Архив рубрики: Биотехнические и медицинские системы

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЫБОРА СХЕМ ПРОФИЛАКТИКИ РЕЦИДИВА ГАНГРЕНЫ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

УДК 615.47

А.В. Быков, Н.А. Кореневский , С. А. Пархоменко, Л.В. Стародубцева, Е.Н. Кореневская


Работа посвящена актуальной проблеме повышения качества оказания помощи больным, страдающим критической ишемией нижних конечностей, переходящей в гангрену, которая может закончиться ампутацией и даже смертью. В ходе проведенных исследований было показано, что задача прогнозирования возникновения и развития гангрены нижних конечностей относится к классу плохоформализуемых задач с нечеткой структурой данных, что послужило основанием для выбора в качестве базового аппарата исследований методологии синтеза гибридных нечетких решающих правил. В ходе синтеза нечетких решающих правил был обоснован выбор информативных признаков, получаемых в ходе опросов и осмотров, инструментальных и лабораторных методов исследования. В качестве базовых элементов нечетких решающих правил получены функции принадлежности к классу высокий риск развития гангрены, которые агрегируются в нечеткое правило оценки уверенности в том, что у пациента разовьется гангрена нижних конечностей. На шкале уверенности в развитии гангрены эксперты определили вторичные функции принадлежности к таким прогнозируемым классам состояний пациента как: I – низкая уверенность в развитии гангрены; II – средняя уверенность в развитии гангрены; III – высокая уверенность в развитии гангрены; IV – очень высокая уверенность в развитии гангрены. Решение о классификации принимается по максимальному значению прогностических функций принадлежности. Проведенное математическое моделирование и экспертное оценивание полученных нечетких моделей показало, что их прогностическая уверенность составляет не менее 0,9. Это же качество прогнозирования было подтверждено в ходе статистических испытаний на контрольных выборках объемом 100 человек на каждый класс по таким показателям как диагностическая специфичность, чувствительность и эффективность, а также прогностическая значимость положительных и отрицательных результатов. Полученные результаты позволяют рекомендовать предлагаемые математические модели к использованию в практике работы сердечно-сосудистых хирургов и ангиологов.

Ключевые слова: гангрена, нижние конечности, прогнозирование, математическая модель, нечёткая логика, профилактика, модель Г. Раша.

Полный текст статьи:
BykovSoavtors_4_18_1.pdf

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЫБОРА СХЕМ ПРОФИЛАКТИКИ РЕЦИДИВА ГАНГРЕНЫ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

УДК 616.31

Н.А. Кореневский , Т.И. Субботина,И.И. Хрипина,С.А. Пархоменко ,С.Н. Родионова


Работа посвящена актуальной проблеме повышения качества оказания помощи больным, страдающим критической ишемией нижних конечностей, переходящей в гангрену, которая может закончиться ампутацией и даже смертью. В ходе проведенных исследований было показано, что задача прогнозирования возникновения и развития гангрены нижних конечностей относится к классу плохоформализуемых задач с нечеткой структурой данных, что послужило основанием для выбора в качестве базового аппарата исследований методологии синтеза гибридных нечетких решающих правил. В ходе синтеза нечетких решающих правил был обоснован выбор информативных признаков, получаемых в ходе опросов и осмотров, инструментальных и лабораторных методов исследования. В качестве базовых элементов нечетких решающих правил получены функции принадлежности к классу высокий риск развития гангрены, которые агрегируются в нечеткое правило оценки уверенности в том, что у пациента разовьется гангрена нижних конечностей. На шкале уверенности в развитии гангрены эксперты определили вторичные функции принадлежности к таким прогнозируемым классам состояний пациента как: I – низкая уверенность в развитии гангрены; II – средняя уверенность в развитии гангрены; III – высокая уверенность в развитии гангрены; IV – очень высокая уверенность в развитии гангрены. Решение о классификации принимается по максимальному значению прогностических функций принадлежности. Проведенное математическое моделирование и экспертное оценивание полученных нечетких моделей показало, что их прогностическая уверенность составляет не менее 0,9. Это же качество прогнозирования было подтверждено в ходе статистических испытаний на контрольных выборках объемом 100 человек на каждый класс по таким показателям как диагностическая специфичность, чувствительность и эффективность, а также прогностическая значимость положительных и отрицательных результатов. Полученные результаты позволяют рекомендовать предлагаемые математические модели к использованию в практике работы сердечно-сосудистых хирургов и ангиологов.

Ключевые слова: гангрена, нижние конечности, прогнозирование, математическая модель, нечеткая логика.

