Дослідження та впровадження інформаційних технологій оперативного аналізу в системах медичного моніторингу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дніпропетровський національний університет

УДК 519.254:519.248:61

Дослідження та впровадження інформаційних технологій оперативного аналізу в системах медичного моніторингу

05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дереза Андрій Юрійович

Дніпропетровськ 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Приставка Олександр Пилипович, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри математичного забезпечення ЕОМ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Малайчук Валентин Павлович, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри радіоелектронної автоматики;

доктор технічних наук, професор Авраменко Валерій Павлович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри інформаційних управляючих систем.

Провідна установа

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків.

Захист відбудеться “ 06 ” 06 2006 р. о “ 14 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К08.051.01 при Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49044, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 35, корп. 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Козакова, 8.

Автореферат розіслано “ 04 ” 05 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Земляна С.В.

АНОТАЦІЇ

Дереза А.Ю. Дослідження та впровадження інформаційних технологій оперативного аналізу в системах медичного моніторингу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена проблемі підвищення інформативності та достовірності результатів обробки добових вимірів артеріального тиску шляхом застосування сучасних методів аналізу інформації на базі сплайн-перетворень і розробки інформаційно-діагностичної автоматизованої системи обробки даних добового моніторингу артеріального тиску.

Отримано неперервну марківську модель процесу зміни систолічного та діастолічного артеріального тиску з кусково-сталими функціями інтенсивності переходів. Алгоритмізовано побудову моделі процесу зміни артеріального тиску за часом у вигляді гладкої функції з використанням локальних поліноміальних сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому, на основі B-сплайнів. На основі методу динамічного програмування для визначення моментів структурної зміни процесу коливання тиску запропоновано обчислювальну процедуру оцінки параметрів лінійної сплайн-регресії з k вузлами склеювання.

Запропоновано концепцію розробки програмного середовища в системах медичного моніторингу, яку зорієнтовано на технологію візуальної постановки задачі та відкриту архітектуру. На основі концепції, класичних та новітніх технологій, в тому числі запропонованих автором, розроблено інформаційно-діагностичну автоматизовану систему ViStA Med оперативного аналізу даних добового моніторингу артеріального тиску. Забезпечено автоматизацію діагностування форм артеріальної гіпертензії.

Ключові слова: оперативний аналіз, інформаційно-діагностична автоматизована система, добові заміри артеріального тиску, марківська модель, сплайн.

стохастичний марков артеріальний тиск

Дереза А.Ю. Исследование и внедрение информационных технологий оперативного анализа в системах медицинского мониторинга. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена проблеме повышения информативности и достоверности результатов обработки суточных измерений артериального давления путем использования современных методов анализа информации на базе сплайн-преобразований, разработке и реализации информационно-диагностической автоматизированной системы обработки данных суточного мониторинга артериального давления.

Предложена непрерывная во времени марковская модель двухмерного стохастического процесса изменения артериального давления с кусочно-постоянными функциями интенсивности переходов. Модель позволяет проводить анализ систолического и диастолического артериального давления в совокупности. Алгоритмизирована модель процесса изменения артериального давления в виде гладкой функции с использованием локальных полиномиальных сплайнов, близких к интерполяционным в среднем, на основе B-сплайнов.

Разработана вычислительная процедура оценки параметров линейной сплайн-регрессионной зависимости артериального давления от времени замера и местонахождения k узлов склеивания, основанная на методе динамического программирования. Процедура позволяет определять моменты структурного изменения процесса колебания артериального давления.

Предложена концепция разработки программной среды в системах медицинского мониторинга, ориентированной на иной уровень интерфейса пользователя при формировании задания на автоматизированную обработку данных и открытую архитектуру с формализованной структурой потоков информации системы. На базе концепции разработана информационно-диагностическая автоматизированная система ViStA Med оперативного анализа данных суточного мониторинга артериального давления. В системе реализованы модели и процедуры, в том числе разработанные автором.

По результатам обследований на базе Антигипертензивного центра клинической больницы №11 г.Днепропетровска при кафедре госпитальной терапии №2 Днепропетровской государственной медицинской академии с использованием системы ViStA Med получены оценки вероятностей нахождения артериального давления в определенных границах, характеризующие пациентов с различными формами и степенями тяжести артериальной гипертензии. Обеспечена автоматизация диагностирования форм и степеней тяжести артериальной гипертензии, позволяющая предоставить помощь врачу в определении диагноза. Система позволяет диагностировать изолированную систолическую артериальную гипертензию в самом начале ее развития в 95% случаев.

