Архив рубрики: Биотехнические и медицинские системы

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ ЗАБОЛЕВАНИЙ, ПРОВОЦИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ


УДК 616.5-002.4
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.032

Н.А. Кореневский, А.В. Титова, Т.Н. Говорухина, Д.А. Медников


В работе предлагаются математические модели прогнозирования и диагностики заболеваний, провоцируемых воздействием электромагнитных полей радиочастотного диапазона, позволяющие контролировать текущее состояние человека с целью дальнейшего принятия решений о возможной коррекцией функций организма, в случае необходимости. С учетом неполного и нечеткого описания исследуемого класса заболеваний в качестве базового математического аппарата выбрана технология мягких вычислений, и, в частности, методология синтеза гибридных нечетких решающих правил, хорошо зарекомендовавшая себя при решении задач с аналогичной структурой данных и типом неопределенности. Выбранный метод синтеза позволяет учитывать мультипликативный эффект воздействия на организм человека электромагнитных полей (ЭМП) различной модальности и интенсивности с учетом других эндогенных и экзогенных факторов риска. Для мощных и стабильных ЭМП предлагается использовать модификацию известных моделей, полученных для промышленных энергосетей. Для оценки влияния низкоинтенсивных, нестабильных ЭМП радиочастотного диапазона на организм человека предлагается использовать нечеткие табличные модели и ряд чувствительных к действию ЭМП радиочастотного диапазона индикаторов. К таким индикаторам относятся состояние внимания, памяти, мышления, а также динамика изменения энергетического состояния биологически активных точек, связанных с исследуемой патологией. На примере машинистов электропоездов получены математические модели прогнозирования и ранней диагностики появления и развития заболеваний нервной системы. Показано, что если с электромагнитными факторами риска использовать дополнительную информацию о состоянии здоровья обследуемых, то уверенность в правильном прогнозе достигает величины 0,85, а наличии ранних стадий заболеваний нервной системы – 0,95.

Ключевые слова: прогнозирование, диагностика, электромагнитное поле, радиочастотный диапазон, предельно допустимый уровень, организм человека, нечеткое решающее правило
Полный текст статьи:
KorenevskySoavtors_2_20_1.pdf

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ОПЕРАТИВНОСТИ ИДЕНТИФИКАЦИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ МОНИТОРИРУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБРАБОТКИ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БОЛЬШИХ БАЗ ДАННЫХ


УДК 004.932.2
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.030

В. А. Васильченко, В. Л. Бурковский


Актуальность исследования обусловлена нарастанием заболеваний человека, которые ассоциированы со значительным социально-экономическим ущербом и дающие значительную нагрузку на здравоохранение. В соответствии с рекомендациями ВОЗ система профилактики заболеваний должна включать в себя оценку распространенности, коррекцию, а также контроль факторов риска (WHO, 2009). Особое место в этом комплексе мер занимает система массового мониторинга заболеваний, как механизм оценки ситуации и потребности в реализации профилактических мер, так и способ контроля эффективности реализуемых профилактических мероприятий. В связи с этим данная статья рассматривает создание алгоритма обработки снимков компьютерного томографа легких человека с помощью программного обеспечения. Ведущим методом к исследованию данной проблемы являются нейронные сети. В статье представлена сверточная нейросетевая модель Сhexnet обработки рентгеновских снимков, разработанная учеными из стэнфордского университета. Рассмотрен алгоритм разработки механизма анализа снимков на основе современных рентгеновских снимков органов – снимков компьютерной томографии, которые получают с помощью сложного программно–технического комплекса, имеющего сверхчувствительные детекторы для регистрации рентгеновского излучения, а также обширный пакет программного обеспечения, позволяющий получить снимки с высоким пространственным разрешением. Разработанный алгоритм реализован на основе сверточной сети Densenet, глубина которой составляет 201 слой. В него были внесены изменения в виде применения функции активации ReLU (сокращение от англ. reсtified linear unit), которая позволяет существенно ускорить процесс обучения и одновременно с этим значительно упростить вычисления. Как результат, разработанная сверточная нейронная сеть помогает непрерывности сбора данных, что позволяет совершенствовать процесс принятия стратегических решений, разрабатывать программы действий в области общественного здравоохранения.

