М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И
В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ ...
14 downloads
209 Views
257KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И
В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т
К И БЕ РН Е Т И ЧЕ СК И Е СИ СТ Е М Ы В М Е Д И Ц И Н Е ПРА К Т И ЧЕ СК О Е ПО СО БИ Е специ альность 010501 – ПРИ К Л А Д Н А Я М А Т Е М А Т И К А И И Н Ф О РМ А Т И К А
В О РО Н Е Ж 2005
2
У тверждено уч еб но-м етоди ч ески м советом ф акультета при кладной м атем ати ки , и нф орм ати ки и м ехани ки протокол № 2 от 24.10.2004 г.
Состави тельВ оронков Б.Н .
Практи ч еское пособ и е подготовленона каф едре техни ч еской ки б ернети ки и автом ати ч ескогорегули ровани я ф акультета при кладной м атем ати ки , и нф орм ати ки и м ехани ки В оронежского государственногоуни верси тета Реком ендуется для студентов 6-го курса веч ернегоотделени я
3
Преди слови е У ч еб но-м етоди ч ески й ком плекс по специ альном у курсу « К и б ернети ч ески е си стем ы в м еди ци не» вклю ч аетв себ я уч еб ную програм м у, вопросы э кз ам енаци онны х б и летов, контрольны е вопросы по раз делам курса, а также основны е сведени я, необ ходи м ы е для освоени я ди сци пли ны . Представленны е м атери алы м огут б ы ть полез ны студентам , и з уч аю щи м соврем енны е и нф орм аци онны е технологи и и осваи ваю щи м м етоды проекти ровани я и и сследовани я м еди ци нски х и нф орм аци онны х си стем . 1. У Ч Е Б НА Я П Р О Г Р А М М А 1. Ш и ф р и на и м ено в а ни е с пеци а льно с т и : 010501 П риклад ная мате матика и информатика 2. У ро в ень о бра зо в а ни я:
Высш еепрофессиональноеобразование
3. Ф о рм а о бучени я : В еч ерняя 4. Ко д и на и м ено в а ни е ди с ци пли ны (в с о о т в ет с т в и и с У чебным пла но м ): Д С .11 К ибе р не т ич е с кие с ис т е м ы в м е дицине 5. Ка ф едра , о т в еча юща я за ди с ци пли ну: К афед ра технической кибернетики и автом атическогорегулирования 6. Со с т а в и т ели : ВоронковБ орисНиколаевич, старш ий препод аватель , факультет приклад ной м атем атики, информ атики и механики, кафедра технической кибернетики и автом атического регулирования, 7. Кем реко м ендо в а на ки с по льзо в а ни ю в учебно м про цес с е: каф едра К афедра технической кибернетики и автоматическогорегулирования Про т о ко л о реко м енда ци и : 19.05.04
№8
8. У чебный го д:
2004/2005
Сем ес т р: 10
9. Ко ли чес т в о ча с о в , о т в о ди м ых на и зучени е ди с ци пли ны, в с о о т в ет с т в и и с У чебным пла но м : А уди торны е заняти я- 102 , в том ч и сле: лекци и 34 практи ч ески е О лаб ораторны е 68 Сам ост. раб ота - 102 В сего ч асов - 204 10. Ко ли чес т в о ко нт ро льных ра бо т , предус м о т ренных У чебным пла но м -0
4
11. Ф о рм ы и т о го в о го ко нт ро ля : За чет ы 10 с ем . Экза м ены 10 сем . Курс о в а я , ра бо т а 12. Тем а т и ка (по ГРНТИ):
Информ атика
13. По и с ко в ый о бра з (ключев ые с ло в а ) : Инф о рм а ци о нные т ехно ло ги и , м еди ци нс ки е и нф о рм а ци о нные с и с т ем ы, ча с т о т ный а на ли з энцеф а ло гра м м , а на ли з да нных, м а т ем а т и чес ко е м о дели ро в а ни е кро в о о бра щени я
14. Ц ель и за да чи и зучени я ди с ци пли ны. О в ла дени е м а т ем а т и чес ки м и а лго ри т м и чес ки м а ппа ра т о м , и с по льзуем ым при про ект и ро в а ни и и реа ли за ци и м еди ци нс ки х и нф о рм а ци о нных с и с т ем
15. О с но в ные зна ни я, ум ени я и на в ыки , ко т о рым и с т удент до лж ено в ла дет ь в результ а т е и зучени я ди с ци пли ны. В результ а т е и зучени я ди с ци пли ны с т удент до лж ензна т ь - о с но в ные по ня т и я о б и нф о рм а ци о нных с и с т ем а х, и нф о рм а ци о нных рес урс а х; - с пект ра льные предс т а в лени я с и гна ло в , и с по льзуем ых в м еди ци нс ки х и нф о рм а ци о нных с и с т ем а х; - в о зм о ж но с т и с о в рем енных па кет о в для а на ли за да нных; - м ет о ды а в т о м а т и за ци и ди а гно с т и ки и в ыбо ра т а кт и ки лечени я бо льных с ердечно -с о с уди с т ым и за бо лев а ни я м и ; ум ет ь - про в о ди т ь а на ли з с пект ро в с и гна ло в ; - а на ли зи ро в а т ь м еди ци нс ки е да нные с и с по льзо в а ни ем с о в рем енных с т а т и с т и чес ки х па кет о в про гра м м ;
5
- о с ущес т в ля т ь м а т ем а т и чес ко е м о дели ро в а ни е кро в о о бра щени я . 16. Тем а т и чес ки й пла ни с ет ка ча с о в ди с ци пли ны
№ Н аз вани е тем ы п/п 1 Соврем енны е и нф орм аци онны е си стем ы 2 Спектральны е представлени я си гналов 3 А нали з м еди ци нски х данны х 4 М атем ати ч еское м одели ровани е кровооб ращени я
Л екци и 4
Практ Л аб ор Сам . раб . раб . 0 0 4
Ф орм ы контроля О прос
6
0
30
36
О тч ет
6
0
20
26
О тч ет
18
0
18
36
О прос, отч ет
17.1 У чебно -м ет о ди чес ка я ка рт а ди с ци пли ны Л екци и NТ 1
NЛ 1,2
2
3-6
3
7,8
4
9-13
План з аняти я Предм ети з адач и курса. О сновны е определени я. Поняти е о М И С Спектральны е представлени я си гналов; б ы строе преоб раз овани е Ф урье. Частотны й анали з Э Э Г. А нали з вари аб ельности сердеч ного ри тм а ППП и анали з м еди ци нски х данны х. Баз овая си стем а стати сти ч ески х процедур Т енденци и раз ви ти я ком пью терны х технологи й в м еди ци не. Т реб овани я к м етодам м одели ровани я. Сравни тельны й анали з
Ли т 1,2
Л и тс К онтр 5-8
1,2
4, 9
1,2
6-8
1,3
7
6
4
1417
м оделей кровооб ращени я Си стем а з аконом ерностей кровооб ращени я. М одель пульси рую щего сердца. М атем ати ч еское опи сани е ч еты рехрез ервуарной м одели кровооб ращени я. А втом ати з аци я ди агности ки и вы б ора такти ки леч ени я
1,3
6-7
17.2 У чебно -м ет о ди чес ка я ка рт а ди с ци пли ны Л а бо ра т о рные за ня т и я NТ 2
NЗ 1-5
2
6-12
2
1317 1822 2328
3 3
4
2932
4
3334
План з аняти я Спектры ти повы х си гналов. Д и скретное преоб раз овани е Ф урье Бы строе преоб раз овани е Ф урье. Преоб раз овани е Х артли Частотны й анали з м еди ци нски х данны х Баз овая си стем а стати сти ч ески х процедур А нали з м еди ци нски х данны х си спользовани ем ППП Statistica Сравни тельны й анали з м атем ати ч ески х м оделей кровооб ращени я. У правлени е гем оди нам и ч ески м и характери сти кам и на основе м атем ати ч еской м одели кровооб ращени я
18. Спи с о кли т ера т уры
Ли т 1,2
Л и тс К онтр 4-7, 9
1,2
4-7, 9
1,2
4-7, 9
1,2
4-8
1,2,7
4-8
1,3
6-7
1,3
6-7
7
О с но в на я ли т ера т ура 1. Д ю к В . И нф орм аци онны е технологи и в м еди ко-б и ологи ч ески х и сследовани ях / В . Д ю к, В . Э м ануэ ль.- СПб . : Пи тер, 2003 .- 528 с. 2. А ки м ов П.С. Си гналы и и х об раб отка в и нф орм аци онны х си стем ах / П.С. А ки м ов, А .И . Сени н, В .И . Соленов . - М . : Ради ои связ ь, 1994 . - 256 с. 3. Л и щук В .А . М атем ати ч еская теори я кровооб ращени я / В .А . Л и щук . - М . : М еди ци на, 1991 . – 256 с. Д о по лни т ельна я ли т ера т ура 4. А ндреева Е .А . Спектральны й м етод анали з а э лектри ч еской акти вности м ы ш ц / Е .А . А ндреева, О .Е . Х уторская . - М . : Н аука, 1987 . - 104 с. 5. Бы ховски й М .Л . К и б ернети ч ески е си стем ы в м еди ци не / М .Л . Бы ховски й , А .А . В и ш невски й . - М . : Н аука, 1971 . - 407 с. 6. В опросы ки б ернети ки : Задач и м еди ци нской ди агности ки и прогноз и ровани я с точ ки з рени я м атем ати ка / под ред. И .М . Гельф анда. - М . : А Н СССР, 1985 . - В ы п. 112. - 195 с. 7. Би ологи ч еская и м еди ци нская ки б ернети ка : справоч ни к / О .П. М и нцер [ и др.] ; отв. ред. Ю .И . Ж уравлев. – К и ев : Н аукова дум ка, 1986 . - 376 с. 8. Борови ков В .П. STATISTICA. – Стати сти ч ески й анали з и об раб отка данны х в среде Windows / В .П. Борови ков, И .П. Борови ков . – М . : Ф и ли н, 1997. – 263 с. 9. Л аб ораторны й практи кум по раз делу « Си гналы и спектры в си стем ах подви жной ради освяз и » специ альной ди сци пли ны « М об и льны е телеком м уни каци онны е си стем ы » по специ альности 071900 – И Н Ф О РМ А Ц И О Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О ГИ И И СИ СТ Е М Ы / Б.Н . В оронков, А .И . К рем ер, Ю .Б. Н еч аев . – В оронеж: В ГУ , 2003 . – 35 с. 2. В опросы э кз ам енаци онны х б и летов 1. 2. 3.