Ключевые слова: оперативный анализ, информационно-диагностическая автоматизированная система, суточные замеры артериального давления, марковская модель, сплайн.

Dereza A. Research and application of information technologies of the operative analysis in medical monitoring systems. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Technical Sciences degree by specialty 05.13.06 - Automated control systems and progressive information technologies. - Dnipropetrovsk National University, Dnipropetrovsk, 2006.

The dissertation is devoted to increase the reliability and self-descriptiveness of results of daily arterial pressure measurements processing by using the modern methods of the information analysis on the spline-transformations basis.

Continuous Markovian model of systolic and diastolic arterial pressure change process with piecewise constant intensity functions of transitions is received. Algorithmization of model construction of arterial pressure change process is executed in the form of smooth function with using the local polynomial splines on the basis of the В-splines that, on average, are related to the interpolar. Computing procedure of parameters estimation of linear a spline-regression with k nodes is offered. Procedure is based on the dynamic programming method and allows to define the moments of structural change of arterial pressure change process.

The concept of the program environment development in medical monitoring systems is offered. The concept is focused on technology of a visual problem setting and the open architecture. Information-diagnostic automated system ViStA Med of the operative analysis of daily arterial pressure monitoring data is developed. Automation of an arterial hypertensia forms diagnosing is provided.

Key words: operative analysis, information-diagnostic automated system, daily arterial pressure measurements, Markovian model, spline.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз існуючих інформаційних технологій і програмних засобів оперативного аналізу в системах медичного моніторингу вказує на їх недостатність при достовірному діагностуванні, зокрема, захворювань серцево-судинної системи. Водночас сучасний розвиток імовірнісно-статистичних моделей обробки інформації набув рівня, який дозволяє значно підвищити достовірність оцінки параметрів фізіологічних процесів людини. Виходячи із вищевказаного є актуальною розробка нових і адаптація існуючих методів та створення нової інформаційної технології проведення діагностування захворювання серцево-судинної системи.

Сучасним підходом до оцінки стану здоров`я пацієнта та діагностування форм та ступенів тяжкості захворювання на артеріальну гіпертензію (АГ) є обробка даних добового моніторингу артеріального тиску. Через складність механізмів розвитку гіпертонічної хвороби та, у ряді випадків, неоднозначність застосовуваних у медицині статистичних показників виникає необхідність аналізу та моделювання процесів, пов`язаних із функціонуванням серцево-судинної системи.

Реалізація прогресивних методів статистичного аналізу в системах медичного моніторингу, зокрема застосування сплайн-функцій, дозволяє здійснити відтворення достовірних моделей. Вагомий внесок у розвиток фундаментальної теорії сплайн-функцій зробили І. Шоенберг, М.П. Корнійчук, А.О. Лигун, П.О. Приставка та інші.

Однією з пріоритетних задач забезпечення обробки добового моніторингу є розробка сучасної автоматизованої системи (АС) обробки даних моніторингу та створення концепції побудови таких систем. Вагомий внесок у розвиток теорії побудови систем обробки даних зробили І.В. Сергієнко, І.М. Парасюк, В.М. Бухштабер. Для розв`язання задач обробки даних медичного моніторингу існуючі автоматизовані системи не повною мірою відповідають вимогам простоти, доступності для фахівців різних кваліфікацій. Останнє вимагає реалізації автоматизованої інформаційної системи з якісно іншим ядром обчислювальної технології та рівнем інтерфейсу користувача. Проведений огляд вказаних систем дозволив визначити структурні риси інформаційних систем, що повинні лягти в основу сучасного програмного продукту, та зазначити перспективність систем з відкритою архітектурою. Так, актуальною є розробка концепції побудови автоматизованих систем обробки даних та її впровадження при розв`язанні задач моделювання параметрів серцево-судинної системи та діагностики артеріальної гіпертензії.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційної роботи отримано в період 2003-2006 рр. за тематичними планами науково-дослідних робіт:

держбюджетної теми №0104U000961 “Розробка методів обробки даних та автоматизованої інформаційної технології моніторингу ViStaMed (на прикладі добового моніторингу артеріального тиску серцево-судинної системи)”, державний обліковий номер 0205U006460;

науково-технічного проекту МОЗ України №0102V001316 “Діагностика та лікування гіпертонічної хвороби в залежності від гіпертрофії лівого шлуночка та ремодеювання міокарда” в рамках Національної Програми профілактики і лікування артеріальної гіпертензії в Україні;

держбюджетної теми № 0199U001556 “Клініко-функціональна, імунологічна оцінка ефективності нових методів медикаментозної терапії найбільш поширених серцево-судинних захворювань (АГ, атеросклероз, ІСХ)”.

