|
Національний авіаційний університет
Поліщук Сергій Тимофійович
УДК: 681.51: 616.61-78 (043.3)
Інформаційні засоби підвищення ефективності керування у біотехнічній гемодіалізній системі
Спеціальність 05.13.06 – Автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 2004
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано в Інституті електроніки та систем управління Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник доктор технічних наук, професор
Бойко Іван Федорович,
Національний авіаційний університет, професор кафедри радіоелектроніки.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор,
Мірошниченко Сергій Іванович, НВО „Телеоптик”, генеральний директор;
доктор фізико-математичних наук, професор,
Бих Анатолій Іванович,
Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри фізичної та біомедичної електроніки.
Провідна установа
Інститут кібернетики ім. В. М. Глушкова, відділ „Моделювання інформаційно-функціональних систем” , НАН України, м. Київ.
Захист відбудеться: 10.07.2004р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.01 Національного авіаційного університету за адресою: 03058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1.
Автореферат розісланий 31.05.2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.С. Єременко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Апарат “штучна нирка” (АШН) є технічною складовою гемодіалізної системи (ГДС), яку, виходячи із сучасних уявлень, можна розглядати як автоматизовану систему керування технологічним процесом екстракорпорального заміщення втраченої функції нирки хворої людини – гемодіалізом.
У разі виникнення термінальних стадій хвороб нирки (ТСХН), гемодіаліз може подовжувати життя людини на десятки років. Однак тривалість життя та кошторис лікування залежать безпосередньо від ефективності виконання гемодіалізу.
Ефективність виконання гемодіалізу, в свою чергу, визначається ступенем досягнення екстремуму цільової функції гемодіалізу (ЦФГ), який залежить від параметрів АШН, які встановлює, і може змінювати у процесі проведення гемодіалізу лікар-оператор в залежності від стану пацієнта.
Світовий досвід показує, що спроба досягнення максимально можливих значень ЦФГ в умовах обмеження часу, навіть з використання найсучасніших АШН, не дає змоги уникнути порушення гомеостазу пацієнтів на різних етапах проведення процедури.
З технічної точки зору порушення гомеостазу організму людини можна пояснити, якщо розглядати ГДС як біотехнічну систему (БТС) автоматизованого керування об’єктом керування якої є пацієнт із ТСХН, приладом керування – АШН, ланкою оптимізації у колі зворотного зв’язку є лікар-оператор, а ЦФГ– корекція гомеостазу організму пацієнта.
Біонічний підхід до аналізу і синтезу складних медичних технологій викладено в працях видатних учених України та Росії:
В. М. Глушкова, Н. М. Амосова, П. К. Анохіна, В. Н. Новосельцева, В. М. Ахутіна, Ю. М. Онопчука, А. І. Биха.
З точки зору теорії автоматичного керування сучасна ГДС є системою розімкнутого типу, оскільки в ній немає прямих інформаційних зв’язків між об’єктом керування і обчислювачем АШН, а отже, і не передбачено алгоритму утримання параметрів вектора стану об’єкта керування у допустимих межах, які визначаються особливостями фізіологічної системи організму пацієнта.
Cтруктуру ГДС також можна розглядати і як систему замкненого типу, у колі зворотного зв’язку якої знаходиться лікар-оператор, який має інформаційні зв’язки з об’єктом керування та органами керування АШН і виконує функції ланки оптимізації, яка усуває неузгодженість між параметрами вектора стану і вектора керування у процесі досягнення ЦФГ.
Але в цьому випадку постійна часу ланки зворотного зв’язку порівнянна із часом виходу параметрів вектора стану об’єкта керування за межі допустимих значень. Тому зміна параметрів у ГДС після встановлення їх початкових значень, виконується лікарем-оператором лише за умови появи сигналів аварійного стану об’єкта керування, що подовжує час необхідний для досягнення потрібногозначення ЦФГ і погіршує якість лікування.
Аналіз медичних систем подібного класу, таких як апарати штучного дихання, апарати штучного кровообігу і інших, також підтверджує їх побудову за розімкненою схемою керування.
