Мультимодальные модели ишемического риска для классификации и управления функциональным состоянием пациента в процессе сеанса физиотерапии

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель и
задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
В первом разделе выполнен системный анализ в области современных
средств информационных технологий, используемых для управления
диагностическими и терапевтическими процессами. Отмечено, что в
настоящее время в медицинском сообществе накоплен большой опыт
лечения и профилактики ИБС. Учитывая мультифакториальность патогенеза
ИБС, для ее лечения и профилактики используют различные методы,
большая часть которых относится к медикаментозным. Однако лечение ИБС
посредством лекарственных средств приводит к необходимости
оптимизации их по противопоказаниям. Эти обстоятельства побуждают
исследователей к поиску новых, немедикаментозных методов лечения ИБС,
среди которых ведущее место принадлежит методам физиотерапии. Однако
по ряду причин эти методы еще недостаточно интенсивно используются в
медицинской практике реабилитации больных ИБС, в частности, в
реабилитации постинфарктных больных. Одной из проблем, сдерживающих
развитие физиотерапевтических методов лечения, является отсутствие
возможности персонифицированного планирования курса физиотерапии,
позволяющего согласовать биотропные параметры физиотерапии с ФС и
конституцией пациента. Для ее решения необходим мониторинг ФС
пациента в процессе физиотерапии, то есть необходим решающий модуль,
позволяющий контролировать влияние физиотерапии на ишемический риск
(ИР). Выполненный аналитический обзор показал, что, несмотря на
многочисленные исследования в области компьютерных средств
диагностики сердечно-сосудистых осложнений, в частности, ИР, достижения
в этой области не удовлетворяют практикующих специалистов.
Характерным их недостатком является зависимость их диагностической
эффективности от наличия тех информативных признаков, на основе
которых строилась диагностическая модель, а также от репрезентативности
обучающих и контрольных выборок. Чтобы снизить влияние этих
негативных факторов на качество классификации целесообразно
использовать гибридные технологии принятия решений, основанные на
классификационных моделях, построенных на различных методах
классификации с различными вариациями информативных признаков, а
также поиск суррогатных маркеров, оперативно реагирующих на изменение
ФС пациента.
В заключение первого раздела формируются цель и задачи
исследования.
Во втором разделе исследованы методы и модели формирования
дескрипторов, предназначенных для классификаторов ИР, по динамическим
характеристикам электрических свойств биоматериала в аномальных зонах
электропроводности. Для контроля динамических свойств импеданса
биоматериала в биологически активных точках (БАТ) предложено
использовать в качестве зондирующего напряжения двухполюсные
пилообразные дискретные импульсы, а в качестве дескрипторов –
дискретные отсчѐты токов вольт-амперной характеристики (ВАХ)
биоматериала. Показано, что динамические характеристики электрического
сопротивления биоматериала в аномальных зонах электропроводности
существенно отличаются от динамических характеристик в зонах без
проявления аномальных свойств, что позволяет разработать новые методы
для формирования дескрипторов.
В качестве экзогенного воздействия на БАТ использовались токовые
посылки ступенчатой формы, эпюры которых представлены в правой
нижней части рисунка 1. Реакцией «первичного ответа» служит ток в БАТ,
который откладывался на оси ординат графика ВАХ (рисунок 1).
Для определения «реакции платы» следует рассмотреть нисходящую
ветвь ВАХ, которая на рисунке 1 показана красным цветом. «Реакция
платы» – это разность ординат восходящей ВАХ (зеленой – более светлой на
графике) и нисходящей ВАХ (красной – более темной на графике) при общей
для обеих ВАХ абсциссе. От абсолютных значений тока переходим к
нормированным значениям путем деления его на соответствующую
абсциссу (напряжение), то есть оперируем уже с электрическим
сопротивлением БАТ.