Мета та задачі досліджень. Мета роботи - підвищення інформативності та достовірності результатів обробки добових вимірів артеріального тиску шляхом застосування сучасних методів аналізу інформації на базі сплайн-перетворень і розробки й реалізації інформаційно-діагностичної автоматизованої системи обробки даних добового моніторингу артеріального тиску.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв`язати такі задачі:

- проаналізувати вхідні дані добового моніторингу артеріального тиску з метою вибору інформаційної технології обробки добових вимірів тиску;

- розробити математичну модель двовимірного стохастичного процесу зміни артеріального тиску на основі апарату теорії Маркова із застосуванням сплайн-перетворень;

- побудувати параметризовану модель стохастичного процесу зміни артеріального тиску шляхом оцінки багатовимірної функції спостережень на основі лінійних комбінацій -сплайнів;

- запропонувати обчислювальну процедуру оцінки параметрів сплайн-регресійної залежності систолічного (діастолічного) артеріального тиску від часу з k вузлами склеювання;

- розробити концепцію створення програмного середовища в системах медичного моніторингу з відкритою архітектурою та інтуїтивно зрозумілим інтерфейсом користувача;

- розробити програмне середовище автоматизованої обробки даних добового моніторингу артеріального тиску на базі отриманої концепції, моделей та обчислювальних процедур;

- реалізувати інформаційну технологію для розв`язання задач добового моніторингу артеріального тиску та забезпечити автоматизацію діагностування форм і ступенів тяжкості артеріальної гіпертензії.

Об`єкт дослідження - інформаційні системи автоматизованої обробки даних медичного моніторингу.

Предметом дослідження є математичні моделі двовимірного стохастичного нестаціонарного процесу зміни артеріального тиску та обчислювальні процедури в системах оперативного аналізу добових вимірів артеріального тиску.

Наукова новизна роботи полягає в такому:

Вперше запропоновано неперервну за часом двовимірну марківську модель процесу зміни артеріального тиску з кусково-сталими функціями інтенсивностей переходів, що дозволяє проводити аналіз систолічного та діастолічного артеріального тиску у сукупності та підвищити достовірність оцінки ймовірності знаходження артеріального тиску у визначених межах.

Алгоритмізовано модель процесу зміни артеріального тиску за часом у вигляді гладкої функції з використанням локальних поліноміальних сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому, на основі B-сплайнів, що дозволило оцінити функції інтенсивності переходів між станами запропонованої марківської моделі процесу зміни артеріального тиску.

Удосконалено обчислювальну процедуру оцінки параметрів лінійної сплайн-регресії та місцезнаходження k вузлів склеювання шляхом упровадження методу динамічного програмування, що дало можливість визначити моменти структурної зміни процесу зміни артеріального тиску, підвищити інформативність результатів обробки даних та обчислювальну ефективність процедури порівняно з відомими.

Запропоновано концепцію розробки програмного середовища в системах медичного моніторингу, що містить оболонку, обчислювальне ядро, підключувані бібліотеки з процедурами обробки, та таку, що зорієнтована на якісно інший рівень інтерфейсу користувача при формуванні завдання на автоматизовану обробку даних та відкриту архітектуру з формалізованою структурою потоків інформації системи.

Усе це дозволило розробити й реалізувати автоматизовану систему ViStA Med обробки даних добового моніторингу артеріального тиску.

Практична цінність матеріалів роботи:

На базі запропонованої концепції розроблено інформаційно-діагностичну автоматизовану систему ViStA Med обробки даних добового моніторингу артеріального тиску, у якій реалізовані моделі та процедури, у тому числі розроблені автором.

