров предложено использование медианного фильтра, предоставляющего возможность, в отличие от чаше применяемой линейной, сохранять крутые фронты перепадов динамики показателя, обусловленные действием лекарственного препарата и эффективно сглаживать импульсный шум.

Представлена концептуальная модель аппаратных средств автоматизированной системы для проведения экспериментов на биологических объектах. Предложена схема

организации и набор оборудования для комплекса технических средств, использованный в нашей работе, описаны технические характеристики приборов.

Четвертая глава посвящена реализации и апробации авто-матизированног о комплекса. Все ПО комплекса разбивается на две категории предметно-независимую и предметно-зависимую. К первой относят-информации в системе. ся средства веде-

ния БЭД, пользовательского интерфейса, визуализации данных, ко второй - средства обмена с АЦП, зависимые от характера экспериментов алгоритмы первичной обработки данных и расчета физиологических параметров. В терминах ООП предлагается библиотека базовых классов реализующих предметно-независимые компоненты системы. На основе базовых классов, с использованием технологии наследования ООП, создаются специализированные, предметно-зависимые компоненты, реализующие конкретные функциональные возможности и состав автоматизированного комплекса.

mmHg

^..ЛаЛЛ

[Кардиоцикл

V

г»

Изаеренне [

jSET

Сегикнт

з:

Зубец

3

]

^KaproitBagiJj

<1=

_ Экакримаата льна! база данных

structura TZub { char tPick, aPick

}

structura TCardiocikl { char

pSyst, tSyst, pDiast, tDiast; TZub

zP,zQ,zR,zS,zT

}

Рис. 4. Преобразование входящей

Очевидно, продолжение работ в этом направлении позволит создать законченный набор инструментальных средств, достаточный для быстрой эффективной реализации автоматизированной системы контроля и управления состоянием различных биологических систем любого уровня сложности.

Первая ступень апробации созданного автоматизированного комплекса в процесса оценки и управления состоянием сердечно-сосудистой системы у экспериментальных животных -изучения динамики трансмембранных потоков Са++ в ишемизированном миокарде. Установлены фазы и их временные интервалы и объемы поглощения Са++ при ре-перфузии сердца после его ишемии различной продолжительности раствором с пониженной концентрацией Са++ (0.6 ммоль). Изменение электрической и механической активности миокарда при увеличении концентрации свободного Са++ в саркоплазме кардиомиоцитов представлено на рис.5. На рисунке хорошо видна корреляционная связь между скоростью поглощения Са++ миокардом и выраженностью диа-столического напряжения миокарда.

• Результаты, полученные при апробации созданного автоматизированного комплекса для оценки действия некоторых кардиотропных препаратов на изолированном сердце показали, что выявить и количественно описать переходные процессы в деятельности сердца при реперфузии сверхмалых концентраций кардиотропных препаратов - К-72 и вврапа-мила, в контрольной серии все изученные показатели были стационарны. На рис. 6 изображена динамика физиологических показателей работы сердца при действии различных концентраций препарата К-72 на изолированное сердце. Полученные результаты выявляют эффекты препарата К-72 в концентрациях меньших, чем минимально-эффективные дозы, взятые из литературных данных, что дает возможность изучения интимных механизмов действия препарата. На рис. 6 представлены диаграммы, позволяющие сравнить поведение определенного параметра в контрольной серии и сериях экспериментов при действии кардиотропного препарата в различных концентрациях.

время (сек)

время (сек)

ишемия 15 мин —■—ишемия 25 мин —А—ишемия 40 мин

Рис. 5. Влияние длительности ишемии на диасто-лическое давление, количество и скорость поглощения

По оси У расположены опыты в порядке убывания концентрации растворов, по оси X время наблюдения, характерные точки:

•О - исходный уровень параметра (100%); • 10 - переключение на раствор, содержащий препарат; •70 - переключение на базовый раствор без препарата. По оси Ъ - процентные соотношения, первый отсчет (норма) принят за 100%.

ты изолированного сердца при действии различных концентраций препарата К-72 (N=8).

Диаграммы на рис.6 изображены в следующем порядке:

1.ЛЯ-интервал;

2.Систолическое давление;

3.Диастолическое давление;

4.Пульсовое давление;

5.Среднее давление.

1200

300 600

Время (сек)

900

Рис. 7. Мониторинг величины ИИ. интервала при проведении ортостатической пробы.

300 600

Время (сек)

Рис. 8. Мониторинг величины ИЯ интервала при проведении ортостатической пробы. Скользящее среднее (N=11 циклов). Треугольники - Систолическое давление, Квадраты - Диастолическое давление.

200 -■

100

150

50

0

0

300

600

900

Время (сек)

Рис. 9. Скользящее стандартное отклонение величины Ш1 интервала при проведении ортостатической пробы.

При проведении ортостатической пробы у человека, моделирующей действие сосудистых средств четко описаны моменты изменения физиологического состояния сердечнососудистой системы при измении положения тела. Эти результаты представлены на рис. 7-9.