Полный текст статьи:
KorenevskiySoavtori_4_18_1.pdf

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РЕЦИДИВА ИНСУЛЬТОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ НЕЧЕТКИХ МОДЕЛЕЙ

УДК 616-005.4

Н.А. Кореневский, А.В. Быков, Е.В. Цымбал, В.В. Аксёнов,
Д.С. Родионов


Работа посвящена актуальной проблеме повышения качества и оперативности прогнозирования возникновения и рецидивов инсульта головного мозга за счет использования методологии синтеза гибридных нечетких математических моделей, разработанной на кафедре биомедицинской инженерии Юго-Западного государственного университета. В ходе проведенных исследований было сформировано пространство информативных признаков, объединенных в три подгруппы: данные опросов и осмотров; инструментальные методы исследования; ультразвуковая допплерография (всего 27 признаков). В соответствии с общей методологией синтеза гибридных нечетких решающих правил используя информативные признаки как базовые переменные в интерактивном режиме получены соответствующие функции принадлежности к классам высокий риск возникновения и рецидивов инсульта головного мозга по которым, с использованием модифицированных моделей Е. Шортлифа, синтезированы финальные прогностические модели.В результате экспертного оценивания и математического моделирования было показано, что полученные модели возникновения и рецидивов инсульта головного мозга обеспечивают уверенность в правильном прогнозе на уровне 0,9 и выше в зависимости от количества и качества информации собираемой о состоянии пациента. Этот показатель качества был подтвержден в ходе статистических испытаний на репрезентативных контрольных выборках, что позволяет рекомендовать их для использования в практике сосудистых хирургов и врачей ангиологов.

Ключевые слова: инсульт головного мозга, функции принадлежности, уверенность в принимаемом решении, прогноз.

Полный текст статьи:
KorenevskiySoavtori_3_18_1.pdf

МОДЕЛИРОВАНИЕ В 3D-ПАКЕТЕ И БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ КРОВЕНОСНЫХ СОСУДОВ, ПИТАЮЩИХ МОЗГ

УДК 534.7

Н.Н. Чернов , Н.П. Заграй ,М.В. Лагута ,А.Ю. Вареникова


В работе дано обоснование актуальности использования нелинейности биологических тканей при разработке методов ультразвуковой визуализации внутренних структур. Рассмотрены уравнения, лежащие в основе взаимодействия акустической волны с нелинейной биологической средой. В качестве основного уравнения, описывающего прохождение акустической волны, было принято уравнение простой волны. Оно было выбрано в связи с тем, что при небольших расстояниях, порядка десяти сантиметров затухание акустического сигнала не учитывается. В работе даны его описание и граничные условия. На его основе получено уравнение, описывающее поле вторичных источников внутри неоднородной биологической среды, состоящей из нескольких слоев с различными значениями нелинейного параметра. В качестве параметра акустической волны, на основе которого может проводиться восстановление распределения нелинейного параметра биоткани, была выбрана колебательная скорость. Проведено численное моделирование распределения амплитудных значений поля колебательной скорости волны второй гармоники для этой среды. При проведении расчетов использовалась трехмерная система координат. Для удобства проведения расчетов и представления результатов, толщина биологической неоднородной ткани была сведена к минимуму, относительно координаты Z. Результаты расчетов представлены в виде матрицы распределения значений колебательной скорости в плоскости. Проведен анализ полученных результатов численного моделирования.

Ключевые слова: ультразвуковая визуализация, томография, нелинейный параметр, поле вторичных источников.

Полный текст статьи:
ChernovSoavors_3_18_1.pdf

МОДЕЛИРОВАНИЕ В 3D-ПАКЕТЕ И БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ КРОВЕНОСНЫХ СОСУДОВ, ПИТАЮЩИХ МОЗГ

УДК 612.76

Г. Башарова , П.И. Бегун ,О.В. Тихоненкова


Актуальность проведенного исследования обусловлена необходимостью междисциплинарного подхода к методам диагностики и лечения всё возрастающего числа заболеваний брахицефальных артерий, питающих головной мозг. В связи с этим разработаны алгоритм и методика оценки состояния кровотока в кровеносных сосудах, питающих мозг в норме, при патологических изменениях и коррекции. При выполнении работы использованы компьютерные томограммы и ангиограммы сосудов головного мозга человека компьютерные программы SolidWorks, Сosmos,. По срезам томограмм в программе SolidWorks построены трехмерные компьютерные модели брахицефальных артерий с Виллизиевом кругом. В программе Сosmos проведен анализ напряженно-деформированного состояния сосудов, а в программе Ansys анализ кровотока. Механические свойства структур сосудистого русла введены для людей пожилой возрастной группы (65-75 лет). Проведен анализ скорости кровотока в сосудистом русле при различном уровне стеноза, как в левой так, и одновременно обеих внутренних сонных артериях. Анализ влияния геометрических параметров атеросклеротического осложнения в узле бифуркации, а кровоток в Виллизеевом круге. Перекрытие левой внутренней сонной артерии на 70% вызывает резкое увеличение скорости кровотока в средней мозговой артерии и передней соединительной артерии.