За результатами обстежень, проведених в Антигіпертензивному центрі клінічної лікарні №11 м. Дніпропетровська на кафедрі госпітальної терапії №2 Дніпропетровської державної медичної академії, одержано адекватні оцінки ймовірностей знаходження артеріального тиску у визначених межах, що характеризують пацієнтів з ступенями підвищення артеріального тиску і формами артеріальної гіпертензії: нормальний рівень артеріального тиску, пограничний рівень артеріального тиску; м'який ступінь підвищення артеріального тиску при АГ; помірний ступінь підвищення артеріального тиску при АГ; тяжкий ступінь підвищення артеріального тиску при АГ; АГ після перенесеного гострого інфаркту міокарда; АГ після гострого порушення мозкового кровообігу; нейроциркуляторна дистонія за гіпертензивним типом; ізольована систолічна АГ.

Реалізовано автоматизоване діагностування ступенів тяжкості та форм артеріальної гіпертензії, яке дозволяє надати лікарю допомогу у визначенні діагнозу, що в подальшому впливає на тактику індивідуального лікування хворого та аналізу перебігу хвороби.

Реалізовано спосіб діагностування форм і ступенів тяжкості артеріальної гіпертензії за даними добового моніторингу артеріального тиску, що заснований на оцінці ймовірностей знаходження АТ у визначених зонах контролю з використанням локальних поліноміальних сплайнів на основі -сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому.

Реалізована інформаційна технологія має більш широке коло застосування, зокрема, у системах технологічного моніторингу за станом технічних систем.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на Конференції аспiрантiв i студентiв “Iнженерiя програмного забезпечення 2005” (Київ, 2005), VI Міжнародній конференції “Авіа-2004” (Київ, 2004), 11-й Міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика-2004” (Київ, 2004), Міждержавній науково-практичній конференції “Проблеми математичного моделювання” (Дніпродзержинськ, 2004, 2005), II Міжнародній науково-практичній конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем” (Дніпропетровськ, 2004), III Міжнародній науково-практичній конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем” (Дніпропетровськ, 2005), Міжнародній науково-технічній конференції “Теорія та методи обробки сигналів” (Київ, 2005), VI Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і космос” (Дніпропетровськ, 2004), VII Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і космос” (Дніпропетровськ, 2005), Міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані системи управління в гірничо - металургійному комплексі” (Кривій Ріг, 2004), Всеросійській конференції студентів, аспірантів та молодих науковців “Технології Microsoft у теорії та практиці програмування” (Москва, 2005), підсумкових наукових конференціях ДНУ за 2004-2006 рр. (Дніпропетровськ, 2004, 2005, 2006).

Структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел, додатків. Обсяг роботи становить 134 сторінки основного тексту; робота містить 9 таблиць, 50 рисунків, 2 додатки та список використаних джерел.

Публікації. Основні результати роботи опубліковано у 21 друкованій праці (у тому числі 8 без співавторства), серед яких 6 робіт [1-6] опубліковано у виданнях, затверджених ВАК України як фахові, 14 - у тезах доповідей на конференціях, 1 - у заявці на винахід [9].

Особистий внесок здобувача в працях, виконаних у співавторстві. У роботі [1] надано опис розробленої інформаційної технології автоматизованої обробки статистичних даних за візуалізованою графічною схемою стосовно задач оперативного аналізу в системах моніторингу. У статті [2] стосовно запропонованої інформаційної технології описано відповідне програмне забезпечення. У роботі [5] досліджено двовимірну кусково-марківську модель процесу зміни артеріального тиску за даними добового монiторингу, яка дозволяє оцінити ризик знаходження пацієнта в певних станах за показниками артеріального тиску та спростити аналіз ризику розвитку серцево-судинних захворювань. Отримано результати моделювання за конкретними даними обстеження. У праці [6] наведено опис оболонки та обчислювального ядра інформаційно-діагностичної системи ViStA Med автоматизованої обробки сигналів артеріального тиску добового моніторингу. Описано автоматизацію діагностування однієї з десяти форм артеріальної гіпертензії та частково отримано результати практичного застосування за даними обстежень пацієнтів з артеріальною гіпертензією. У роботі [7] наведено опис реалізації оболонки програмного середовища системи гідрохімічного моніторингу в зоні дій ГЗК Кривбасу. У статті [8] подано алгоритмізацію моделювання процесу поведінки функції зміни артеріального тиску за часом у вигляді гладкої функції з використанням локальних поліноміальних сплайнів. У праці [9] розроблене програмне забезпечення автоматизації діагностування форм і ступенів тяжкості артеріальної гіпертензії за оцінками ймовірностей знаходження тиску у визначених межах.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації з погляду сучасного стану проблем створення автоматизованої інформаційної системи для забезпечення обробки даних добового моніторингу артеріального тиску, сформульовано мету та задачі. Коротко окреслено зміст роботи.

