автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Управление состоянием пациентов с хронической почечной недостаточностью на основе методов параллельной обработки данных и индивидуального прогнозирования

Введение

1. АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ МЕДИКОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ АНАМНЕСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

1.1. Анализ современных систем анамнестического мониторинга

1.2. Возможность применения технологии предварительной обработки информации, методов параллельной обработки данных, индивидуального прогнозирования и классификации для моделирования систем анамнестического мониторинга

1.3. Цели и задачи исследования

2. РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ГЕМОДИАЛИЗА НА ОСНОВЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ, ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ

2.1. Управление состоянием пациентов с терминальной стадией хронической почечной недостаточности в системе анамнестического мониторинга программного гемодиализа

2.2. Оптимизация управления обработкой данных в системе анамнестического мониторинга программного гемодиализа

2.3. Выводы

3. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО И ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ АНАМНЕСТИЧЕСКОГО

МОНИТОРИНГА ГЕМОДИАЛИЗНОЙ ТЕРАПИИ

3.1. Разработка информационных агентов системы анамнестического мониторинга программного гемодиализа

3.2. Алгоритмизация задачи построения системы анамнестического мониторинга программного гемодиализа

3.3. Разработка программного обеспечения системы анамнестического мониторинга программного гемодиализа

3.4. Выводы

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ АНАМНЕСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Анализ численных результатов работы системы анамнестического мониторинга программного гемодиализа

4.2. Оценка адекватности и эффективности системы анамнестического мониторинга программного гемодиализа

4.3. Выводы

Результаты работы Список литературы Приложение

Актуальность темы. Существующие на данный момент современные методы исследования в медицине, к сожалению, не во всех случаях позволяют полностью излечивать большинство потенциально смертельных заболеваний и критических состояний, что в свою очередь уже привело к быстрому росту количества хронических больных и инвалидов всех возрастных групп. Наиболее остро перед здравоохранительными организациями всего мира стоит проблема наблюдения таких больных и ухода за ними. Отечественные и зарубежные специалисты решают эту проблему разными путями, в том числе совершенствованием современных медицинских информационных систем и формированием специальных здравоохранительных и социальных структур.

В настоящее время автоматизированные медицинские комплексы чрезвычайно дороги в условиях Российской Федерации, однако наблюдается заметный рост интереса к компьютерным системам сбора, обработки и анализа медицинской информации, что находит отражение в росте закупок зарубежных разработок и в увеличении числа профессионально выполненных отечественных систем.

Современные системы анамнестического мониторинга (САМ) в медицине сильно ориентированы на предметную область, многофункциональны и неоднородны. Обеспечение требуемого качества мониторинга в отдельных случаях требует выполнения больших объемов вычислений за жестко ограниченные периоды времени. Поэтому прослеживается тенденция к удорожанию аппаратного обеспечения САМ. Механизмы обеспечения требуемого качества мониторинга в САМ, представленных на Российском рынке, скрыты от пользователя.

Современные методы медикаментозной и физиотерапии пациентов с терминальной стадией хронической почечной недостаточности оказывают влияние на различные системы регуляции организма, что зачастую ведёт к необходимости комплексного мониторинга, когда параллельно проводится диагностика по проблемным общеклиническим направлениям. Выделение комплексных клинических картин состояний множества пациентов во многих областях медицины проводится индивидуально, методы оптимальной вычислительной обработки при параллельных наблюдениях в медицине до сих пор не разработаны.

Методологический разрыв между практическими потребностями в обеспечении комплексного контроля состояния пациентов САМ и возможностей теоретических разработок в области создания и сопровождения САМ предопределяет актуальность систематизации аналитических методов обработки данных параллельных наблюдений.

Нехватка средств на закупку медикаментов для проведения каждой процедуры программного гемодиализа ТХПН обуславливает необходимость ужесточения режима (сокращения количества посещений процедуры и увеличения длительности) программного гемодиализа.

Научные результаты, изложенные автором, получены в соответствии с межвузовской научно-технической программой 12.11 «Перспективные информационные технологии в высшей школе», в рамках одного из научных направлений Воронежского государственного технического университета «Биокибернетика и компьютеризация в медицине» и Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 г.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка метода анамнестического мониторинга как процесса реального времени в условиях задержек, обусловленных динамикой сбора, обработки данных и их интерпретации автоматизированной системой поддержки принятия врачебных решений в едином цикле.