Ключевые слова: компьютерная обработка изображений, сверточная нейронная сеть, функция активации ReLU, диагностика заболеваний

Полный текст статьи:
VasilchenkoBurkovsky_2_20_2.pdf

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МАССОВОГО МОНИТОРИНГА СПЕЦИАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ


УДК 004.042
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.029

В. А. Васильченко, В. Л. Бурковский


Актуальность исследования обусловлена высоким уровнем заболеваний легких по данным ВОЗ. Ежегодная смертность от хронических болезней нижних дыхательных путей составляет 3 миллиона человек, а от рака легких 1.7 миллиона. Согласно информации министерства здравоохранения Российской Федерации, ранняя диагностика и планирование на ее основе профилактических мероприятий позволит значительно снизить уровень смертности от легочных заболеваний и повысить качество жизни населения. Для реализации задач массовой обработки медицинской информации, повышения эффективности лечебно-профилактических мероприятий по выявлению заболеваний легких на ранних этапах предлагается создание программного комплекса. Разработанное программное обеспечение дает возможность оценки ситуации в исследуемой территориальной области и мониторинга, как состояния здоровья, так и эффективности предпринимаемых мер. В статье представлены методы по автоматизации анализа данных лабораторного анализа, а также данных исследований компьютерного томографа.Материалы статьи представляют практическую ценность для медицинских учреждений, позволяя выявлять патологии легких на ранних этапах, а также для центров принятия решений, где производится оценка качества медицинских услуг в разрезе возрастных и гендерных групп, как в каждом регионе в отдельности, так и на государственном уровне в целом

Ключевые слова: мониторинг, анализ данных, нейронная сеть, тепловая карта, DenseNet, ANFIS

Полный текст статьи:
VasilchenkoBurkovsky_2_20_1.pdf

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ДОЗИРОВОК МЕДИКАМЕНТОВ В ТЕХНОЛОГИИ ЛЕЧЕНИЯ ПРЕЭКЛАМПСИИ БЕРЕМЕННЫХ ЖЕНЩИН


УДК 004.891
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.017

М.В. Гранков, И.А. Тарасова


Проблема преэклампсии является одной из актуальных в современном акушерстве, так как это заболевание является наиболее распространенным и тяжелым осложнением беременности, а проблема лечения тяжелых форм преэклампсии – одна из самых трудных в акушерской анестезиологии и реаниматологии. Высокая частота смертности основана на отсутствии точных знаний о патогенезе заболевания, который зависит от множества факторов, диагностических критериев, что приводит к неадекватной терапии и различным осложнениям, зависящим от своевременности и метода родоразрешения, объема анестезиологической и реанимационной помощи. В связи с этим, исследование методов построения автоматизированных и экспертных систем, использующих современные методы искусственного интеллекта и позволяющих повысить эффективность процесса лечения преэклампсии беременных, является актуальным. В данной статье рассматривается разработка системы поддержки принятия решений при определении дозировок медикаментов в технологии лечения преэклампсии беременных женщин на основе функций принадлежности нескольких аргументов.В результате опытных испытаний установлено, что относительное отклонение дозировок, рассчитанных системой поддержки принятия решений, от дозировок, устанавливаемых в сравнительных испытаниях квалифицированным врачом, не превышает пяти процентов. При этом использование результатов работы позволило повысить количество тяжелых пациентов, обслуживаемых одним врачом-реаниматологом, не менее чем в два раза, за счет уменьшения времени для установления диагноза.