У першому розділі проведено аналіз обчислювальних технологій обробки стохастичних даних стосовно формування ядра інтелектуальної системи обробки даних медичного моніторингу, зокрема добового моніторингу артеріального тиску, з використанням сплайн-перетворень. Проаналізовано двовимірний стохастичний процес зміни артеріального тиску, який задано масивом, що містить моменти часу та значення замірів систолічного та діастолічного артеріальних тисків протягом доби з 15-30 хвилинними інтервалами. Розглянуто низку публікацій, що стосуються методів розв`язання задач обробки даних у системах медичного моніторингу із застосуванням сплайн-перетворень, зокрема: відтворення функцій щільності розподілу ймовірностей, відтворення регресійних залежностей, проведення оцінки функції спостереження процесу зміни артеріального тиску, здійснення аналізу марківських процесів зміни артеріального тиску за даними добового моніторингу артеріального тиску.

Особливу увагу приділено методам непараметричного оцінювання, зокрема методам сплайн-апроксимації. За обчислювальною ефективністю та відносною простотою реалізації виділяються локальні поліноміальні сплайни на основі B_сплайнів, близькі до інтерполяційних у середньому.

Серед можливих підходів до побудови адекватної згладженої оцінки тривимірної функції спостереження процесу зміни артеріального тиску за умови відносної простоти реалізації та обчислювальної ефективності обрано метод апроксимації гладких функцій локальними поліноміальними сплайнами на основі _сплайнів, близькими до інтерполяційних у середньому.

З метою оцінки ризику підвищення артеріального тиску у визначених межах і подальшого діагностування форм артеріальної гіпертензії відзначена можливість реалізації марківської моделі процесу зміни систолічного та діастолічного артеріального тиску за даними добового моніторингу. Проведений аналіз застосування марківських ланцюгів у медицині, насамперед у задачах обробки даних добового моніторингу артеріального тиску, показав можливість підвищення інформативності результатів моделювання шляхом побудови двовимірної відносно вихідних даних моделі процесу зміни артеріального тиску. Апроксимація функції інтенсивності у вигляді кусково-сталих дозволяє звести нестаціонарний процес зміни артеріального тиску до кусково-стаціонарного.

Наведено огляд та аналіз інформаційних технологій і програмних засобів обробки статистичних даних, у тому числі тих, в яких реалізовані сплайн-перетвореня, що дає можливість сформувати структуру та загальні риси сучасного статистичного програмного продукту. Проведено огляд існуючих систем обробки інформації, зокрема, у системах медичного моніторингу, який показав перспективність розробки концепції створення програмного середовища з відкритою архітектурою та візуальним формуванням завдання на обробку.

У кінці розділу, виходячи з актуальності задачі алгоритмічного та інформаційного забезпечення обробки даних добового моніторингу артеріального тиску на базі сплайн-перетворень, сформульована постановка задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено створенню системи компонуючого типу оперативного аналізу в системах медичного моніторингу. Запропоновано концепцію розробки програмного середовища автоматизованої обробки даних в системах медичного моніторингу, що передбачає:

- відмову від використання внутрішньої проблемно-орієнтованої мови для опису задачі користувачем та впровадження інформаційної технології візуального формування завдання на обробку;

- введення обчислювального ядра як засобу підвищення ефективності розробки;

- використання технології Dynamic Linked Library(DLL) (розробник - компанія Microsoft) для забезпечення функціональної масштабованості програмного продукту;

- формалізацію структури потоків інформації всередині системи та стандартизацію інтерфейсу бібліотек методів обробки;

- застосування методичних рекомендацій щодо створення АС обробки даних моніторингу.

Процес обробки даних розділяється на окремі складові елементи, користувачу надається графічний інструмент для об`єднання необхідних йому елементів у схему і таким чином формування завдання на обробку.

На базі інформаційної технології візуального формування завдання на обробку програмно реалізовано АС універсального призначення ViStA, що структурно містить оболонку, бібліотеки з процедурами обробки, обчислювальне ядро та інші складові (рис.1).