Отже, можна стверджувати, що дослідження у напрямі поліпшення ефективності процесу керування у ГДС є актуальними, оскільки спрямовані на розроблення адаптивної системи керування. Це дає змогу продовжити тривалість життя людей с ТСХН та зменшити економічні витрати на лікування. Крім того, без розроблення алгоритмів оптимального керування надалі буде неможливе функціонування штучних імплантатів нирки.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертаційної отримано за період 1995–2002 рр., за тематичними планами науково-дослідних робіт:
– НДР №950-ДБ2000 „Синтез та аналіз оптимальних алгоритмів виявлення-вимірювання доплерівських сигналів з використанням ортогональних перетворень, держреєстраційний № 0100U004201. Замовник Міністерство освіти та науки України;
– НДР №2514 „Исследование методов и разработка электронных средств определения и мониторинга функционального состояния человека. Замовник – Міністерство освіти та науки України.
Мета роботи полягає у підвищенні ефективності керування процесом гемодіалізу у автоматизованій системі управління технологічним процесом лікування.
Об’єктом дослідження є процес керування у ГДС, який спрямовано на узгодження параметрів вектора вхідних впливів та вектора стану об’єкту керування для досягнення максимально можливих значень ЦФГ за умови обмеження часу.
Предметом дослідження є технічні та біологічні компоненти
ГДС, які функціонують у єдиному контурі керування процесом гемодіалізу, та взаємодія цих компонентів у БТС.
Завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:
- виконати системний аналіз ГДС та обґрунтувати можливість розроблення БТС керування технологічним процесом корекції гомеостазу організму людини;
- формалізувати цільову функцію процесу керування у БТС;
- розробити математичну модель об’єкта керування;
- розробити структурну схему та алгоритм керування процесом корекції гомеостазу у БТС за критерієм максимального видалення токсичних речовин з організму людини за умови обмеження часу.
Методи дослідження. У роботі для аналізу ефективності керування у сучасних ГДС та синтезу БТС використані методи:
- статистичного аналізу даних;
- інформаційного аналізу фізіологічних можливостей людини-оператора у процесі роботи зі складними технічними комплексами;
- простору станів для розроблення математичної моделі об’єкта керування.
Застосовувались також інформаційні технології: комп’ютерне і математичне моделювання ефективності процесу керування для визначення діапазону оптимальних значень параметрів вектора стану та вектора керування.
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
- уперше обґрунтовано можливість розгляду гемодіалізу як технологічного процесу керування корекцією гомеостазу людини з нирковою недостатністю в автоматизованій БТС;
- обґрунтовано означення цільової функції процесу керування у ГДС ;
- розроблено математичну модель об’єкта керування, яка дозволяє прогнозувати параметри вектора стану об’єкта керування у реальному часі;
- розроблено алгоритм оптимального керування процесом гемодіалізу в замкненій БТС.
Практична значимість роботи полягає у зменшенні впливу суб’єктивних факторів на ефективність керування у ГДС, що, в свою чергу, поліпшує її техніко-економічні показники.
Особистий внесок здобувача. У роботах, виконаних у співавторстві [1] – [3], [10] – [13], обґрунтовано підхід до гемодіалізу як технологічного процесу в автоматизованій БТС. У роботах, виконаних самостійно [4], [5], розроблено методи кількісного аналізу ефективності керування у БТС. Частину рішень, використаних у дисертаційному дослідженні, запатентовано в Україні [6] – [8].
Апробація результатів дисертації. Концепція підвищення ефективності керування у БТС екстракорпоральної корекції гомеостазу хворої людини, яку сформульовано в дисертації, доповідалася і отримала позитивну оцінку на міжнародних конференціях “АВІА-2001”, “АВІА-2002” в секції “Біотехнічні системи та медичні технології” (м. Київ), “АСТРОЭКО” у 2002 р. (м. Терскол, Росія), “Токсикологія отруєнь і профпаталогія хімічної етіології. Медичні аспекти надзвичайних ситуацій” (м. Київ 2003 р.). Значущість медичних аспектів дослідження підтверджено публікаціями у медичних виданнях “Харківська хірургічна школа”, “Здоровье Украины”. Декілька публікацій розміщено на російському сайті www.hd13.narod.ru “Гемодиализ для специалистов”.
сновні результати роботи опубліковано в 12 наукових працях за темою дисертації (в тому числі 5 без співавторів), з них 5 опубліковано у виданнях, які затверджено ВАК України як фахові, 4 у матеріалах конференцій, 3 – підтверджено патентами України на винахід.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 168 сторінок, з яких 129 сторінок займає основний текст, що містить 47 рисунків, 12 таблиць; 8 додатків, а також список використаних джерел з 90 найменувань.
ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи з погляду сучасного технічного стану в галузі гемодіалізної технології.
Проаналізовано стан України порівняно зі східноєвропейськими країнами щодо ефективності процесу гемодіалізу.
Сформульовано мету і завдання дослідження, а також методи їх досягнення, показано наукову новизну роботи. Наведено відомості про апробацію та структуру дисертаційної роботи, про кількість наукових публікацій і особистий внесок здобувача.
У першому розділі дисертаційної роботи подано загальну характеристику динаміки поширення гемодіалізної технології у ХХ столітті. Показано, що ефективне заміщення втраченої функції нирки за допомогою технічних засобів неможливе без точного кількісного розрахунку параметрів процесу керування у ГДС та оптимізації параметрів керування в автоматизованій БТС.
Наведено принципи побудови ГДС, основні структурні схеми і технічні характеристики найсучасніших АШН .
Доведено, що сучасна концепція оцінки ефективності гемодіалізу, яка грунтується на понятті індексу дози гемодіалізу D і визначається нерівністю
 ,
де K – показник ефективності органа керування, мл/хв;
Vp – інтегральний показник складності об’єкту керування, мл;
t – ефективний час процесу керування, хв,
має суттєві недоліки, які впливають на ефективність керування процесом заміщення втраченої функції нирки.
Проаналізовано ефективність керування в ГДС у двох клініках Києва. Результати цього аналізу показали, що, не зважаючи на
використання найсучасніших технічних засобів при проведенні гемодіалізу, понад у 80% випадків ефективність керування нижче гранично припустимого значення  (див. рис.1).
Hезультати статистичних розрахунків проведеного аналізу наведено у табл.1.
У другому розділі для подальшого аналізу причин низької ефективності процесу керування, розроблено структурно-інформаційну схему існуючої ГДС (рис.2), на основі якої було розроблено інформаційну модель процесу гемодіалізу. Розроблена інформаційна модель дала змогу оперувати інформацій
ними потоками, які циркулюють у ГДС і описати процес керування у системі як взаємодію масивів інформації в часі:
 (1)
де  – інформаційний масив відхилення поточних біохімічних показників вектора стану об’єкта керування від оптимальних значень;
 – інформаційний масив відхилення поточних фізіологічних показників об’єкта керування від оптимальних;
 – інформаційний масив стану систем АШН;
 – інформаційний масив стану технічних засобів контролю і впливу на параметри вектора стану об’єкта керування;
 – інформаційний масив відхилення поточних значень цільової функції процесу від оптимальних;
 – інформаційний масив поточних значень параметрів вектора керування;
 – інформаційний масив відхилення поточних значень вектора керування від оптимальних.
Також для кількісного визначення параметрів вектора вхідних впливів розроблена ЦФГ  процесу керування у ГДС, яка має вигляд
 (2)
При цьому, максимальне значення  може досягатись, якщо швидкість зміни варійованих функцій не перевищує границь фізіологічно допустимих значень. Тобто, 
   (3)
де – тривалість процессу керування;  – поточний момент часу  – маса і-ї токсичної речовини, яка видалена;  – поточне та оптимальне значення концентрації і-ї мінеральної речовини;  – поточне та оптимальне значення об’єму рідини в організмі;  – поточне та оптимальне значення кислотно-лужної рівноваги рідинного об’єму;  – концентрація у-ї амінокислоти,  – допустиме відхилення.
Розроблена інформаційна модель процесу керування (1) і цільові функції (2), (3) дозволили визначити загальний обсяг інформації, яку необхідно обробляти лікарю-оператору у ГДС :
 , (4)
де НСОИ – кількість інформації, яку оператор одержав від системи відображення у ГДС;
НЗАП – кількість інформації, яку необхідно запам’ятати;
НРОЗ – кількість інформації використовуваної для виконання не складних розрахунків (наприклад, додавання, множення і т. ін.);
НЛОГ – кількість інформації використовуваної для перевіркі умов логічного характеру;
НПАМ – кількість інформації потрібної для прийняти рішення з використанням додаткових даних, які знаходяться в пам’яті оператора;
НДВ – додаткова інформація, яку використовує оператор при залученні органів керування.
Сумарний час оброблення лікарем-оператором всієї інформації
 (5)
де Hi – кількість інформації і-го виду, оброблюваної для розв’язання задачі;
Ui – швидкість оброблення інформації і-го виду.