При разработке СМИ анамнестического мониторинга необходимо решить следующие задачи: исследовать возможность применения теоретической базы индивидуального прогнозирования и классификации состояний для рациональной оценки и прогноза состояния пациентов САМ гемодиализной терапии; сформулировать концепцию автоматизированного управления состоянием объектов САМ гемодиализной терапии; разработать алгоритм и программное обеспечение комплекса САМ в условиях задержек, обусловленных динамикой сбора, предварительной обработки и интерпретации данных параллельных наблюдений, срабатыванием автоматизированной системы поддержки принятия врачебных решений.

Методы исследования. При выполнении работы использованы элементы теории предварительной обработки информации, параллельной обработки данных, индивидуального прогнозирования и классификации.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной: модель обработки данных параллельных наблюдений с задержками в объединении синхронизируемых процедур двухуровневой схемы принятия решений, учитывающая динамику сбора, предварительной обработки и интерпретации данных параллельны наблюдений на процедуре программного гемодиализа; методика определения состояния пациентов с терминальной стадией хронической почечной недостаточности во время процедуры программного гемодиализа, учитывающая количественные статистические оценки распределения ряда измерений кровяного давления; комплекс вероятностных моделей присутствия у пациентов каждого из пяти осложнений (сердечной недостаточности, дыхательной недостаточности, водно-солевого баланса, печёночной недостаточности, почечной недостаточности), учитывающий дуальность схемы принятия решения по каждому виду осложнения; обобщённая схема и модифицированный алгоритм принятия управленческих решений, позволяющие повысить скорость обработки информации и надёжность принимаемых решений в процессе обработки данных параллельных наблюдений и индивидуального прогнозирования.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

Практическая значимость работы определяется использованием результатов при создании САМ гемодиализной терапии.

На основании исследования реализованы: структурное, информационное и программное обеспечение САМ гемодиализной терапии с учётом возможных задержек на этапе предварительной обработки информации и принятия решения; система управления состоянием пациентов с терминальной стадией хронической почечной недостаточности на основе технологии предварительной обработки информации, индивидуального прогнозирования и классификации; материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Системного анализа и управления в медицинских и педагогических системах» Воронежского государственного технического университета по курсу «Управление в биологических и медицинских системах», «Методы обработки биомедицинских сигналов и данные», «Конструирование и технология производства приборов и аппаратов» и кафедры «Патологической физиологии» Воронежской государственной медицинской академии по курсу «Патологическая физиология», в лечебный процесс отделения реанимации 2 ГУЗ Областной клинической больницы №1.

Полученные результаты позволяют научно обосновать способ построения системы мониторинга и управления и проводить мониторинг параметров гемодинамики пациентов на процедуре программного гемодиализа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях и научных семинарах:

Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 1999-2002); Всероссийской конференции «Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах» (Воронеж, 2000-2001); Всероссийской конференции «Управление в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2002); Всероссийской конференции «Компьютеризация в медицине» (Воронеж, 2002); Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и студентов, посвященный 104-й годовщине дня Радио "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, 1999); Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых учёных и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных технологий» (Воронеж, 1999), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, проводимых в Воронежском государственном техническом университете в 1999-2002 гг., научно-тематическом семинаре межвузовской кафедры «САУМС» (Воронеж, 2000).

Алгоритм комплексного мониторинга, разработанный в работе, использовался при выполнении госбюджетной НИР ГБ 92.27 «Разработка алгоритмического, программного обеспечения процесса диагностики и лечения заболеваний и формирование автоматизированных систем» кафедры САУМС в 2002 г.

Публикации. Основные результаты настоящей работы опубликованы в 14 печатных работах.