Система дозволяє проводити обробку статистичних даних незалежно від предметної області. Організація універсальної системи передбачає створення на її базі спеціалізованих програмних продуктів.

Алгоритми обробки даних реалізуються у вигляді Dynamic Linked Library бібліотек операційної системи Windows, що мають стандартизований відкритий інтерфейс та динамічно підключаються до оболонки. Структуру потоку інформації, що передається між алгоритмами обробки формалізовано - подано у вигляді схем. У подальшому це дозволяє організувати розподілену та віддалену обробку статистичних даних у мережах Internet та Intranet.

Відкрита архітектура системи передбачає можливість взаємозамінності структурних частин, насамперед бібліотек з процедурами обробки.

Для зменшення загального коду системи та відповідно підвищення її надійності введено обчислювальне ядро. Ядро являє собою набір DLL бібліотек, кожна з яких має свій власний відкритий інтерфейс.

У третьому розділі проведено алгоритмізацію обробки результатів добового моніторингу артеріального тиску серцево-судинної системи. Результати моніторингу представлені масивом

,

де - моменти часу проведення заміру тиску; - значення діастолічного та систолічного тиску.

Запропоновано процедуру оцінки ймовірності реалізації спостережень артеріального тиску в межах визначеної області за відтвореною непараметричною двовимірною функцією розподілу ймовірностей реалізації спостережень тиску у вигляді локальних поліноміальних сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому, на основі B-сплайнів.

На основі -сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому, отримано модель процесу зміни артеріального тиску протягом часу спостереження у вигляді гладкої просторової параметричної кривої , що в подальшому дозволило оцінити параметри неперервної кусково-марківської моделі процесу зміни показників систолічного та діастолічного тиску.

За використання існуючих медичних нормативних величин діагностування стану серцево-судинної системи за разовими вимірами артеріального тиску множину можливих значень тиску поділено на 36 зон контролю :

, , ,

де ,- медичні нормативні величини,,,.

За зонами контролю побудовано граф функціонування системи з станами (рис.2).

Функції інтенсивності переходу зі стану до стану апроксимовані сталими або кусково-сталими

.

Оцінка функції інтенсивності переходів знаходиться шляхом відтворення сплайн-експоненціального розподілу з одним вузлом

з умови мінімуму залишкової дисперсії. При цьому запропоновано процедуру ідентифікації сплайн-експоненціального розподілу.

Одержано систему диференціальних рівнянь, що описує функціонування процесу зміни артеріального тиску

(1)

де - імовірність знаходження процесу в стані на момент часу .

Розв`язок системи з кусково-сталими функціями інтенсивності одержується шляхом послідовного розв`язання системи (1) на інтервалах часу зі сталими інтенсивностями.

Побудована модель потребує експертного висновку про стан пацієнта, дає можливість подальшої автоматизації процесів діагностування хвороб серцево-судинної системи та надання рекомендацій щодо їх лікування.

Для виявлення моментів структурної зміни тиску сформульовано задачу оцінки параметрів сплайн-регресійної залежності систолічного (діастолічного) артеріального тиску від часу спостереження.

Розроблено ефективну з обчислювального погляду процедуру оцінки параметрів сплайн-регресійної залежності з k вузлами та знаходження вузлів склеювання, засновану на застосуванні методу динамічного програмування. Процедура є розвитком ідей, запропонованих О.П. Приставкою. За масивом для функції регресії вигляду

,

де -фіксовані вузли склеювання;

оцінки параметрів знаходять з умови мінімуму залишкової дисперсії. Для місцезнаходження вузлів склеювання застосовано метод динамічного програмування з критерієм оптимальності вибору вузлів у вигляді мінімуму залишкової дисперсії. Основне рекурентне співвідношення динамічного програмування має вигляд

, (2)

,

де - оцінки параметрів, що відповідають обчисленню ;

- функція, пропорційна мінімальній залишковій дисперсії для сплайн-регресійної залежності з вузлами склеювання, що відтворена за першими точками.

Місце розташування вузлів визначається змінними , що відповідають мінімуму правої частини співвідношення (2). Процедура може бути розширена на випадок квазілінійності шляхом попереднього перетворення вхідних даних.

Модель відображає швидкість зміни артеріального тиску пацієнта протягом часу обстеження та дає лікарю можливість додаткового аналізу коливання тиску протягом доби. Сплайн-регресія дозволяє виявляти моменти структурної зміни процесу зміни артеріального тиску, наприклад такі, що відповідають моментам засинання та пробудження пацієнта.