Результати розрахунків кількості інформації, яку потрібно обробляти лікарю-оператору, за формулами (1) – (4) і часу її оброблення, за формулою (5) наведено у табл.2.
Наведені дані показують, що загальний час ф, потрібний лікарю-оператору для обчислення параметрів ГДС, длярозрахунку найпростіших алгоритмів керування, становить близько 400 с, а час виходу параметрів вектора стану об’єкта керування за граничні значення може становити 300 с і менше.
З погляду теорії автоматичного регулювання ці результати можна інтерпретувати таким чином. Сучасні ГДС не можна розглядати як систему замкнутого типу, в якій взаємодіють три функціональні блоки: пацієнт – об’єкт керування (ОК); АШН – прилад керування (ПК); лікар-оператор – оптимізуюча ланка кола зворотного зв’язку (ЛЗЗ). Дійсно, якщо розглядати кожен
функціональний блок ГДС як інерційну ланку з передатною функцією у вигляді  , то  .
У третьому розділі розроблено математичну модель об’єкта керування. Побудова математичної моделі ґрунтується на двох сучасних поняттях: гомеостазу біологічної системи і трикомпартментного розподілу рідини в організмі людини.
Порушення діяльності нирки передусім стосується змін у метаболічній системі організму і кількісне уявлення про стан системи (гомеостазу)можна записати у вигляді
де xi – кількість речовини в і-му компартменті;
yij – швидкість переміщення речовини з j-го компартменту у і-ий ;
yio, yoi – швидкість переміщення речовин із навколишнього середовища у і-й компартмент та із компартмента в навколишнє середовище відповідно;
gі , di – швидкість виникнення та зникнення речовини у і-му компартменті.
Під час роведення гемодіалізу переміщення токсичних речовин та рідини між компартментами Vі відбувається за рахунок градієнта концентрацій речовин  , градієнта осмотичного та (або) гідростатичного тисків  , які визначаються параметрами вектора керування vi та qi. Коефіцієнти kі визначають властивості мембран компартментів і діалізатора.
За таких умов з урахуванням указаних вище позначень рівняння системи для дифузійної складової можна записати так
Схема моделювання процесу зображено на рис. 3.
Позначимо вектор стану системи через х , вектор входів через v,:
Згідно з методом простору станів запишемо рівняння стану системи 
де 
а рівняння виходу, якщо, наприклад, мається можливість реєстрації тільки параметра y1 має звичайний вигляд: 
де С = [1 0 0]; D = 0.
Наведена математична модель дозволяє враховувати фізіологічні особливості пацієнта за рахунок підбору коефіцієнтів, а також розраховувати осмотичний тиск у трьох об’ємах розподілу рідини в організмі: внутрішньоклітинному, внутрішньосудинному та інтерстенціальному. Такий підхід дає змогу прогнозувати стан гомеостазу системи і коригувати параметри вектора вхідних впливів у реальному часі.
У четвертому розділі розроблено структурну схему та алгоритм керування у гемодіалізній БТС на основі біонічного підходу, тобто БТС із можливістю адаптації параметрів вектора керування до фізіологічних особливостей конкретного пацієнта.
Структурну схему розробленої БТС показана на рис. 4. На відміну від ГДС розімкнутого типу (див. рис.2) у БТС лікар-оператор не є оптимізуючою ланкою у процесі гемодіалізу, а лише виступає як експерт. Функції експерта, за цих умов у БТС такі:
- попередній розрахунок даних для математичної моделі об’єкта керування;
- уведення розрахованих вихідних даних у прилад керування БТС;
- контроль ефективності керування на етапі адаптації математичної моделі для конкретного індивіду (індивідуалізація математичної моделі об’єкта керування);
- корекція початкових даних у випадку невідповідності ефективності процесу;
- втручання в роботу БТС у разі виникнення нештатної ситуації.
Задачу оптимального керування можна сформулювати так: потрібно визначити параметри вектора керування u(t), який набуває значення з множини значень простору керувань для пересунення об’єкта керування, який описується співвідношенням  з стану x(t0) = x0 в станx(t1) = t1 з максимальним значенням критерію якості Q і визначається як
де Xij, Vij – значення концентрації і-ї токсичної речовини та об’єму рідини компартментів, розрахованих за допомогою математичної моделі;
Xij, Rij – значення концентрації токсичної речовини та об’єму рідини компартментів, отримані за результатами вимірювання.
| 