Рисунок 1 – Интерфейсное окно для построения графика ВАХ

Метод формирования дескрипторов для классификаторов
ишемического риска, основан на анализе кортежа ВАХ биоматериала и
точек их пересечения с определѐнной информативной ординатой.
Формирование пространства информативных признаков, предназначенного
для классификатора ИР осуществляется посредством анализа континуума
реверсивных ВАХ БАТ. Каждая реверсивная ВАХ (рисунок 1) состоит из
восходящей и нисходящей ветвей. В качестве суррогатных маркеров для
классификации ИР пациента в процессе физиотерапии используются
параметры ВАХ БАТ. Для этого необходимо осуществить измерение и
регистрацию электрических характеристик биоматериалов в БАТ в виде
ВАХ, формируемой путем измерения токов в цепи биоматериала при
воздействии на него постоянными стабилизированными по уровню
напряжениями, изменемыми в диапазоне от -15 В до +15 В и обратно с
шагом в 1 В. В результате получаем N вольтамперных характеристик.
Координата ВАХ определяется абсциссой Um и ординатой I*. Для
формирования дескрипторов задаются абсциссы M ординат, по которым
формируются дескрипторы для классификаторов ИР, в виде множества
U m , m  1, M . Каждая ордината формирует тетраду дескрипторов
E1m , Е2m , S1m , S2m . Дескрипторы в тетраде определяются как математические
ожидания и дисперсии точек пересечения ВАХ ординаты Um при прямом и
обратном ходе. На рисунке 2 представлена иллюстрация этих точек
пересечения при прямом ходе для кортежа из N ВАХ.
I
N

N-1
INm
I(N-1)m2

I2m1
I1m
U
0Um

Рисунок 2 – Точки пересечения вольтамперных характеристик ординаты Um
при прямом проходе вольтамперных характеристик

Таким образом, для получения дескрипторов необходимо задать M
ординат ВАХ, для каждой ординаты измерить токи, соответствующие
каждой из N ВАХ, определить математические ожидания и дисперсии токов
в каждой ординате, соответствующие прямому и обратному проходам ВАХ,
и сформировать двумерный массив дескрипторов как

 E11 , E12 , …,E1m ,…,E1M 
 E , E , …,E ,…,E 
 21 222m2M 

 S11 , S12 , …,S1m ,…,S1M 

 S 21 , S 22 , …,S 2 m ,…,S 2 M (1)

где
E1m – математическое ожидание токов для m-ой ординаты восходящих
вольтамперных характеристик,
E2m – математическое ожидание токов для m-ой ординаты нисходящих
вольтамперных характеристик,
S1m – дисперсия токов для m-ой ординаты восходящих вольтамперных
характеристик,
S2m – дисперсия токов для m-ой ординаты нисходящих вольтамперных
характеристик;
после чего используем эти дескрипторы для классификации ФС пациента
при проведении физиотерапевтической процедуры.
Если есть необходимость учитывать информативные признаки,
получаемые по результатам анализа ВАХ и в третьем квадранте, то
необходимо построить информативную ординату для отрицательных токов,
которые откладываются в третьем квадранте, и получить вектор
информативных признаков, аналогичный выражению (1).
Втретьемразделеразрабатываютсямультимодальные
классификаторы для контроля динамики ИР в процессе сеанса
физиотерапии.Предложенабазоваяструктурамногоагентного
классификатора риска ИБС, содержащая «сильные» и «слабые»
классификаторы (рисунок 3). «Слабые» классификаторы разделены на
четыре группы, первая из которых осуществляет анализ данных, полученных
на основе традиционных факторов риска ИБС, вторая – на основе анализа
инструментальных и лабораторных исследований, третья группа «слабых»
классификаторов предназначена для диагностики сопутствующих
заболеваний и синдромов по предикторам, используемых первыми двумя
группами агентов, а четвертая – анализирует дескрипторы, формируемые
посредством анализа ВАХ БАТ. Классификаторы ИР, разработанные на
основе этой базовой структуры, осуществляют биотехническую обратную
связь, позволяющую управлять биотропными параметрами МП.