Запропонована технологія, разом з іншими, реалізована в складі інформаційно-діагностичної системи ViStA Med обробки даних добового моніторингу артеріального тиску.

Четвертий розділ присвячено розробці інформаційного забезпечення та практичній реалізації обробки даних у системах медичного моніторингу.

На базі запропонованої концепції, системи ViStA розроблено програмне середовище автоматизованої обробки даних добового моніторингу артеріального тиску ViStA Med. У складі системи реалізовані моделі та обчислювальні процедури, у тому числі і запропоновані автором.

Структурно система містить:

- обчислювальні процедури обробки даних моніторингу параметрів серцево-судинної системи;

- розвинутий програмний інтерфейс, який дозволяє здійснити керування обчислювальним процесом, керування уведенням і виведенням інформації;

- організацію обчислювального процесу, засновану на формалізації структури потоків інформації, впровадженні обчислювального ядра, відокремленні обробляючої та інтерфейсної частин програмного коду.

У системі ViStA Med реалізовано автоматизоване діагностування форм і ступенів тяжкості артеріальної гіпертензії за оцінками ймовірностей знаходження артеріального тиску в зонах контролю, одержаними за використання непараметричної оцінки (у вигляді двовимірного поліноміального сплайна) функції щільності розподілу реалізацій спостережень тиску за термін моніторингу пацієнта або шляхом побудови двовимірної марківської моделі процесу зміни артеріального тиску за часом. Як метод діагностування обрано метод класифікації за мінімумом відстаней між об`єктом та контрольним класом. Використано контрольну групу з 706 пацієнтів, що проходили обстеження на базі Антигіпертензивного центру клінічної лікарні №11 м. Дніпропетровська та для яких лікарем було визначено діагноз певної форми чи ступеня тяжкості артеріальної гіпертензії. Результати добових замірів артеріального тиску надано доцентом кафедри госпітальної терапії №2 Дніпропетровської державної медичної академії, к.м.н Т.В. Колесник.

Для кожної групи пацієнтів з однаковим діагнозом на основі використання системи ViStA Med одержано оцінки ймовірностей знаходження тиску в 36 зонах контролю. Імовірності знаходження тиску в зоні контролю усереднені (апроксимовані нормальним законом), і відповідно отримано центроїди для кожного діагнозу. За вирішальне правило обрано мінімум відстані в евклідовому просторі між імовірностями знаходження артеріального тиску пацієнта в зонах контролю та центроїдами. У таблиці наведено порівняння ймовірностей діагностування форм та ступенів тяжкості артеріальної гіпертензії за оцінками ймовірностей знаходження тиску в зонах контролю та оцінками прийнятих у медицині статистичних показників. Для груп пацієнтів контрольної вибірки з визначеним діагнозом побудовано кусково-марківські моделі процесу зміни АТ (приклад на рис.3).

Таблиця Імовірності діагностики форм і ступенів тяжкості артеріальної гіпертензії

Діагноз	P1	P2
Пограничний рівень АТ	0.57	0.57
М'який ступінь підвищення АТ при артеріальній гіпертензії	0.33	0.37
Помірний ступінь підвищення АТ при артеріальній гіпертензії	0.46	0.61
Тяжкий ступінь підвищення АТ при при артеріальній гіпертензії	0.81	0.87
Нейроциркуляторна дистонія	0.77	0.67
Ізольована систолічна АГ	0.88	0.95
Нормальний рівень АТ	0.53	0.71

Примітки:

На основі статистичних показників, прийнятих у медицині.

За оцінками ймовірностей знаходження АТ у зонах контролю.

Реалізація автоматизованого діагностування (таблиця) дозволила діагностувати захворювання на ізольовану систолічну артеріальну гіпертензію на самому початку її розвитку в 95% випадків. Загальна правильна діагностика системи склала 75%.

У складі співавторів подано заявку на винахід.

У висновку сформульовано основні результати досліджень.

Додатки містять описи інтерфейсів обчислювального ядра та бібліотек автоматизованої системи ViStA мовою Object Pascal.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Запропоновано описувати процес зміни артеріального тиску людини неперервною за часом двовимірною марківською моделлю з кусково-сталими функціями інтенсивностей переходів, що дозволяє проводити аналіз систолічного та діастолічного артеріального тиску у сукупності.