В опубликованных в соавторстве работах соискателем предложена методика и технология сбора информации [4], обработки многопотоковых данных с использованием технологии предварительной паралдельной обработки информации [14], осуществлена верификация прогностических моделей и интерпретация полученных результатов [1,7, 8, 9, 10, 11, 12, 13], разработана методика оценки параметров статистического распределения кровяного давления пациентов на процедуре гемодиализа [6] и индивидуального прогнозирования состояния диализных пациентов [3], введены задержки параллельной обработки данных мониторинга параметров гемодинамики для управления состоянием пациентов на процедуре гемодиализа [2, 5].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников, включающего 45 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 151 странице, содержит 30 рисунков и 6 таблиц.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформирован комплекс вероятностных моделей присутствия у пациентов каждого из пяти осложнений: сердечной недостаточности, дыхательной недостаточности, водно-солевого баланса, печёночной недостаточности, почечной недостаточности, учитывающий дуальность схемы принятия решения по каждому виду осложнения, стохастическую неопределённость экспериментальных данных и количественные статистические оценки распределения ряда измерений кровяного давления.

2. Формализована модель вычислительной процедуры с использованием параллельных процессов с задержками в объединении синхронизируемых процедур многоуровневых схем принятия решений, расширяющая известные способы формального описания вычислительных процессов в системе анамнестического мониторинга.

3. Предложена обобщённая схема и модифицированный алгоритм выбора параметров процедуры гемодиализа в условиях параллельной обработки данных анамнестического мониторинга, позволяющие повысить скорость обработки информации за счёт параллельной обработки данных и надёжность принимаемых решений за счёт использования предварительной обработки информации и индивидуального прогнозирования.

4. Разработано структурное, информационное и программное обеспечение САМ гемодиализной терапии с учётом возможных задержек на этапе предварительной обработки информации и принятия решения;

5. Получены количественные характеристики скорости обработки данных в системе управления состоянием пациентов с терминальной стадией хронической почечной недостаточности на основе технологии предварительной обработки информации, индивидуального прогнозирования и классификации;

6. Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Системного анализа и управления в медицинских и педагогических системах» Воронежского государственного технического университета по курсу «Управление в биологических и медицинских системах» , «Методы обработки биомедицинских сигналов и данных», «Конструирование и технология производства приборов и аппаратов» и кафедры «Патологической физиологии» Воронежской государственной медицинской академии по курсу «Патологическая физиология»., в лечебный процесс отделения реанимации 2 ГУЗ Областной клинической больницы № 1 Полученные результаты позволяют научно обосновать способ построения системы мониторинга и управления и проводить мониторинг параметров гемодинамики пациентов на процедуре программного гемодиализа отделения реанимации 2 ГУЗ Областной клинической больницы №1.

1. Федеральная целевая научно-техническая программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002 2006 годы.

2. Атаманюк М.Ф. Современное состояние и перспективы развития хирургической помощи при пороках и заболеваниях сердца и сосудов/ М.Ф.Атаманюк, С.Л.Петрова, Л.А.Зайкина // IV Всесоюзная конференция сердечно-сосудистых хирургов.-Киев,1983.-С.45-46.

3. Рекомендации Всемирной организации здравоохранения по организации телемедицинских систем http://www.youngalcohol.who.dk

4. Львович Я.Е. Управление в биологических и медицинских системах/ Я.Е.Львович, М.В.Фролов. Воронеж,- 1994.- 183 с.

5. Дубко М.И. Математические модели физиологических процессов дыхания и кровообращения/ М.И.Дубко, А.Д.Марголин// Проблемы создания аппаратуры для медицинских лабораторных исследований. Л.- 1974.- №3.-С.89-91.

6. О.В. Родионов. Функциональная диагностика.Воронеж.-2000.-150с.

7. Большая медицинская энциклопедия http://www.nedug.ru/lib/lit/encikl/bme/menu.html

8. Леонтьев С.Н. Большой энциклопедический словарь.М.:Наука, 1998г.

9. Домашний доктор. Справочник под ред. В.Ф. Тулянкина, Т.И. Тулянкиной, М., "Паритет", 1997 г.

10. Позднякова О.И. и др. Автоматизированная сетевая система поддержки принятия решений в типовых ЛПУ // Юбилейная конференция КГТУ. Курск, 1995. С. 17-19.

11. Савенкова И.В. Разработка автоматизированной поликлинической системы диагностика заболеваний ЖКТ // Биотехнические медицинские v экологические системы и комплексы. Рязань, 1996. С. 7-9.

12. Gordon J., Shortliffe Е. A Method for Managing Evidentical Reasoning in a Hierariichical Hypotheses Space // AU 1985. Vol. 26. P. 323 - 357.