Рисунок 3 – Структурная схема базовой модели мультимодального
классификатора ишемического риска
Базовая модель учитывает, что ФР ИБС могут быть не только
определенные биомедицинские показатели, но и уже имеющиеся заболевания
или синдромы (артериальная гипертензия, сахарный диабет и т.п.). При выборе
пула ФР для контроля динамики риска ИБС учитывалось нелинейное
взаимовлияние ФР друг с другом, приводящее к взаимоотягощению
ишемических процессов. Поэтому важен учет синергетического эффекта ФР.
В качестве ФР, которые используются как оперативные индикаторы изменения
ФС в результате изменения факторов внешней среды, в этой модели были
использованы результаты биоимпедансных исследований в БАТ.
Проведены экспериментальные исследования различных модификаций
предложенной модели мультимодального классификатора, заключающиеся в
последовательном исключении из агрегатора решений «слабых»
классификаторов на различных иерархических уровнях. В ходе
экспериментального оценивания и в результате математического
моделирования было показано, что при использовании всех факторов риска
уверенность в правильной классификации риска ИБС превышает величину
0,8 по всем группам наблюдения и по всем показателям качества
классификации. Показатели качества прогнозирования выше, чем у
известной системы прогнозирования SCORE, в среднем, на 11%.
Для управления биотропными параметрами МП в процессе сеанса
реабилитации необходимо построить модель ФС живой системы. На рисунке
4 представлена обобщенная схема реабилитации пациентов с высоким ИР
посредством воздействия на них МП с адаптируемыми биотропными
параметрами, которая способна обеспечить как контроль ФР, так и
управление биотропными параметрами в зависимости от реакции организма
на физиотерапию. В данном случае структура, представленная на рисунке 4,
позволяет интегрировать в единый процесс информационные потоки,
вложенные в акцию и реакцию функциональных систем пациента, и
построить модель, связывающую ФС живой системы и величину ИР. Для
определения ИР необходимо выбрать ФР или предикторы риска, на основе
которых вычисляются дескрипторы для гетерогенных классификаторов ИР.
На основе гетерогенных классификаторов строятся также прогностические
модели ИР.
В соответствии с обобщенной схемой адаптивной реабилитации
(рисунок 4), для управления магнитотерапией была разработана
биотехническая система (БТС), структурная схема которой представлена на
рисунке 5. В ней используются биотехнические обратные связи по
суррогатным маркерам, посредством которых осуществляется отрицательная
обратная связь по электромагнитному воздействию на орган-мишень.
БТС включает пациента с комплектом датчиков, позволяющих
контролировать его параметры жизнедеятельности, блок управления и
индуктор. Блок управления осуществляет управление биотропными
параметрами МП таким образом, чтобы оптимизировать терапевтический
эффект магнитотерапии.
Рисунок 4 – Обобщенная схема реабилитации пациентов с высоким
ишемическим риском посредством воздействия на них магнитными полями
с управляемыми биотропными параметрами

Ядром блока управления является модуль нечеткого логического
вывода(МНЛВ),осуществляющийинтеллектуальное управление
динамическим диапазоном индукции МП и ее частотой. В качестве входных
данных, по анализу которых МНЛВ принимает управленческие решения,
используются выходные данные классификаторов ФС ССС и
магниточувствительности. Анализируя эту информацию, МНЛВ формирует
соответствующие управляющие воздействия на генератор синусоидальных
колебаний (частота МП) и аудиоусилитель (интенсивность МП), что
позволяет адаптировать терапевтическое МП к ФС пациента посредством
многоканальной обратной связи.
Биотехническая обратная связь в БТС позволила адаптировать
программу магнитотерапии к ФС пациента и корректировать ее в процессе
терапевтического сеанса посредством биоуправления параметрами
терапевтического электромагнитного излучения.
Электромагнитное
излучение
ИндукторМикроциркуляции

Электрокардиосигнал
Блок
ПациентЭлектрическиедатчиков
Аудиохарактеристики БАТ
усилитель

Температура тела

Фильтр нижних
частот

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ
Модуль нечеткого логического выводаВыделение
информативных
Генераторпризнаков