Ключевые слова: система поддержки принятия решений, диагностика, технология лечения, преэклампсия беременных женщин, функция принадлежности нескольких аргументов

Полный текст статьи:
GrankovTarasova_2_20_1.pdf

МОДИФИКАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА С АДАПТИВНЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ КРОССОВЕРА


УДК 681.3
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.009

Ю.А. Асанов, С.Ю. Белецкая, Аль-Саеди Моханад Ридха Ганим


Целью данной работы является разработка модификации адаптивного генетического алгоритма, основанной на переключении кроссовера в соответствии со степенью элитарности индивидуумов популяции. Несмотря на большое число исследований, произведенных в области эволюционных исчислений за последнее время, алгоритмы данного класса и сегодня имеют высокую перспективу модификации. Основной целью исследований является улучшение скорости сходимости алгоритмов (для получения высокопроизводительных методов оптимизации) и увеличение точности полученных решений. В статье для адаптивной настройки оператора кроссовера используются понятия дискретной и непрерывной степени элитарности индивидуумов. Кроме того, оценка элитарности применяется для настройки вероятности мутации. Рассмотренная модификация имеет превосходство на тестовых задачах, которые традиционно используются для анализа эффективности генетических алгоритмов. В качестве тестового набора были использованы квадратичная функция с тремя переменными, функция Розенброка, ступенчатая функция, сложная функция четвертого порядка с шумом и функция Шекеля. Представлены результаты сравнения классических генетических алгоритмов с алгоритмами, использующими рассмотренные стратегии настройки кроссовера и мутации. Проведён анализ результатов вычислительного эксперимента.

Ключевые слова: генетический алгоритм, переключение кроссовера, адаптивная настройка мутации, элитарность, эволюционные исчисления.

Полный текст статьи:
AsanovSoavtors_2_20_1.pdf

ПРИМЕНЕНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ФАКТОРОВ ИЗ АНАМНЕЗА ЖЕНЩИНЫ, ВЛИЯЮЩИХ НА ИСХОД БЕРЕМЕННОСТИ, ПОЛУЧЕННОЙ С ПОМОЩЬЮ ЭКО


УДК 519.234.3
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.28.1.027

С.Л. Синотова, О.В. Лимановская, А.Н. Плаксина, В.А. Макутина


В статье рассматривается поиск статистической взаимосвязи между заболеваниями мочеполовой системы, хроническими заболеваниями, проведенными хирургическими вмешательствами, и другими данными анамнеза жизни, наследственного анамнеза женщины и исходом беременности, полученной с помощью вспомогательных репродуктивных технологий (ЭКО). В качестве исхода выбраны, имеющиеся у рассматриваемой группы пациенток – 338 женщин, сроки и способы родоразрешения, а также диагнозы их 402 детей на этапе родильного дома. В статье описан универсальный алгоритм приведения текстовых данных в пригодный для проведения анализа вид при помощи морфологического анализатора pymorphy2 и библиотеки Scikit-Learn Python 3.6. Для выявления значимых факторов использовался корреляционный анализ, выполненный с применением точного критерия Фишера, критерия согласия Хи-квадрат и интервальных оценок долей, Z-критерия для разности двух долей. Сила взаимосвязи факторов и исходов оценена критерием Крамера. Результатом анализа является выделение 56 значимых факторов и 34 значимых корреляций, которые будут учтены при разработке математической модели предсказания исхода беременности и оценки здоровья ребенка, зачатого при помощи ВРТ (ЭКО), на этапе планирования.

Ключевые слова: обработка текста, корреляционный анализ, достигаемый уровень значимости, анализ малых данных, вспомогательные репродуктивные технологии, V Крамера, критерий согласия хи-квадрат, точный критерий Фишера, математическая статистика.