13. B.H. Фролов. Управление в биотехнических и медицинских системах: Учеб.пособие / Под ред. Д-ра техн.наук, проф. Я.Е.Львовича и д-ра мед.наук, проф. М.В.Фролова. Воронеж.гос.техн.ун-т. Воронеж, 2001. 327 с.

14. А.К.Разинкин, О.Н.Чёпоров. Технология предварительной обработки информации для исследования и моделирования медицинских систем// Системный анализ и управление в биомедицинских системах. М,-2001 г. с.52-58.

15. Моисеев Н.Н. Предисловие к книге Орловского С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации, М., Наука, 1981.

16. Ларичев О.И., Мошкович Е.М. Качественные методы принятия решений. М., Наука. Физматлит, 1996.

17. Simonovic A., Slobodan P. Decision support for sustainable water resources development in water resources planning in a changing world. -Proceeding of International UNESCO symposium, Karlsruhe, Germany, p. III. 313, 1994.

18. Ginzberg M.J., Stohr E. A. A decision support: Issues and Perspectives. -Processes and Tools for Decision Support. Amsterdam, North holland Publ. Co, 1983.

19. Simon H.A. The new science of management decision. Englewood Cliffs, N.J., Prentice Hall Inc., 1975.

20. Ларичев О.И. Объективные модели и субъективные решения. М., Наука, 1987.

21. Кун Т. Структура научных революций. М., Прогресс, 1977.

22. Slovic P., Fichhoff В., Lichtenstein S. Behaviorial decision theory. -Annu. Phychol. Rev. vol. 28, 1997.

23. Подвальный E.C. Модели индивидуального прогнозирования и классификации состояний в системах компьютерного мониторинга. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1998. 127 с.

24. J1.H. Шарова. Распределение Вейбулла в медицинских исследованиях. Сборник научных трудов «Прикладные информационные аспекты медицины».-1997, т.2, №1, с. 38-41

25. Е.Д.Федорков, Ю.Е.Есин, С.Н.Космачёв. Алгоритм комплексного мониторинга на процедуре программного гемодиализа. Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах", Воронеж, 2002, с.

26. Л.И.Калакутский. Система интегрального анестезиологического мониторинга. Тезисы докладов 10 международной научно-технической конференции "Датчик-98", 1998г. -с.

27. Кузнецов С.И. Инвариантное моделирование в медицине на базе кластерного анализа. Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 1997. - 108 с.

28. Айвазян С.А., Енюков И.С. Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных.- М. Финансы и статистика, 1983.-237с.

29. Жамбю М. Иерархический кластер-анализ и соответствия: Пер.с фр.- М.: Финансы и статистика, 1988. ISBN5- 279-00058- 2,- 342-(Математико статистические методы за рубежом).- Пер.изд.- Франция, 1978.

30. Диагностика и лечение обострений хронической почечной недостаточности: Методические рекомендации / Под ред. К.А.Арипова. -Ташкент: Ташк. мед. ин-т, 1978. 16 с.

31. Четвериков В.Н., Ревунов Г.И., Самохвалов Э.Н.//Базы и банки данных: Учеб.для вузов по спец. «АСУ».-М.: Высш. шк., 1987.-С.248.

32. Никитин JI.H., Кочуров Д.Е., Шишкин В.М., Струк Ю.В. , Космачёв С.Н. Автоматизация группового мониторинга процесса гемодиализной теропии Сборник научных трудов «Прикладные информационные аспекты медицины»,- 1999, т.2, №2, с.84-86.

33. Е. Д. Федорков, Е. Ю. Есин, С.Н.Космачёв. Кислотно-щелочное состояние у больных с хин находящихся на программном гемодиализе и возможности его коррекции Межвузовский сборник научных трудов «Компьютеризация в медицине», Воронеж, 2002, с.

34. И.А.Бырко, Д.В.Бачурин, А.Ю.Евстратов и др. Оценка результатов домашнего мониторинга урофлоуметрии. // Материалы Пленума правления российского общества урологов Москва 1988 г. С. 167-168.

35. Ю.В.Струк. Управление процессом дифференциального лечения осложнений у больных с хронической почечной недостаточностью на процедуре гемодиализа.

36. Соколова Н.В. Моделирование и анализ параллельных вычислительных процессов в системах мониторигна. Санкт-Петербург, 2001г.