И нф орм аци я, си гнал, сооб щени е, и нф орм аци онная си стем а, и нф орм аци онны е ресурсы . Соврем енны е и нф орм аци онны е технологи и в техни ке и м еди ци не О сновны е положени я спектральной теори и си гналов. Спектральная плотность.
8
4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.
24. 25. 26.
Пери оди ч ески е си гналы и ряды Ф урье. Спектры ти повы х си гналов. Прям оугольны й ви деои ради ои м пульсы . Спектры ти повы х си гналов. Си м м етри ч ны й и неси м м етри ч ны й треугольны е и м пульсы . Спектры ти повы х си гналов. Гауссовски й и коси нусны й и м пульсы . Спектры ти повы х си гналов. Спектр последовательности трех прям оугольны х и м пульсов. Д и скретное преоб раз овани е Ф урье и его свой ства. Бы строе преоб раз овани е Ф урье. Преоб раз овани е Х артли и егосвяз ьспреоб раз овани ем Ф урье. Частотны й анали з м еди ци нски х данны х. Т енденци и раз ви ти я ком пью терны х технологи й в м еди ци не. Си стем а з аконом ерностей кровооб ращени я. О б щее опи сани е сердеч но-сосуди стой си стем ы . Т реб овани я к м етодам м одели ровани я и при няти я реш ени й при и нтеллектуальной поддержке врач а на б аз е автом ати з и рованной си стем ы Сравни тельны й анали з м оделей кровооб ращени я. Раз раб отка м атем ати ч еской м одели кровооб ращени я. О б об щенны й сосуди сты й уч асток. Д и нам и ч еская кли ни ч ески -ори енти рованная м атем ати ч еская м одель кровооб ращени я. Четы рехрез ервуарная схем а кровооб ращени я. М атем ати ч еское опи сани е ч еты рехрез ервуарной м одели кровооб ращени я. Д и нам и ч еская терапевти ч ески -ори енти рованная м атем ати ч еская м одель кровооб ращени я. А нали з и спользовани я и тенденци и раз ви ти я неи нваз и вны х м етодов об следовани я и ком пью терны х технологи й при леч ени и б ольны х сердеч но-сосуди сты м и з аб олевани ям и . Стати ч еская терапевти ч ески -ори енти рованная м атем ати ч еская м одель кровооб ращени я. Т ерапевти ч ески -ори енти рованная м одель кровооб ращени я. И денти ф и каци я парам етров. Структурная схем а управлени я гем оди нам и ч ески м и характери сти кам и с и спользовани ем кли ни ч ески -ори енти рованной м одели .
9
27. Структурная схем а управлени я гем оди нам и ч ески м и характери сти кам и с и спользовани ем терапевти ч ески -ори енти рованной м одели . 3. К О Н Т РО Л Ь Н Ы Е В О ПРО СЫ по тем е « Спектральны е представлени я си гналов» 1. 2.
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
К аки м и свой ствам и об ладаю тспектры пери оди ч ески х си гналов? К ак вли яети з м енени е дли тельности и м пульсов и пери ода повторени я на спектр пери оди ч еской последовательности прям оугольны х ви деои м пульсов? К ак отраз и тся на спектре пери оди ч еского си гнала и з м енени е положени я нач ала отсч ета врем ени ? В ч ем состои т отли ч и е спектров пери оди ч еской последовательности уни полярны х и з накоперем енны х и м пульсов? К ак и з м ени тся спектр пери оди ч еского си гнала, если пери од повторени я устрем и тьв б есконеч ность? К акая связ ьсуществует м ежду спектром ф и ни тного си гнала и спектром соответствую щегопери оди ч еского си гнала? В ч ем отли ч и е спектров пери оди ч еской последовательности ви деои м пульсов и пач ки и з нескольки х э ти х же ви деои м пульсов? Что пони м ается под ш и ри ной спектра си гнала и как связ аны м ежду соб ой дли тельностьи м пульса и ш и ри на его спектра? К ак и з м ени тся ф орм а си гнала, если и з спектра пери оди ч еской последовательности прям оугольны х ви деои м пульсов удали ть вторую (третью и т.д.) гарм они ку?
10. К ак рассч и ты вается среднеквадрати ч еская погреш ностьаппрокси м аци и си гнала конеч ны м ч и слом ортогональны х составляю щи х? 11. К аки м об раз ом преодолеваю тся трудности , связ анны е с вы ч и слени ем спектральной плотности гарм они ч ески х си гналов, существую щи х на всей б есконеч ной оси врем ени ? 12. К акова цельвведени я спектрального представлени я си гналов? 13. Д ля какой цели в спектральной теори и си гналов вводи тся об об щенная ф орм ула Рэ лея? 14. В ч ем состои туслови е существовани я спектральной плотности си гнала? 15. Что представляетсоб ой спектральное представлени е си гнала?