Нечеткий вывод
Интеллектуальное
управление
шириной спектраКлассификатор
сигналамагнито-
чувствитель-
Интеллектуальноености
управлениеБаза правил
ДефуззификациянечеткойФуззификация
динамическим
диапазоном сигналапродукции
Классификатор
ФС ССС

Рисунок 5 – Структурная схема биотехнической системы для адаптивного
управления магнитотерапией

Для управления биотропными параметрами МП разработан алгоритм
управления, работа которого основана на использовании мультимодального
классификатора ФС пациента и МНЛВ, предназначенного для коррекции
биотропных параметров МП в процессе проведения сеанса магнитотерапии.
Алгоритм управления позволил повысить терапевтический эффект
реабилитационной процедуры, снизить адаптацию и отрицательные реакции
организма на магнитотерапию, и планировать программы магнитотерапии.
В четвертом разделе предложена рекурсивная математическая модель
планирования процедур реабилитации с использованием биологической
обратной связи, основанная на понятии функций «ремиссии» и «забывания»,
позволяющая планировать сеансы магнитотерапии и прогнозировать их
результаты.
Разработано аппаратное и программное обеспечение биотехничекой
системы реабилитации больных ИБС с модулем нечеткого управления,
позволяющим адаптировать программу магнитотерапии к ФС конкретного
пациента. Разработано программное обеспечение, реализующее методику
прогнозированияэффективностиреабилитационныхпроцедури
позволяющее выбрать интервал между окончанием текущего курса и
началом следующего с предсказанием базового уровня ИР.
Апробация БТС осуществлялась на реабилитации пациентов с ИБС.
Экспериментальная и контрольная группы формировались из мужчин и
женщин, находящихся на лечении в лечебно-профилактических учреждениях
г. Курска. Состояние ССС оценивалось по стандартным методикам. Под
наблюдением находилось 126 больных ИБС II и III ФК в возрасте от 35 до 70
лет (средний возраст составил 56,8±1,8 года). Среди них 66% мужчин.
Пациенты основной группы (68 человек) получали базовую терапию +
адаптивную магнитотерапию аппаратом «Полюс-2» на шейно-воротниковую
зону. Контрольную группу составили 58 человек, получавшие только
базовую терапию + магнитотерапию аппаратом «Полюс-2» по типовой
методике без биотехнической обратной связи.
Эффективность лечения оценивали по следующим параметрам:
продолжительность выполняемой нагрузки, максимальная достигнутая ЧСС,
уд/мин, максимальное САД, мм.рт.ст., максимальное ДАД, мм.рт.ст..
Результаты статистического исследования данных, полученные в ходе
проведения тредмил-теста, свидетельствуют о большей эффективности лечения
основной группы в сравнении с контрольной. Так, в основной группе
продолжительность выполняемой нагрузки до появления депрессии сегмента ST
на 1 мм и/или боли увеличилась, в среднем, на 1,87 минут, в то время как в
контрольной – на 0,85 минут.
Практическая ценность проведенного исследования заключается в том,
что разработанный метод позволяет формировать суррогатные маркеры для
управления эффективностью физиотерапевтических воздействий на
организм человека. Возможен также мониторинг эффективности
лекарственных назначений и других видов терапии. Обладая достаточной
доступностью и простотой, метод имеет высокую степень информативности
и может применяться при различных физиотерапевтических процедурах.
Оценка клинической эффективности курсового лечения проводилась по
совокупности клинических данных и результатов специальных методов
исследования, с учетом непосредственных и отдаленных результатов (рисунки 6
и 7). Анализ представленных диаграмм показывает, что положительный эффект
магнитотерапии в целом составил 85% у пациентов II ФК и 77% у пациентов III
ФК. Сравнительный результат традиционной магнитотерапии (контрольная
группа) и адаптационной магнитотерапии (экспериментальная группа) показал,
что во II ФК в экспериментальной группе эффективность лечения выше на 14%
по сравнению с эффективностью лечения в контрольной группе, а у пациентов
III ФК – на 15%. При этом пациентов со значительным улучшением в
экспериментальной группе больше, чем в контрольной на 5% независимо от
ФК ИБС.