Полный текст статьи:
SinotovaSoavtors_1_20_1.pdf

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПОДБОРА АНТИДОТОВ, НЕЙТРАЛИЗУЮЩИХ ТОКСИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА КОМПОНЕНТЫ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ


УДК 501, 004.942, 615.91
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.28.1.028

И.М. Ажмухамедов, Л.И. Жарких


Изучение воздействия токсикантов на живой организм для подбора эффективных антидотов обычно проводят в режиме in vivo или, по крайней мере, in vitro, что является весьма трудоемким и затратным. Кроме того, такие исследования далеко не всегда возможны исходя из этических соображений. Проведение экспериментов на живых существах в подавляющем большинстве стран весьма жестко законодательно регламентировано. Для исключения или, по крайней мере, резкого уменьшения количества экспериментов in vivo целесообразно использование аппарата математического моделирования. Исходя из этого в работе описаны основные этапы математического моделирования процесса межмолекулярного взаимодействия молекул клеточной мембраны с токсикантами и антидотами к ним. Основная идея работы заключается в изучении процесса образования устойчивых связей молекул токсикантов и антидотов с молекулами компонентов клеточной мембраны путем выявления активных центров данного взаимодействия. Для этого построены специальные алгоритмы описания структуры конгломерата двух молекул, анализа и оценки образования водородной связи между ними. При этом комплексно используются аппараты системного анализа, квантово-химических расчетов и модульного программирования для расчета свойств отдельных молекул и конгломерата в целом. Вся полученная информация сохраняется в специально спроектированных базах данных. Для более наглядного представления результатов предложена оригинальная схема отображения сигнатур блокированных активных центров клеточной мембраны для рассматриваемых антидотов. Изложенная в статье методика компьютерного моделирования позволяет вести целенаправленный поиск антидотов к заданному токсиканту, путем создания ранжированного по степени эффективности антидотов списка.

Ключевые слова: активные центры межмолекулярного взаимодействия, сигнатура активных центров компонентов клеточной мембраны, идентификация мембраны клеток различных органов живых организмов, блокированные антидотом активные центры токсического воздействия.

Полный текст статьи:
AzhmukhamedovZharkikh_1_20_1.pdf

ПОРТАЛ ДИСТАНЦИОННОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ «НЕЙРОДОМ»: РЕАЛИЗАЦИЯ И ТЕСТИРОВАНИЕ


УДК 378.146 +004.031.42
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.28.1.017

Т.Н. Иванилова, И.В. Василенко, В.А. Семенов, М.А. Днепровская, Ю.А. Юринский, Ш.З. Мирбадиев, С.В. Прокопенко, С.А. Субочева


Дистанционная нейрореабилитация относится к области телемедицины и позволяет проводить восстановление нарушенных функций организма в следствии спинальных травм, черепно-мозговых травм, инсульта, инфаркта, рассейянного склероза и т.п. на третьем этапе медицинской реабилитации. Портал предназначен для создания непрерывной реабилитации в домашних условиях с осуществлением обратной связи с врачом; своевременной корректировкой индивидуальной траектории реабилитации пациента; контроля результатов реабилитации путем онлайн мониторинга состояния здоровья пациента с помощью встроенной в систему функции записи видео. Выполнение комплекса упражнений с помощью информационно-коммуникационных технологий в дистанционном формате позволит оптимально повысить физический, психический и социальный потенциал пациента, для лучшей интеграции его в обществе. В статье описаны и представлены результаты тестирования портала дистанционной нейрореабилитации: тестирование безопасности, функциональное тестирование по ролям (врач, пациент, администратор) сайта проверено с помощью тест-кейсов; тестирование производительности; для usability – тестирования проведен опрос на реальных пациентах и составлено процентное соотношение; тестирование мобильной версии с помощью инструмента adaptivator, который выявил плюсы и минусы мобильной версии. Тестирование портала проводилось на 20-ти реальных пациентах. Выявленные ошибки в ходе тестирования дистанционного портала устранены. Портал находится на этапе внедрения в Профессорскую клинику КрасГМУ им. Профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого.