10
16. В ч ем состоят две при нци пи альны е особ енности , отли ч аю щи е спектральную плотностьэ кспоненци ального ви деои м пульса от спектра и м пульса прям оугольной ф орм ы ? 17. Что оз нач ает переход от ви деои м пульса к ради ои м пульсу при спектральном подходе? 18. В ч ем состои тсвяз ьм еждупреоб раз овани ям и Ф урье и Л апласа? 19. Поч ем у си гналы , преоб раз уем ы е по Л апласу, должны об ращаться в нуль при t<0 ? 20. К аки м об раз ом , не при б егая к об об щенны м ф ункци ям , получ и тьспектры си гналов, м атем ати ч ески е м одели которы х неи нтегри руем ы ? 21. К аки м и свой ствам и об ладает спектральная плотность вещественного си гнала? 22. К каки м си гналам м ожнопри м енятьм етод преоб раз овани я Л апласа? 23. К аки м об раз ом по ви ду си гнала u(t) определи ть его спектральную плотностьна нулевой ч астоте? 24. К ак связ аны м ежду соб ой характер уб ы вани я спектра си гнала вне основной полосы и порядок прои з водной си гнала, при которой воз ни кает первы й раз ры в? 25. Сф орм ули руй те прави ла перехода от и з об ражени я по Л апласу к спектральной плотности . 26. В ч ем при нци пи альное раз ли ч и е спектров си гналов, показ анны х на ри сунках? u(t)
u(t) τ0
1
1 t τ0
0
t -1
u(t)
u(t)
A
A 0
t
0
t t1
11
27. В ч ем сходствои в ч ем разли ч и е спектров си гналов, показанны х на ри сунках? u(t)=sinω0t
u(t) τ0
1
0 ≤ t ≤ τ0
1
τ0 t
t -1
-1 u(t)=cosω0t
0
0 ≤ t ≤ τ0
1
u(t)
0 1
τ0
0 t
t τ0
-τ0 -1 -1 u(t)
1 -τ0
t τ0
0 -1
28. К ак связ аны м еждусоб ой спектральная плотностьпоследовательности n оди наковы х ви деои м пульсов, следую щи х друг з а другом ч ерез врем я Т , и спектроди ноч ного и м пульса? 29. В ч ем состои тхарактерная особ енностьспектра дельта-и м пульса? 30. В ч ем сходство и в ч ем раз ли ч и е спектральны х плотностей ви деои м пульсов, и з об раженны х на ри сунке:
u(t)
u(t) 1
1
1 t
-τ0
0
u(t)
t 0
τ0
t -τ0/2 0
τ0/2
12
31. К ак связ аны м еждусоб ой спектр ди скрети з и рованного си гнала и спектр и сходногоси гнала? 32. К аки е два ти па погреш ностей м ожно вы дели ть при анали з е спектра посредством Д ПФ ? 33. К акая и нф орм аци я теряется при ди скрети з аци и си гнала и как э то вли яет на спектральную плотностьди скрети з и рованного си гнала в сравнени и со спектром и сходного си гнала? 34. К ак связ аны м еждусоб ой ш аги ди скрети з аци и по ч астоте и по врем ени ? 35. К аки м об раз ом м и ни м и з и ровать погреш ности спектрального анали з а при и спользовани и Д ПФ ? 36. К акова б удет погреш ностьспектрального анали з а посредством Д ПФ , если и м пульс прям оугольны й , полное ч и сло отсч етов N=256, ч и сло отсч етов на дли тельности и м пульса Nи =26? 37. К ак и з м ени тся спектральная плотность си гнала u(t)=(sint)/t при ограни ч ени и и м пульса по врем ени до первого (третьего) б окового лепестка? 38. Что является основой всех алгори тм ов БПФ ? 39. Чем об ъясни тьм ногооб раз и е алгори тм ов БПФ ? 40. В ч ем состои ти дея БПФ ? 41. К ак связ аны м ежду соб ой преоб раз овани е Ф урье и преоб раз овани е Х артли ? 42. В ч ем преи м ущества преоб раз овани я Х артли в сравнени и с преоб раз овани ем Ф урье? 4. К О Н Т РО Л Ь Н Ы Е В О ПРО СЫ потем е « М атем ати ч еское м одели ровани е кровооб ращени я» 1. К аковы тенденци и раз ви ти я м еди ци нски х технологи й в м еди ци не? 2. Что такое и нф орм аци онная технологи я? 3. Что представляю тсоб ой неи нваз и вны е м етоды об следовани я паци ентов? 4. Сф орм ули руй те основны е при з наки соврем енны х и нф орм аци онны х технологи й . 5. Переч и сли те основны е тенденци и раз ви ти я аппаратны х средств вы ч и сли тельной техни ки .
13
6. Переч и сли те основны е тенденци и раз ви ти я програм м ны х средств об раб отки данны х. 7. В ч ем вы ражается раз ры в м ежду раз ви ти ем новы х и нф орм аци онны х технологи й в м еди ци не и и х ш и роки м практи ч ески м при м енени ем ? 8. Что м ожетспособ ствоватьсокращени ю раз ры ва м еждураз ви ти ем новы х и нф орм аци онны х технологи й в м еди ци не и и х ш и роки м практи ч ески м при м енени ем ? 9. В ч ем состоят при ч и ны расш и рени я и спользовани я новы х и нф орм аци онны х технологи й в м одели ровани и патологи ч ески х процессов? 10. Переч и сли те треб овани я к м етодам м одели ровани я и при няти я реш ени й в м еди ци нски х и нф орм аци онны х си стем ах. 11.В ч ем состоятособ енности кровооб ращени я? 12. К ратко охарактери з уй те ч еты ре ви да м оделей сердеч но-сосуди стой си стем ы ч еловека. 13. К аковы при ч и ны воз растани я роли м одели ровани я в и з уч ени и ф ункци они ровани я сердеч но-сосуди стой си стем ы ? 14. В ч ем з аклю ч ается раз ли ч и е м ежду кли ни ч ески -ори енти рованной и терапевти ч ески -ори енти рованной м оделям и си стем ы кровооб ращени я? 15. Что пони м ается под об об щенны м сосуди сты м уч астком ? 16. Что такое напряженны й об ъем сосуди стого уч астка? 17. Что представляет соб ой м атри ч ная ф орм а об щего опи сани я сердеч нососуди стой си стем ы ? 18. О пи ш и те ч еты рехрез ервуарную м одель кровооб ращени я и ее структурную схем у. 19.О пи ш и те структурную схем у управлени я гем оди нам и ч ески м и характери сти кам и при и спользовани и кли ни ч ески -ори енти рованной м атем ати ч еской м одели сердеч но-сосуди стой си стем ы . 20. О пи ш и те структурную схем у управлени я гем оди нам и ч ески м и характери сти кам и при и спользовани и терапевти ч ески -ори енти рованной м атем ати ч еской м одели сердеч но-сосуди стой си стем ы . 21. Что представляет соб ой ди нам и ч еская м атем ати ч еская м одель ч еты рехрез ервуарной си стем ы кровооб ращени я? 22. Что представляет соб ой стати ч еская м атем ати ч еская м одель ч еты рехрез ервуарной си стем ы кровооб ращени я?
14
23. В ч ем раз ли ч и е м ежду структурны м и схем ам и управлени я гем оди нам и ч ески м и характери сти кам и при и спользовани и кли ни ч ески ори енти рованной и терапевти ч ески -ори енти рованной м атем ати ч ески х м оделей сердеч но-сосуди стой си стем ы ? 24. Переч и сли те основны е вы ходны е гем оди нам и ч ески е характери сти ки ч еты рехрез ервуарной си стем ы кровооб ращени я. 25.Переч и сли те основны е гем оди нам и ч ески е парам етры ч еты рехрез ервуарной си стем ы кровооб ращени я. 26.К аки м об раз ом осуществляется и денти ф и каци я парам етров м атем ати ч еской м одели ч еты рехрез ервуарной си стем ы кровооб ращени я? 5. О сновны е определени я и поняти я О пределени е 1. И нф орм аци онная технологи я – э то "при ем ы , способ ы и м етоды при м енени я средств вы ч и сли тельной техни ки при вы полнени и ф ункци й сб ора, хранени я, об раб отки , передач и и и спользовани я данны х" [6]. О пределени е
2.