II Ф.К.
Без
динамикиЗначительное
15%улучшение
25%

Улучшение
60%

Рисунок 6 – Эффективность применения магнитотерапии у больных ИБС II и
III ФК в экспериментальной группе

II Ф.К.
Значительное
улучшение
20%

Без
динамики
29%

Улучшение
51%

Рисунок 7 – Эффективность применения магнитотерапии у больных ИБС II и
III ФК в контрольной группе

Таким образом, разработанная биотехническая система адаптивной
магнитотерапии является эффективным средством лечения ИБС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1. Выполнен системный анализ в области современных средств
информационныхтехнологий,используемыхдляуправления
диагностическими и терапевтическими процессами, показана необходимость
поиска новых дескрипторов, позволяющих использовать их в
классификаторах для оперативного контроля динамики ишемического риска.
2. Разработан метод формирования дескрипторов для классификаторов
ишемического риска, основанный на анализе кортежей вольт-амперных
характеристик в зонах аномальной электропроводности биоматериала,
позволяющий получить дескрипторы для мультимодального классификатора
функциональногосостоянияпациентавпроцессепроведения
физиотерапевтической процедуры.
3. Разработан мультимодальный классификатор с трехуровневой
иерархической структурой для оценки риска ишемической болезни сердца,
включающий «слабые» классификаторы с дескрипторами, полученными на
основе исследования динамических свойств биоимпеданса в биологически
активных точках, позволяющий реализовать обратную связь по «реакции
первичного ответа» у пациентов в процессе изменения биотропных
параметров магнитного поля.
4. Проведеныэкспериментальныеисследованияразличных
модификаций базовой модели мультимодального классификатора риска
ишемической болезни сердца. Экспериментальное оценивание моделей
классификаторов показало, что при использовании всех факторов риска и
всех «слабых» классификаторов в иерархической модели уверенность в
правильном прогнозе ишемической болезни составляет не менее 0,8 по всем
экспериментальным и контрольным группам и по всем показателям качества
классификации. Показатели качества классификации мультимодального
классификатора риска ишемической болезни сердца выше, чем у известной
системы прогнозирования SCORE, в среднем, на 11%.
5. Разработан алгоритм управления биотропными параметрами
магнитного поля, основанный на контроле динамики ишемического риска
мультимодальным классификатором функционального состояния пациента и
модуле нечеткого логического вывода, предназначенного для коррекции
биотропных параметров магнитного поля в процессе проведения сеанса
магнитотерапии.
6. Разработано аппаратное и программное обеспечение биотехничекой
системы магнитотерапии больных ишемической болезнью сердца,
включающее аппарат для магнитотерапии «Полюс-2», программно-
аппаратный комплекс для биоимпедансных исследований и программное
обеспечение модуля нечеткого логического вывода, позволяющее
адаптировать программу магнитотерапии к функциональному состоянию
пациента.
7. Клинические испытания предложенных методов и средств
управления магнитотерапией при лечении больных ИБС показали, что при
магнитотерапиибольныхстенокардиейнапряжениявторого
функционального класса эффективность адаптивной магнитотерапии в
экспериментальной группе выше эффективности магнитотерапии в
контрольной группе на 14%, а при магнитотерапии больных стенокардией
напряжения третьего функционального класса эффективность адаптивной
магнитотерапии в экспериментальной группе выше эффективности
магнитотерапии в контрольной группе на 15%.
Рекомендации. Результаты диссертационной работы могут быть
использованы в биотехнических системах реабилитации сердечно-
сосудистых больных с биотехническими и биологическими обратными
связями для формирования индивидуальных программ реабилитации.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Разработка методов и
алгоритмов, предназначенных для персонифицированных медицинских
систем диагностики и физиотерапии сердечно-сосудистых заболеваний.
СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ,
ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