Алгоритмізовано процес побудови моделі процесу зміни артеріального тиску за часом у вигляді гладкої функції з використанням локальних поліноміальних сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому, на основі B-сплайнів.

Запропоновано обчислювальну процедуру оцінки параметрів лінійної сплайн-регресії та місцезнаходження k вузлів склеювання, що заснована на методі динамічного програмування та дозволяє визначати моменти структурної зміни процесу коливання артеріального тиску.

Запропоновано концепцію розробки програмного середовища в системах медичного моніторингу, яку зорієнтовано на якісно новий рівень інтерфейсу користувача при формуванні завдання на автоматизовану обробку даних і відкриту архітектуру з формалізованою структурою потоків інформації системи.

На базі запропонованої концепції розроблено інформаційно-діагностичну автоматизовану систему ViStA Med обробки даних добового моніторингу артеріального тиску, у якій реалізовані моделі та процедури, у тому числі розроблені автором. Система реалізує автоматизацію діагностування форм і ступенів тяжкості артеріальної гіпертензії, що дозволяє надати лікарю допомогу у визначені діагнозу.

За результатами обстежень, проведених в Антигіпертензивному центрі клінічної лікарні №11 м. Дніпропетровська на кафедрі госпітальної терапії №2 Дніпропетровської державної медичної академії, на основі використання системи ViStA Med одержано оцінки ймовірностей знаходження артеріального тиску у визначених межах, що характеризують пацієнтів з ступенями підвищення артеріального тиску і формами артеріальної гіпертензії:

- нормальний рівень артеріального тиску;

- пограничний рівень артеріального тиску;

- м'який ступінь підвищення артеріального тиску при АГ;

- помірний ступінь підвищення артеріального тиску при АГ;

- тяжкий ступінь підвищення артеріального тиску при АГ;

- АГ після перенесеного гострого інфаркту міокарда;

- АГ після перенесеного гострого порушення мозкового кровообігу;

- нейроциркуляторна дистонія за гіпертензивним типом;

- ізольована систолічна АГ.

Реалізовано спосіб діагностування форм і ступенів тяжкості артеріальної гіпертензії за даними добового моніторингу артеріального тиску, заснований на оцінці ймовірностей знаходження АТ у визначених зонах контролю з використанням локальних поліноміальних сплайнів на основі -сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В ПРАЦЯХ

1. Дереза А.Ю., Приставка О.П. Інформаційна технологія оперативного аналізу в системах моніторингу // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2004.- Т.7. - С. 134-141.

2. Дереза А.Ю., Приставка О.П., Шутко М.О. Програмне забезпечення оперативного аналізу в системах моніторингу // Захист інформації. - 2004.- №4.-С.28-34.

3. Дереза А.Ю. Організація обчислювального процесу у системі автоматизованої обробки даних ViStA 2.0 // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2004.- Т.8. - С. 31-39.

4. Дереза А.Ю. Устойчивые оценки квазилинейной сплайн-регрессии с k узлами // Космічна наука і технологія. Додаток. - 2005.- Т.11, №1. - С.74-76.

5. Дереза А.Ю., Приставка П.О. Кусково-марківська модель процесу зміни артеріального тиску за часом // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2005.- Т.9. - С.3-12.

6. Приставка П.О., Дереза А.Ю. Інформаційно-діагностична система “ViStA Med” обробки сигналів артеріального тиску добового моніторування // Електроніка та системи управління. - 2006. - №2(8). - С. 13-18.

7. Дереза А.Ю., Приставка О.П. Оболонка програмного середовища оцінки техногенного навантаження в зоні дій гірничих підприємств // Академ.вестн.КрТО МАКНС. - 2004. - №13.- С.10-13.

8. Дереза А.Ю., Приставка П.О. Непараметричне моделювання двовимірних процесів сплайнами // Тези доп. Третьої міжнар. наук.-практ. конф. “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних системи”, 16-18 листопада 2005.-Д.:ДНУ, 2005. - С.145-146.

9. Заявка на винахід № а2005 05727, МПК7 A61B 5/021, 5/02. Спосіб діагностики артеріальної гіпертензії та ступеня її тяжкості за даними добового моніторування артеріального тиску / А.Ю.Дереза, П.О.Приставка, Т.В.Колесник. - Заявл. 13.06.2005

Размещено на Allbest.ru

...