Н еи нваз и вны е
(косвенны е,
атравм ати ч ны е)
и нструм ентальны е м етоды об следовани я б ольны х, в отли ч и е оти нваз и вны х (прям ы х,
кровавы х)
м етодов,
представляю т
соб ой
ф и з и ч ески е,
хи м и ч ески е, б и ологи ч ески е способ ы определени я характери сти к состояни я ч еловека
и ли
отдельны х
его органов б ез
травм ати ч ного,
и ногда
сопровождаем огоосложнени ям и , прони кновени я внутрьоргани з м а [7]. В соответстви и с э ти м и определени ям и рассм отри м тенденци и раз ви ти я аппаратны х и програм м ны х средств вы ч и сли тельной техни ки (В Т ) при вы полнени и указ анны х ф ункци й в леч ени и б ольны х. О снову новы х и нф орм аци онны х технологи й составляю т распределенная ком пью терная техни ка, "дружественное" програм м ное об еспеч ени е (ПО ) и раз ви ты е ком м уни каци и [1, 6]. При э том ком пью теры не порождаю т и нф орм аци онную
продукти вность, не увели ч и ваю т точ ность
и з м ерени й , но даю т воз м ожностьч еловеку повы си тьэ ф ф екти вностьсвоей деятельности путем увели ч ени я об ъем а и ускорени я вы полняем ы х раб от. Д ля являю тся:
соврем енны х
и нф орм аци онны х
технологи й
характерны м и
15
• раб ота
пользователя
в
режи м е
м ани пули ровани я
(но
не
програм м и ровани я) данны м и ; • сквоз ная и нф орм аци онная поддержка на всех э тапах прохождени я и нф орм аци и
на
основе
предусм атри ваю щая еди ную
и нтегри рованной
б аз ы
данны х
уни ф и ци рованную
ф орм у представлени я,
(БД ),
хранени я, пои ска, отоб ражени я, восстановлени я и з ащи ты данны х; • б ез б ум ажны й процесс об раб отки и нф орм аци и , при котором на тверды х носи телях ф и кси рую тся только оконч ательны е вари анты докум ентов и ли треб уем ы е вы ходны е ф ай лы ; • и нтеракти вны й
(ди алоговы й )
режи м
м одели ровани я
с ш и роки м и
воз м ожностям и для пользователя; • воз м ожности коллекти вной раб оты с м атем ати ч еской м оделью в сети ЭВ М . Т аки м об раз ом , при нци пы и нтегри рованности , ги б кости и и нтеракти вности , положенны е в основу концепци и новой и нф орм аци онной (ком пью терной ) технологи и (Н И Т ), должны б ы ть соб лю дены при раз раб отке аппаратны х средств и програм м ного об еспеч ени я си стем автом ати з аци и ди агности ки и леч ени я б ольны х. Соврем енная аппаратная конф и гураци я стандартной ПЭ В М вклю ч ает процессор ти па
PENTIUM, поддержи ваю щую
его воз м ожности
64-
раз рядную пери ф ери ю , а также раз ли ч ны е ш и ны данны х, об еспеч и ваю щи е вз аи м одей стви е м и кропроцессора с внеш ни м и устрой ствам и . Т енденци и раз ви ти я и нф орм аци онны х технологи й всегда отражаю т существую щи е аппаратны е реш ени я
средств В Т . Персональны е ком пью теры
(ПК )
составляю т техни ч ескую основу автом ати з и рованны х си стем ди агности ки и средств поддержки при няти я реш ени й врач ом , поэ том у для вы яснени я тенденци й раз ви ти я Н И Т необ ходи м о, в первую оч ередь, проанали з и ровать пути соверш енствовани я архи тектуры ПК . В раз ви ти и аппаратны х средств, в б ли жай ш ей перспекти ве, сохранятся основны е тенденци и последнеговрем ени : - дальней ш ее увели ч ени е тактовой ч астоты процессора (свы ш е 800 М Гц) и , как следстви е, увели ч ени е прои з води тельности ПК ;
16
- рост об ъем а операти вной пам яти (в настоящее врем я и м еется воз м ожностьее расш и рени я до256 М б ай т); - улуч ш ени е э ксплуатаци онны х характери сти к устрой ств долговрем енного хранени я данны х и повы ш ени е и х ем кости (в настоящее врем я додесятков Гб ай т). У каз анны е тенденци и также упрощаю т при м енени е ПК для об раб отки м ульти м еди аданны х (з вук, трехм ерная граф и ка, ви део), ч то характерно, напри м ер, для телем еди ци ны . К ром е того, нам ети лся переход к целенаправленной поддержке м ульти м еди й ны х ф ункци й ПК , ч то вы раз и лось в вы пуске процессора с расш и ренны м наб ором ком анд для поддержки и х вы полнени я. В б ли жай ш ей перспекти ве подоб ны е процессоры см огут з ам ени тьвсе при м еняю щи еся в настоящее врем я для поддержки м ульти м еди й ны х ф ункци й платы расш и рени я,
ч то
упрости т
и
удеш еви т
полноф ункци ональны й
м ульти м еди й ны й ПК . Следует, ви ди м о, ожи дать, ч то удельны й вес таки х си стем , в об щем ч и сле ПК , б удет расти , ч то вы з овет расш и рени е и х при м енени я, в том ч и сле и в м еди ци не. В об ласти устрой ств долговрем енного хранени я данны х на внеш ни х носи телях в настоящее врем я наи б олее перспекти вны м и следует при з нать м агни тоопти ч ески е и опти ч ески е технологи и . О сновны е направлени я и х раз ви ти я следую щи е: - повы ш ени е ем кости
(в настоящее врем я – до 17 Гб ай т) и
надежности носи телей ; - соз дани е устрой ств вы сокой ем кости с прои з вольны м порядком з апи си и вы соки м допусти м ы м ч и слом ци клов перез апи си ; - при м енени е автом ати ч ески х архи вов данны х на опти ч ески х и м агни тоопти ч ески х носи телях, поз воляю щи х вы полнятьопераци и по архи ви ровани ю данны х с жестки х ди сков ПК и серверов и операци и по пои скунеоб ходи м ы х ф ай лов б ез уч асти я оператора. У каз анны е тенденци и поз воляю т сделать вы вод, ч то в сам ое б ли жай ш ее врем я м еди ци нски е и нф орм аци онны е си стем ы , вклю ч аю щи е в себ я и подси стем ы автом ати з и рованной ди агности ки , а также опти м и з аци и леч ени я, см огут и м еть воз м ожность храни ть практи ч ески неограни ч енны е
17
об ъем ы и нф орм аци и на вы соконадежны х носи телях, снаб женны х средствам и автом ати ч еской вы б орки необ ходи м ы х данны х. В раз ви ти и програм м ны х средств локальной об раб отки данны х в настоящее врем я нам ети ли сьследую щи е основны е тенденци и [32, 41, 110]: повсем естны й переход на 32-раз рядны е операци онны е си стем ы и при ложени я, поддержи ваю щи е адресаци ю
операти вной пам яти б ольш и х
об ъем ов; раз ви ти е програм м ны х средств об раб отки м ульти м еди а (трехм ерной граф и ки , реч и , ви деоданны х); -
соверш енствовани е и
граф и ч ески х
раб оч и х
уни ф и каци я
сред (ти па
и нтерф ей са
Windows
об ъеди няю щи х все необ ходи м ы е и нструм енты
2000,
и нтегри рованны х Windows
об раб отки
NT),
данны х, и
соз дани е в перспекти ве програм м ны х средств, поз воляю щи х пользователю получ и ть доступ к необ ходи м ы м данны м и и спользовать и нструм енты и х об раб отки спом ощью еди ного уни ф и ци рованного и нтерф ей са; раз ви ти е средств соз дани я ди нам и ч ески связ анны х докум ентов, содержащи х раз ли ч ны е ви ды указ анной и нф орм аци и (полном асш таб ное внедрени е технологи и OLE (Object Linhing and Embedding – при вяз ка и встраи вани е об ъектов); соверш енствовани е средств об щени я пользователя с ПК и постепенны й переход на реч евое об щени е путем и спользовани я програм м распоз навани я реч и . Больш ая ч астьпереч и сленны х тенденци й должна най ти отражени е при раз раб отке програм м ного об еспеч ени я автом ати з и рованной си стем ы вы б ора такти ки леч ени я б ольны х и нф арктом м и окарда (И М ). ИМ
– коварное з аб олевани е, "...
которое м ожет з аконч и ться
практи ч ески полны м вы з доровлени ем б ез какой -ли б о м еди ци нской пом ощи , и наоб орот, при вести к см ерти б ольного, несм отря на все уси ли я врач ей . О днако м ежду э ти м и б ольны х,
судьб а
край ностям и
которы х
находи тся м ногоч и сленная группа
во м ногом
з ави си т от своеврем енного
вм еш ательства врач а, его з нани й , опы та и воз м ожностей " [8, стр.7]. В недрени е ком пью терны х технологи й и неи нваз и вны х м етодов об следовани я б ольны х И М дает воз м ожность существенно расш и ри ть з нани я и воз м ожности врач а и пом оч ьем ув опти м и з аци и леч ени я.
18
Т олько в об ласти раз раб отки и и спользовани я си стем наб лю дени я и контроля,
которы е автом ати ч ески
си стем ати з и рованную
переводят соб и раем ы е данны е в
и нф орм аци ю
и
б аз ы
з нани й ,
Росси й ское
з дравоохранени е м ожет успеш но конкури ровать с СШ А
и
други м и
раз ви ты м и странам и [3]. К сожалени ю , данное вы сказ ы вани е справедли во ли ш ь для неб ольш ой группы специ али з и рованны х кли ни к, прежде всего, столи ч ны х карди охи рурги ч ески х центров. В о м ногом э то об ъясняется необ ходи м остью и спользовать и нваз и вны е и нструм ентальны е м етоды об следовани я
б ольны х,
доставляю щи е
ф ункци они ровани я существую щи х и нтенси вной терапи и .