Ключевые слова: дистанционная нейрореабилитация, телемедицина, информационная система, процесс тестирования сайта, тест-кейс.

Полный текст статьи:
IvanilovaSoavtors_1_20_1.pdf

ДИАГНОСТИКА РАННИХ СТАДИЙ НАРУШЕНИЙ ВНИМАНИЯ НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ НЕЧЕТКИХ РЕШАЮЩИХ ПРАВИЛ


УДК 615.47
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.031

А.В. Поляков, С.Н. Родионова, Н.Л. Коржук, Л.В. Стародубцева


Работа посвящена повышению качества дифференциальной диагностики ранних стадий нарушений когнитивных функций внимания в условиях нечеткого описания исследуемых классов состояний.Для оценки функций внимания используется прибор, разработанный на кафедре биомедицинской инженерии ЮЗГУ, позволяющий определять такие свойства внимания как концентрированность, объём, селективность, переключаемость, распределяемость и устойчивость. В качестве математического аппарата используется методология синтеза гибридных нечетких решающих правил. Базовым элементом которых является функция принадлежности к исследуемым классам состояний (норма, легкие когнитивные нарушения, умеренные когнитивные нарушения, начальная клиническая стадия) с базовой переменной, определяемой по шкалам выбранных свойств внимания.Решение о классификации принимается по максимальной величине анализируемых функций принадлежности.Полученные математические модели позволяют диагностировать ранние стадии нарушений всех исследуемых функций внимания. Экспертное доверие к полученным математическим моделям превышает величину 0,8. Если совместно с показателями внимания использовать дополнительные показатели, характеризующие функциональный резерв, уровни психоэмоционального напряжения и утомления, и энергетический разбаланс меридианных структур организма, уверенность в правильной классификации ранних стадий нарушений функций внимания достигает величины 0,9, что позволяет рекомендовать полученные результаты в практической психологии и медицине.

Ключевые слова: ранняя стадия когнитивных нарушений внимания, гибридные решающие правила, функции принадлежности, уверенность в правильной классификации.

Полный текст статьи:
PolyakovSoavtors_4_19_1.pdf

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЕМ И ПАРАМЕТРАМИ ФОКАЛЬНОГО ПЯТНА ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ ХИРУРГИИ


УДК 534.222
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.007

Е.Г. Домбругова, Н.Н. Чернов


Работа посвящена апробации способа управления местоположением и параметрами фокального пятна при помощи изменения физических характеристик согласующего слоя. Предложен метод определения скорости звука в согласующем слое, необходимом для корректировки местоположения фокального пятна, путем расчета среднетолщинной скорости звука в биологических тканях, располагающихся на пути распространения ультразвуковых волн. Приведены описание экспериментальной установки и методика проведения исследований. Оценено влияние изменения физических параметров согласующего слоя на распределение амплитуды давления во фронтальном срезе акустического поля, создаваемого ультразвуковым излучателем при изменении угла его наклона относительно границы раздела сред. Приводится сравнение экспериментальных данных с результатами математического моделирования, выполненного при тех же вводных параметрах. Приведены результаты расчетов акустического поля, создаваемого фокусирующей антенной решеткой в слоисто-неоднородной среде – имитационных слоях – и оценено влияние изменения физических характеристик согласующего слоя на пространственное распределение амплитуды акустического давления в фокальной области. Результаты исследований показали возможность использования согласующего слоя с расчетными параметрами для управления местоположением фокального пятна в направлении распространения ультразвуковых волн. Разработанный способ корректировки местоположения фокального пятна можно использовать как для антенных решеток, так и для единичных излучателей, имеющих форму сферического сегмента.

Ключевые слова: среднетолщинная скорость звука, экспериментальная установка, фокусированный ультразвук, согласующий слой, преломление ультразвуковых волн.

Полный текст статьи:
DombrugovaChernov_4_19_1.pdf