Результаты апробации разработанного автоматизированного комплекса на различных компонентах сердечнососудистой системы позволяют говорить об эффективности предложенного подхода к внедрению информационных технологий. Наши разработки позволяют выявлять наличие у исследуемого биологически активного вещества или иного воздействия управляющих свойств по отношению к сердечно-сосудистой системе, оценить их количественно там, где другие экспериментаторы, использовавшие иные методики исследования, констатируют отсутствие эффекта.

1. Создан комплекс технических средств на основе персонального компьютера обладающий гибкими функциональными возможностями, позволяющими

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

использовать его для изучения многих функциональных систем организма.

2. Показано, что парадигма объектно-ориентированного программирования наиболее эффективна для создания комплексных медико-биологических компьютерных систем, так как обеспечивает мобильность, масштабируемость создаваемых прило-

' жений и обладает эффективными механизмами накопления разработанного кода.

3. Предложенная технология построения базы экспериментальных данных, позволила реализовать высокоэффективные предметно-независимые механизмы управления данными.

4. Разработанный алгоритм детекции кардиоцикла в виде последовательной декомпозиции электрокар-диосигнала в иерархическую систему однородных событий с присутствием механизма автокоррекции на каждом уровне, позволил эффективно решить проблемы первичной обработки электрокардиосиг-нала.

5. Представление электрокардиосигнала в виде после- довательности кардиоциклов обеспечило эффективный механизм кодирования информации без ее существенных потерь.

6. Анализ полученных экспериментальных данных по действию кардиотропных препаратов в малых дозах на изолированное сердце позволил выявить наличие и характер переходных процессов в функциональных состояниях миокарда при действии управляющего фактора не обнаруживаемых при использовании других методов исследования.

7. В результате проведенной работы, показаны различия в характере, выраженности и времени появления изменений управляемых параметров биологического объекта, в зависимости от вида и интенсивности управляющего воздействия.

8. Предложенная нами схема и построенная на ее основе автоматизированная система процессов оценки

действия кардиотропных средств позволяет быстро, качественно, с минимальными временными и материальными затратами оценивать наличие или отсутствие у исследуемого биологически активного вещества или иного воздействия управляющих свойств по отношению к сердечно-сосудистой системе, оценить их количественно.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Пелешенко Е.И., Глотов А.И..Программное обеспечение поиска новых критериев диагностики функциональных состояний миокарда: Компьютеризация в медицине, Сб. научн. трудов, Воронеж 1992, с.4-7

2. Глотов А.И. Опыт разработки и использования программной системы сбора и обработки данных в экспериментах на изолированном сердце: Актуальные проблемы медицины. Юбилейный сб.тр. - Воронеж. -1993.-Т.1, с.28-29

3. Глотов А.И., Барвитенко Н.Т..Проблемы автоматизации расчетов ЛПУ с медицинскими страховыми компаниями: Тезисы Научно-Практической конференции "Высокие технологии в деятельности учреждений здравоохранения г. Воронежа", Воронеж 1995

4. Глотов А.И., Брагин М.В..Автоматизация исследования зависимости "Доза-Эффект" некоторых кардиотропных препаратов: Тезисы научно-Практической конференции "Высокие технологии в деятельности учреждений здравоохранения г. Воронежа", Воронеж 1995

5. Глотов А.И., Резников K.M. Использование технологии объектно-ориентированного программирования в разработке автоматизированного рабочего места экспериментатора: Компьютеризация в медицине. Межвуз.сб. - Воронеж. - 1994. - С. 163-167.

6. Глотов А.И..Алгоритм распознавания кардиоциклов для автоматизированной системы изучения изолиро-

ванных сердец теплокровных: Новое в диагностике и лечение заболеваний. Сб. научн. трудов. Воронеж 1994. с.30-32.

7. Глотов А.И..Разработка модели представления данных для автоматизированной системы изучения деятельности сердца: Актуальные вопросы медицины, Тез. научно-практ. конференции, Липецк 20-21 апреля 1994 г., -с 66.

8. Трофимова О.В., Резников K.M., Минаков Э.В., Ку-ликовЮ.А., Глотов А.И., Андрева В.В.. Компьютерные подходы к поиску и оценке действия сердечнососудистых средств: В кн. Фундаментальные исследования как основа создания лекарственных средств М.1995.

9. Филиппова О.В, Сидоренко А.Ф., Золоедов В.И., Грекова Т.Н., Глотов А.И., Брагин М.В. Применение аналогов стресс-лимитирующих систем организма в лечении ишемической болезни сердца: В кн. III национальный Конгресс "Человек и лекарство" М. 1996.

Ю.Глотов А.И., Брагин М.В.. Динамика некоторых физиологических показателей изолированного сердца крыс при действии верапамила и этафона в различных дозах: Новое в диагностике и лечении заболеваний населения центрально-черноземной области. Воронеж 1995. -с.21.

Отпечатано в тп. ВГУ. Тир. 100 экз.