и сходную
си стем
и нф орм аци ю
наб лю дени я
в
для
палатах
Т аки м об раз ом , раз ры в м ежду раз ви ти ем новы х и нф орм аци онны х технологи й и и х ш и роки м практи ч ески м при м енени ем остается весьм а з нач и тельны м . Сокращени ю э того раз ры ва м ожет способ ствоватьсоверш енствовани е неи нваз и вны х м етодов, и прежде всего ультраз вуковы х, а также появлени е м етоди к и х и спользовани я для вы сокоточ ной оценки наи б олее и нф орм ати вны х характери сти к гем оди нам и ки и раз раб отка сравни тельно ком пактны х програм м ны х средств, ори енти рованны х на об раб отку и нф орм аци и о состояни и сердеч но-сосуди стой си стем ы б ольного И М , получ аем ой неи нваз и вны м и способ ам и . Следует подч еркнуть, ч то и нваз и вны е и
неи нваз и вны е м етоды
об следовани я б ольны х не являю тся конкури рую щи м и . Т ам , где э то воз м ожно и
показ ано,
необ ходи м о и спользовать б олее точ ны е и
и нф орм ати вны е и нваз и вны е м етоды . Н апри м ер, в карди охи рурги ч ески х науч ны х
центрах,
при
необ ходи м ости
осуществлени я
акти вной
тром б оли ти ч еской терапи и б ольны х И М
в палатах и нтенси вной терапи и в
первы е ч асы
О днако,
з аб олевани я
и
т.п.
в си туаци ях,
когда
при нци пи ально невоз м ожно и ли весьм а з атрудни тельно при м ени тьпрям ы е м етоды ,
как-то:
на
э тапах
догоспи тального об следовани я,
при
необ ходи м ости дли тельны х наб лю дени й в ди нам и ке, при таки х си ндром ах, как ги пертони ч ески й
кри з , отек легки х, карди огенны й
ш ок нужно
и спользовать атравм ати ч ны е, косвенны е м етоды , уч и ты вая при э том и х особ енности и недостатки .
19
Т аки м
об раз ом , вы явленны е тенденци и
и
перспекти вы
раз ви ти я
неи нваз и вны х м етодов и новы х и нф орм аци онны х технологи й поз воляю т сказ ать, ч то и м ею щи еся и все воз растаю щи е воз м ожности получ ени я об ш и рной ди агности ч еской и нф орм аци и треб ую т раз раб отки новы х м етодов ее анали з а и класси ф и каци и , а также реали з аци и и внедрени я в терапевти ч ескую практи ку автом ати з и рованны х си стем поддержки при няти я реш ени й врач ом . 6. Т реб овани я к м етодам м одели ровани я и при няти я реш ени й при и нтеллектуальной поддержке врач а на б аз е автом ати з и рованной си стем ы О пределени е 3. Н оз ологи ч еская норм а - « об ласть коли ч ественны х характери сти к си стем ы кровооб ращени я, в пределах которой б ольны м и нф арктом м и окарда в процессе леч ени я не треб уется введени е си льнодей ствую щи х препаратов и ли реали з аци я други х терапевти ч ески х м еропри яти й , не предусм отренны х протоколом » [2, с. 7]. В есьм а ч асты м и в практи ке врач а-карди олога являю тся си туаци и , когда и нтересую щи е его парам етры состояни я паци ента не м огут б ы тьи з м ерены непосредственно и необ ходи м ая и нф орм аци я м ожет б ы тьполуч ена ли ш ьв рез ультате при м енени я соответствую щи х м атем ати ч ески х м оделей и и сходны х данны х, получ енны х на основани и косвенны х и з м ерени й . И спользовани е соврем енны х ком пью терны х технологи й поз воляет реали з овать достаточ но сложны е м атем ати ч ески е м одели и м етоды м еди ци нской ди агности ки , прогноз а и опти м альной терапи и сердеч нососуди сты х з аб олевани й . В ы деляю т несколько при ч и н все б олее ш и рокого и спользовани я новы х и нф орм аци онны х технологи й в м одели ровани и патологи ч ески х процессов: во-первы х, раз раб отка м атем ати ч ески х м оделей при няла м ассовы й характер в сам ы х
раз ли ч ны х
об ластях
м еди ци ны ;
во-вторы х,
существенно
ускори лось внедрени е в леч еб ны й процесс новой техни ки , поз воляю щей вести и сследовани я по м атем ати ч еском у м одели ровани ю си стем органи з м а непосредственно в м еди ци нски х уч реждени ях; в-третьи х, прогресс сам ой м еди ци ны , вм еш ательство врач а в сокровенны е м ехани з м ы и процессы жи з недеятельности об услови ли необ ходи м остьпри м енени я м атем ати ч ески х
20
м етодов и м оделей ; в ч етверты х, повы ш ени е достоверности и об ъекти вности и нф орм аци и о состояни и органи з м а ч еловека, воз м ожность об раб отки б ольш и х и нф орм аци онны х потоков и проведени я и м и таци онного м одели ровани я в реальном м асш таб е врем ени об услови ли необ ходи м ость раз раб отки и внедрени я специ али з и рованны х програм м ны х средств, об легч аю щи х вы б орврач ом наи б олее э ф ф екти вной такти ки леч ени я. Т ерапевти ч еская ори ентаци я м атем ати ч ески х м оделей сердеч нососуди стой си стем ы (ССС) вы дви нула специ ф и ч ески е треб овани я при и х раз раб отке: -
необ ходи м остьпредставлени я в м оделях как ком пенсаци онны х, так
и патологи ч ески х сдви гов; -
об еспеч ени е потенци альной воз м ожности отоб ражени я м оделям и
леч еб ны х воз дей стви й ; и денти ф и каци я
парам етров м оделей
в реальном
м асш таб е
врем ени ; -
воз м ожностьи нтеракти вного управлени я процессам и и сследовани я
в терм и нах кли ни ки и ф и з и ологи и . В се э то поз воляет охарактери з оватьсоврем енное направлени е раз ви ти я м атем ати ч ески х м оделей и м етодов как соз дани е специ али з и рованны х програм м ны х средств, вклю ч аю щи х в себ я б аз ы з нани й , э кспертны е си стем ы , ней росетевы е технологи и и други е средства и скусственного и нтеллекта. Переч и сленны е об ъекти вны е при ч и ны об уславли ваю т ряд треб овани й к м етодам м одели ровани я и при няти я реш ени й при и нтеллектуальной поддержке врач а на б аз е автом ати з и рованны х си стем . М атем ати ч ески е при м енени е,
должны
м одели ,
ори енти рованны е
на
терапевти ч еское
и м еть достаточ но глуб окое
ф и з и ологи ч еское
содержани е, то есть вклю ч ать в себ я основны е ф и з и ологи ч ески е и б и оф и з и ч ески е
з аконом ерности ,
установленны е
на
основе
э кспери м ентальны х и кли ни ч ески х и сследовани й . Н есм отря на об и ли е подходов при м одели ровани и сердеч но-сосуди стой си стем ы ч еловека, в леч еб ной практи ке наи б ольш ее распространени е получ и ли м атем ати ч ески е м одели , отражаю щи е раб оту данной си стем ы органи з м а в установи вш и хся режи м ах ( то есть, стати ч ески е м одели ), так
21
как и м енно для ни х накоплен наи б олее достоверны й э кспери м ентальны й и кли ни ч ески й м атери ал. Парам етры м атем ати ч еской м одели должны и м еть непосредственную ф и з и ологи ч ескую и нтерпретаци ю и допускать э ф ф екти вны й контроль состояни я б ольногоб ез опасны м и неи нваз и вны м и м етодам и . Ц еленаправленны й и об основанны й вы б ор и сходны х (и з м еряем ы х) перем енны х должен об еспеч и тьотказ от прям ого вклю ч ени я в м одельряда нели ней ны х з ави си м остей , серьез но усложняю щи х и сследовани е. При няти е реш ени я желательно осуществлятьна основе об ъекти вны х, коли ч ественны х оценок. Баз ой для при няти я реш ени я должен статьанали з ч увстви тельности норм али з аци я
ф ункци й парам етров,
ССС к и з м енени ю то
характери сти к свой ств ССС к
есть их
з нач ени й
при ведени е
ее свой ств;
коли ч ественны х
вели ч и нам , з аф и кси рованны м
у
б лагополуч ны х б ольны х, не и м ею щи х осложнени й . Т реб овани я к м етодам м атем ати ч еского м одели ровани я и автом ати з аци и при няти я реш ени я врач ом м ожно сф орм ули ровать в ви де следую щи х положени й : 1. М одели ровани е должно опи раться на достоверны й э кспери м ентальны й и кли ни ч ески й м атери ал, и соответствую щи е ф и з и ологи ч ески е и кли ни ч ески е з аконом ерности . 2. М одельдолжна и спользоватьлегко и з м еряем ы е и контроли руем ы е в кли ни ке, в основном , неи нваз и вны м и м етодам и характери сти ки состояни я б ольного. 3. М атем ати ч еская
м одель должна
б ы ть достаточ но простой
и
наглядной , в ч астности , должна об еспеч и ватьвоз м ожностьграф и ч еского отоб ражени я основны х характери сти к состояни я б ольного и вли яни я регули руем ы х парам етров на э ти характери сти ки . 4. М атем ати ч еская м одель должна б ы ть
ори енти рована
на
апроб и рованны е м етоды и денти ф и каци и внутренни х парам етров, не поддаю щи хся непосредственном уи з м ерени ю и нструм ентальны м и м етодам и . 5. Ц елесооб раз ны й и об основанны й вы б ор и сходны х перем енны х м одели должен поз воли ть отказ аться от прям ого вклю ч ени я в м одель ряда нели ней ны х з ави си м остей , серьез но усложняю щи х и сследовани е.
22
6. При няти е реш ени я необ ходи м о осуществлятьна основе об ъекти вны х, коли ч ественны х оценок. 7. О сновой для при няти я
реш ени я
должна
стать класси ф и каци я
гем оди нам и ч ески х расстрой ств, оценка ч увстви тельности ф ункци й ССС к и з м енени ю ее свой ств, э кспертная оценка з нач и м ости управляем ы х парам етров м одели
и
пои ск ч и словы х
з нач ени й
э ти х
парам етров,
об еспеч и ваю щи х м и ни м и з аци ю отклонени я вы ходны х гем оди нам и ч ески х характери сти к отноз ологи ч ески -норм альны х. 7. М атем ати ч еское м одели ровани е сердеч но-сосуди стой си стем ы Сердеч но-сосуди стая си стем а – нели ней ная си стем а со сложны м и вз аи м но-об ратны м и связ ям и , анали з которой необ ходи м о проводи тьи сходя и з си стем ного подхода к раз нооб раз ны м процессам , протекаю щи м в ней . С точ ки з рени я м атем ати ч еского опи сани я, структура ССС во врем ени и пространстве такова, ч то ее следуетпредставлятьпри м одели ровани и в ви де нели ней ной
и м пульсной
ди нам и ч еской
си стем ы
с распределенны м и
парам етрам и и и сследоватьспом ощью м етодов м ехани ки сплош ны х сред. О днако рез ультаты м ногоч и сленны х ф и з и ологи ч ески х и кли ни ч ески х и сследовани й [4, 3, 5] поз воляю тсказ ать, ч то в практи ч ески х при ложени ях удоб нее рассм атри вать ССС, с поз и ци й ки б ернети ч еского подхода, как си стем ус сосредоточ енны м и парам етрам и . Следует раз ли ч ать кли ни ч ески -ори енти рованны е и терапевти ч ески ори енти рованны е
м атем ати ч ески е
м одели
си стем ы
кровооб ращени я.
К ли ни ч еская ори ентаци я представляет соб ой б олее ш и рокое поняти е, ч ем терапевти ч еская. К ли ни ка предполагает и консервати вное леч ени е, и науч ное и сследовани е,
не об яз ательно связ анное с леч ени ем ,
хи рурги ч еское вм еш ательство. В
и
отли ч и е от э того, терапевти ч еская
ори ентаци я м одели отражает ее нацеленностьна консервати вное леч ени е и терапевти ч ески е науч ны е и сследовани я. Д анное об стоятельство предъявляет к м атем ати ч ески м м оделям специ ф и ч ески е треб овани я: необ ходи м ость представлени я в м оделях патологи ч ески х сдви гов и ком пенсаци онны х процессов; об еспеч ени е потенци альной воз м ожности отоб ражени я м оделям и
23
леч еб ны х воз дей стви й ; воз м ожностьи нтеракти вного управлени я процессам и и сследовани я. М атем ати ч еское опи сани е кровооб ращени я как си стем ы транспорта крови , основы вается на введени и в рассм отрени е об об щенного сосуди стого уч астка [3], под которы м пони м ается отдельны й сосуд и ли си стем а сосудов некоторого уч астка ткани ли б о органа, которы е по услови ю
з адач и
вы делены в кач естве относи тельно сам остоятельной об ласти и характери з ую тся усредненны м и показ ателям и об ъем ной скорости крови , давлени я, проводи м ости , э ласти ч ности и т.п. О б щее опи сани е ССС м ожнопредстави тьв м атри ч ной ф орм е [3]:
dV T = R E (V − U ) + Q 0 , dt P = E (V − U ) , Q = ПR − R T П ,
(1)
где V, P, U, Q 0 - n-м ерны е вектор-столб цы : V=[V i (t)], P=[P i (t)], U=[U i (u)], Q 0 =[ qoi (t ) ], t - врем я; R,
E,
Q,
П
–
квадратны е
м атри цы
n × n:
R=[ ρ j ,i (u ) ],
E=diag[ e1 (u ), ⋅ ⋅ ⋅ , en (u ) ], Q=[ q ji (t ) ], П =diag[ P1 (t ), ⋅⋅⋅ , Pn (t ) ], u - управлени е; V i (t) – полны й (текущи й ) об ъем крови i-го уч астка ССС; U i (u) – об ъем полностью
расправленного,
но
не
растянутого
i-го
рез ервуара
(расправляю щи й об ъем ); qoi (t ) - об ъем ная скоростькрови (кровоток) и з 0-го сосуди стого уч астка (рез ервуара) в i-ы й уч асток (отражает все ви ды кровопотери и восполнени я (введени е и з ш при цов и капельни ц, внутренняя и наружная кровопотеря, ф и льтраци я ч ерез стенки сосудов и др.); ρ j ,i (u ) проводи м ости
м ежду j-м
и
соответствую щи х рез ервуаров.
i-м
уч асткам и
ССС; ei (u) - жесткости
24
Четы рёхрез ервуарная м одель ССС состои т и з двух насосов (левы й и правы й желудоч ки сердца) и двух ги дравли ч ески х цепей (б ольш ого и м алого кругов кровооб ращени я), соеди няю щи х э ти насосы и в целом об раз ую щи х з ам кнутую си стем у. Больш ой круг кровооб ращени я (БК К ) – совокупность кровеносны х сосудов, которы е снаб жаю т кровью
все ч асти тела, з а
и склю ч ени ем сосудов легки х, в которы х осуществляется газ ооб м ен. БК К об раз ован аортой и ее ветвям и , по которы м об огащенная ки слородом кровь распределяется по всем у органи з м у, а также все вены , по которы м об едненная ки слородом
кровь поступает в полы е вены . М алы й круг
кровооб ращени я (М К К ) – си стем а кровеносны х сосудов, которая нач и нается в правом
желудоч ке (ПЖ ) и направляется в легки е, где прои сходи т
газ ооб м ен, и з аканч и вается в левом предсерди и . О б едненная ки слородом кровьи з ПЖ сердца поступает в легоч ную артери ю , откуда переноси тся во все расположенны е в легки х капи ллярны е сети , оплетаю щи е альвеолы . В ни х прои сходи т газ ооб м ен, в процессе которого и з крови удаляется углеки слы й газ и прои сходи т ее об огащени е ки слородом . О б огащенная ки слородом кровьз атем поступаетв вены , которы е, соеди ни вш и сьв ч еты ре легоч ны е вены , воз вращаю т кровь в левое предсерди е. Э та об огащенная ки слородом кровь по БК К ци ркули рует по всем у телу ч еловека. Сердце рассм атри вается в ви де ч еты рех кам ер: Л Ж и левое предсерди е, ПЖ и правое
предсерди е,
раз деленны х
клапанам и
(м и тральны м
и
транскупи дальны м ). Сердце вы б расы ваеткровьв БК К ч ерез Л Ж , а в М К К – ч ерез ПЖ . Л Ж сердца отделен от аорты аортальны м клапаном , а ПЖ отделен от легоч ной артери и легоч ны м клапаном . Н аз нач ени е клапанов состои т в об еспеч ени и однонаправленного потока крови в з ам кнутой кровеносной си стем е от Л Ж к правом у ч ерез артери и и вены БК К и далее ч ерез легоч ны е артери и и легоч ны е вены М К К опятьк Л Ж .
25 Ф У Н КЦИ И
СВ О Й СТ В А
ρ 23 = ( g 2 ) −1
q 23 (t) СО СУ Д Ы М А Л О ГО К РУ ГА
Ф У Н КЦИ И P2 (t) V2 (t) СВ О Й СТ В А e2=(g6)-1, u2
2 Л Е ГО ЧН Ы Й А РТ Е РИ А Л Ь Н Ы Й РЕ ЗЕ РВ У А Р
ПРА В О Е ρ12 =0 Ф У Н КЦИ И P1 (t) V1 (t) CВ О Й СТ В А e1=(g5)-1, u1
3 Л Е ГО ЧН Ы Й В Е Н О ЗН Ы Й РЕ ЗЕ РВ У А Р
Ф У Н КЦИ И q 12 (t) СВ О Й СТ В А (К П) СЕ РД Ц Е
Ф У Н КЦИ И P 3 (t) V3 (t) СВ О Й СТ В А e 3=(g7)-1, u3
Ф У Н КЦИ И q 34 (t) ρ 34 =0 ρ 43 = g 3 СВ О Й СТ В А (К Л ) Л Е В О Е СЕ РД Ц Е
ρ 21 = g1
1 В Е Н О ЗН Ы Й
4 А РТ Е РИ А Л Ь Н Ы Й
РЕ ЗЕ РВ У А Р
РЕ ЗЕ РВ У А Р СО СУ Д Ы БО Л Ь Ш О ГО К РУ ГА
Ф У Н КЦИ И
Ф У Н КЦИ И P 4 (t) V4 (t) СВ О Й СТ В А e 4=(g8)-1, u4
СВ О Й СТ В А
ρ 41 =( g 4 ) −1
q 41(t)
Структурная схем а ч еты рехрез ервуарной м одели кровооб ращени я У прости м
опи сани е об щей
м одели
ССС, и склю ч и в слагаем ы е,
отражаю щи е си лу тяжести и тканевое давлени е, а также ограни ч и м ся м оделью двухкам ерного сердца в ви де генератора непреры вного потока крови . В кач естве и сходны х данны х для м одели ровани я вы б ерем десять перем енны х, и з м еряем ы х и сравни тельно легко контроли руем ы х (вплотьдо м они тори нга) неи нваз и вны м и и нструм ентальны м и м етодам и об следовани я паци ентов в услови ях об ы ч ны х (рядовы х) леч еб ны х уч реждени й :
x1 [м л/м и н]- м и нутны й об ъем кровооб ращени я (М О К ); x 2 [уд/м и н]- ч астота сердеч ны х сокращени й (ЧСС); x3 [м м рт. ст.]- си столи ч еское давлени е в артери альном рез ервуаре (СА Д );
x 4 [м м рт. ст.]- ди астоли ч еское давлени е в артери альном рез ервуаре (Д А Д );
26
x5 [м м рт. ст.]- веноз ное давлени е (В Д ); x 6 [м м рт. ст.]- си столи ч еское давлени е в легоч ны х артери ях (СЛ А Д ); x 7 [м м рт. ст.]- ди астоли ч еское давлени е в легоч ны х артери ях (Д Л А Д ); x8 [м м рт. ст.]- давлени е в легоч ны х венах (Л В Д ); x9 [см ]- рост( H ); x10 [кг]- м асса тела ( W ). Д анны й наб ор показ ателей отражает, в определенной степени , состояни е си стем ы кровооб ращени я паци ента и достаточ ен для и денти ф и каци и основны х гем оди нам и ч ески х показ ателей ч еловека. Расч ет вы ходны х ф ункци й и и денти ф и каци я парам етров внутреннего состояни я м одели ССС осуществляется на основе и з вестны х и м ногократно подтвержденны х ф и з и ологи ч ески м и и кли ни ч ески м и и сследовани ям и з ави си м остей [3], преоб раз ованны х нам и в соответстви и с терапевти ч еской ори ентаци ей м одели кровооб ращени я:
x1 S ⋅ 1000 y1 = x 5 ;
y0 =
y2 = x7 +
;
x6 − x7 ; 3
y 3 = x8 ; y4 = x4 + g1 =
x1 ; 60 ⋅ S ⋅ x5
g 2 = 79920 ⋅ g3 =
x3 − x4 . 3
x − x7 S ⋅ x7 + 6 − x8 ; x1 3
x1 ; 60 ⋅ S ⋅ x8
27
g 4 = 79920 ⋅
S x − x4 ⋅ x 4 + 3 − x 5 ; 3 x1
x ⋅ V н − 1 3 ⋅ x2 x1 ; g6 = x2 ⋅ ( x6 − x7 ) ⋅ S
2 ⋅ x 4 + x3 ⋅ x3 − x 4
g5 =
1 x2 ⋅ S
g7 =
1 x ⋅ V н − 1 ( 6 . 9 ⋅ x 2 + x8 ) 3 ⋅ x2
g8 =
x1 , x 2 ⋅ ( x3 − x 4 ) ⋅ S
;
2 ⋅ x 4 + x3 2 ⋅ x7 + x6 ⋅ − x6 − x7 x3 − x 4
;
где S = 0.007184⋅ x100.425 ⋅ x90.725
- площадь поверхности
квадратны х м етрах), вы ч и сляем ая по ф орм уле Д ю
тела ч еловека (в
Буа [7], 0.007184 –
э м пи ри ч ески най денны й ч и словой коэ ф ф и ци ент; коэ ф ф и ци енты 60, 1000, 79920 – ч и словы е з нач ени я, об еспеч и ваю щи е согласовани е раз м ерностей в ф орм улах и денти ф и каци и гем оди нам и ч ески х показ ателей ;
Vн ≈
∂V ⋅ y4 и ли Vн ≈ k1 ⋅ S + k2 ∂ y4
напряженны й , растяги ваю щи й
об ъем
кровеносной си стем ы , определяем ы й и нди ви дуально у конкретного паци ента по рез ультатам и з м ерени я и з м енени й О Ц К и А Д и ли на основе стати сти ч еской об раб отки м ножества э кспери м ентов и построени я регресси онной з ави си м ости ; k1 , k2 − const. ; y0=СИ - сердеч ны й и ндекс(л⋅м и н-1⋅м -2); y1=В Д - центральное веноз ное давлени е (м м . рт. ст.); y2=Л А Д - среднее лёгоч ное артери альное давлени е (м м . рт. ст.); y3=Л В Д - лёгоч ное веноз ное давлени е (м м . рт. ст.); y4=А Д - среднее з а врем я одного сердеч ного сокращени я артери альное давлени е (м м . рт. ст.); g1=К П - насосны й коэ ф ф и ци ентправого желудоч ка (см 3⋅с-1⋅м -2⋅м м . рт. ст.-1); g2=О Л С - об щее лёгоч ное сопроти влени е (ди н⋅с⋅м 2⋅см -5); g3=К Л - насосны й коэ ф ф и ци ентлевогожелудоч ка (см 3⋅с-1⋅м -2⋅м м . рт. ст.-1);
28
g4=О ПС - об щее пери ф ери ч еское сопроти влени е(ди н⋅с⋅м 2⋅см -5); g5=Э В - э ласти ч ностьвен (см 3⋅м -2⋅м м . рт. ст.-1); g6=Э Л А - э ласти ч ностьлёгоч ны х артери й (см 3⋅м -2⋅м м . рт. ст.-1); g7=Э Л В - э ласти ч ностьлёгоч ны х вен (см 3⋅м -2⋅м м . рт. ст.-1); g8=Э А - э ласти ч ностьартери й (см 3⋅м -2⋅м м . рт. ст.-1). В м атри ч ной ф орм е кли ни ч ески -ори енти рованной м атем ати ч еской м одели кровооб ращени я (1) напряженны й об ъем ССС равен
Vн(t ) = V (t ) − U , а Т огда, полагая
dV dP = E −1 . dt dt
Q0 = 0
и переоб оз нач ая
ди нам и ч ескую терапевти ч ески -ори енти рованную м атем ати ч ескую м оделькровооб ращени я
pi (t) = yi (t)
, получ и м
ч еты рехрез ервуарную
dy 1 −1 −1 −1 α α g g y g g = ( ) [ ⋅ ( ) − ( + ⋅ ( ) ) y1 ] , 5 4 4 1 4 dt dy 2 = ( g ) −1[ g y + α ⋅ ( g ) −1 ( y − y )] , 6 1 1 2 3 2 dt dy 3 = ( g 7 ) −1[α ⋅ ( g 2 ) −1 y 2 − (α ⋅ ( g 2 ) −1 + g 3 ) y 3 ] , dt dy 4 −1 −1 α = ( g ) [ ⋅ ( g ) ( y1 − y 4 ) + g 3 y 3 ] , 8 4 dt q12 = g1 y1 , (2) −1 q 23 = α ⋅ ( g 2 ) ( y 2 − y 3 ) , q 34 = g 3 y 3 , q 41 = α ⋅ ( g 4 ) −1 ( y 4 − y1 ) . Здесь
r y i = yi ( x , t ) - давлени я в рез ервуарах си стем ы кровооб ращени я ( i = 1 , 4 );
29
r g j = g j (x) - управляем ы е (внутренни е) парам етры м одели кровооб ращени я ( j = 1 , 8 ); α ≈ 1333,2 - коэ ф ф и ци ент, об еспеч и ваю щи й согласовани е раз м ерностей ( 10 м м рт . с т . ≈ 1333,2 Па )
q12 = q12(t), q23 = q23(t), q34 = q34(t), q41 = q41(t)
- об ъем ны е скорости
дви жени я крови ;
r x ={x1 , x2 ,..., x10 }
-
вектор
входны х
перем енны х
м одели
кровооб ращени я. И спользовани е данной ди нам и ч еской м одели в задач е при няти я реш ени й врач ом -карди ологом вы зы вает существенны е затруднени я. А нали ти ч еское реш ени е си стем ы уравнени й (16) ч резвы ч ай но гром оздко, а ч и сленны е рез ультаты для восьм и ф ункци й врем ени , даже представленны е в граф и ч еском ви де, не м огут б ы ть операти вно проанали зи рованы ли цом , при ни м аю щи м реш ени е. К ром е того, си стем а (2) должна реш аться заново при каждом r и зм енени и вектора входны х перем енны х x и вектора управляем ы х парам етров
r g
, ч тотакже затрудняетоб раб откуи нф орм аци и .
Задач а м одели ровани я кровооб ращени я и , следовательно, задач а вы б ора такти ки леч ени я б ольны х сердеч но-сосуди сты м и з аб олевани ям и м ожет б ы ть з нач и тельно упрощена, если рассм отретьустанови вш и й ся (стати ч ески й ) режи м раб оты схем ы управлени я гем оди нам и ч ески м и характери сти кам и при и спользовани и терапевти ч ески -ори енти рованной м атем ати ч еской м одели кровооб ращени я. В э том случ ае полагаем в си стем е уравнени й (2)
dy i (t ) = 0 , q12 = q23 = q34 = q41 = y0 dt и доб ави м уравнени е б аланса для напряженны х об ъем ов крови [3]
Vн = g5 y1 + g6 y2 + g7 y3 + g8 y4 . Т огда, реш и в си стем у пяти ли ней ны х алгеб раи ч ески х уравнени й с пятью неи з вестны м и и об оз нач и в
1 g g 1 g r g f (g) = 5 + g6 ⋅ + 2 + 7 + g8 ⋅ + 4 g1 g1 α , g3 α g3 получ и м стати ч ескую терапевти ч ески -ори енти рованную ч еты рехрез ервуарную м атем ати ч ескую м оделькровооб ращени я ч еловека
30
0 . 06 ⋅ V н , r S ⋅ f ( g ) V н , r S ⋅ g1 ⋅ f ( g )
r y 0 ( g ,V н , S ) = r y1 ( g ,V н , S ) = r y 2 ( g ,V н , S ) = r y 3 ( g ,V н , S ) = r y 4 ( g ,V н , S ) =
g 2 V н ⋅ + r S ⋅ f ( g ) α V н , r S ⋅ g 3 ⋅ f ( g )
1 g 3
,
g 4 V н ⋅ r S ⋅ f ( g ) α
1 g1
.
+
Д анная и нди ви дуали з и рованная м атем ати ч еская м одель ССС конкретного паци ента отоб ражает з ави си м ости ф ункци й кровооб ращени я от свой ств си стем ы гем оди нам и ки на м ом ентврем ени и з м ерени я характери сти к
r x при уч ете вли яни я внутренни х (управляем ы х) парам етров
r g
.
Д аже после стольз нач и тельны х упрощени й м атем ати ч еская м одельне является три ви альной , так как представляет соб ой совокупность пяти вз аи м освяз анны х нели ней ны х, м ногом ерны х ф ункци й . А з адач а управлени я гем оди нам и ч ески м и характери сти кам и м ожет б ы тьсведена к з адач е пои ска таки х з нач ени й парам етров
r g
, которы е перевели б ы и сходны й вектор
состояни я б ольного в об ласть, наи б олее б ли з кую к з нач ени ям ноз ологи ч ески норм альны х гем оди нам и ч ески х показ ателей . При э том на вектор управляем ы х парам етров и вектор вы ходны х перем енны х наклады ваю тся ограни ч ени я в ви де неравенств, которы е м огут и з м еняться при каждом и з м ерени и з нач ени й вектора входны х перем енны х м одели соответстви и среком ендаци ям и врач а-э ксперта.
r x и ли в
31
Би б ли ограф и ч ески й спи сок 1. Д ю к В . И нф орм аци онны е технологи и в м еди ко-б и ологи ч ески х и сследовани ях / В . Д ю к, В . Э м ануэ ль. - СПб . : Пи тер, 2003 . - 528 с. 2. Бокери я Л .А . Си стем а показ ателей кровооб ращени я для оценки состояни я, вы б ора и коррекци и терапи и при хи рурги ч еском леч ени и и ш ем и ч еской б олез ни сердца (ноз ологи ч еская норм а) : руководство / Л .А . Бокери я, В .А . Л и щук, Д .Ш . Газ и з ова . – М . : И з д-во Н Ц ССХ и м . А .Н . Бакулева РА М Н , 1998 . – 50 с. 3. Л и щук В .А . М атем ати ч еская теори я кровооб ращени я / В .А . Л и щук . - М . : М еди ци на, 1991 . – 256 с. 4. Т еорети ч ески е и сследовани я ф и з и ологи ч ески х си стем . М атем ати ч еское м одели ровани е / Н .М . А м осов [и др.] ; под об щ. ред. Н .М . А м осова . – К и ев : Н аукова дум ка, 1977 . – 246 с. 5. М орм ан Д . Ф и з и ологи я сердеч но-сосуди стой си стем ы / Д . М орм ан, Л . Х еллер. – СПб . : И з д-во « Пи тер», 2000 . – 256 с. 6. К ом пью терны е технологи и об раб отки и нф орм аци и : уч еб . пособ и е / С.В . Н аз аров [ и др.] ; под ред. С.В . Н аз арова . – М . : Ф и нансы и стати сти ка, 1995 . - 248 с. 7. И нструм ентальны е м етоды и сследовани я сердеч но-сосуди стой си стем ы : справоч ни к / под ред. Т .С. В и ноградовой . - М . : М еди ци на, 1986 . - 416 с. 8. Сы рки н А .Л . И нф арктм и окарда / А .Л . Сы рки н . - М . : М еди ци на, 1991 . – 304 с. Э лектронны й каталог Н ауч ной б и б ли отеки В ГУ – (http//www.lib.vsu.ru) СО Д Е Р Ж А Н И Е Преди слови е… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...3 1. У ч еб ная програм м а… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ....3 2. В опросы э кз ам енаци онны х б и летов… … … … … … … … … … … … … … … .… 7 3. К онтрольны е вопросы по тем е « Спектральны е представлени я си гналов»..9 4. К онтрольны е вопросы по тем е « М атем ати ч еское м одели ровани е кровооб ращени я»… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… 12 5. О сновны е определени я и поняти я… … … … … … … … … … … … … … … … ..14 6. Т реб овани я к м етодам м одели ровани я и при няти я реш ени й при и нтеллектуальной поддержке врач а на б аз е автом ати з и рованной си стем ы … … … ..19 7. М атем ати ч еское м одели ровани е сердеч но-сосуди стой си стем ы … … … … 22 Би б ли ограф и ч ески й спи сок… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .31 Состави тель В оронков Бори с Н и колаеви ч Редактор Т и хом и рова О .А . Заказ №
от
2005г. Т и раж50 э кз . Л аб оратори я операти вной поли граф и и В ГУ