Ключевые слова: брахицефальные артерии, кровоток, стеноз, компьютерные моделирование, скорость, давление.

Полный текст статьи:
BasharovaSoavtori_3_18_1.pdf

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТОАКУСТИЧЕСКОЙ ПРОТОЧНОЙ ЦИТОМЕТРИИ

УДК 534:535

Д.В.Орда-Жигулина, М.В.Орда-Жигулина, И.Б.Старченко, Д.А.Кравчук


В современных биомедицинских исследованиях наблюдается тенденция к применению все большего количества неинвазивных технологий, из чего следует, что новые способы диагностики, в частности, базирующиеся на оптоакустическом эффекте, являются актуальными задачами для исследований. В данной статье приведено описание экспериментальной установки для исследования спектра акустического сигнала в неподвижной и движущейся модельной жидкости в присутствии наноразмерных объектов в качестве контрастных агентов при оптоакустическом преобразовании. Оптоакустические медицинские исследования представляют собой гибридные способы диагностики состояния объектов исследования с помощью ультразвуковых и лазерных методов, в которых по восстановлению распределения источников акустического сигнала в исследуемом объекте, то есть по форме временной реализации сигнала, можно делать выводы об объектах исследования. Объектами исследования при оптоакустических методах являются ткани и вещества, которые способны поглощать и отражать световые волны, в том числе биологические жидкости и ткани, к которым, например, относится кровь. В статье приведено подробное описание экспериментальной установки. В результате проведенного эксперимента была получена спектральная характеристика акустического сигнала для неподвижной и движущейся жидкости, обсуждены результаты и сделаны выводы про влияние скорости потока на суммарное акустическое поле, возникающее в результате оптоакустического преобразования. Разработанная экспериментальная установка и полученные результаты могут использоваться для проверки теоретических расчетов при разработке технологии оптоакустической проточной цитометрии.

Ключевые слова: оптоакустический эффект, проточная цитометрия, акустический сигнал, углеродные нанотрубки, лазерное возбуждение звука, экспериментальные исследования.

Полный текст статьи:
Orda-ZhigulinaSoavtori_3_18_1.pdf

НЕЧЕТКИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ СЕЛЬСКО-ХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАБОЧИХ КОНТАКТИРУЮЩИХ С ЯДОХИМИКАТАМИ

УДК 618+616-009.8

Н.А. Кореневский, Р.В. Степашов, Р.А. Крупчатников, В.В. Аксёнов,
Н.Л. Коржук


Работа посвящена решению актуальной задачи повышения качества медицинского обслуживания работников агропромышленного комплекса, контактирующих с сельскохозяйственными ядохимикатами. В ходе проведенных исследований было показано, что задачи прогнозирования и ранней диагностики профессиональных заболеваний сельскохозяйственных рабочих занятых в растениеводстве относятся к классу плохоформализуемых задач с нечеткой структурой данных, что послужило основанием для выбора в качестве базового аппарата исследований методологии синтеза гибридных нечетких решающих правил. В ходе синтеза нечетких решающих правил было установлено, что для достижения высокого качества принятия решений кроме факторов риска связанных с ядохимикатами в качестве информативных признаков следует использовать уровень психоэмоционального напряжения, утомления и эргономичности используемой сельхозтехники, экологические факторы риска, индивидуальные особенности организма и др. В качестве конкретного примера описан вариант применения предложенного метода и информационно-аналитической модели при синтезе моделей прогнозирования и диагностики заболеваний нервной системы от воздействия на организм человека ядохимикатов, содержащих нитраты. В ходе математического моделирования и экспертного оценивания было показано что уверенность в принимаемых решениях превышает величину 0,85. Практическое применение предложенных в работе метода и моделей позволит повысить качество оказания медицинских услуг работникам агропромышленного комплекса обеспечив повышение работоспособного возраста и снижение инвалидизации.

Ключевые слова: агропромышленный комплекс, профессиональные заболевания, прогнозирование, ранняя диагностика, нечеткие гибридные модели.

Полный текст статьи:
KorenevskiySoavtori_3_18_2.pdf

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПИСАНИЯ РАБОТЫ МОБИЛЬНОЙ МЕДИЦИНСКОЙ БРИГАДЫ

УДК 519.863

В. Н. Колпачев, Н. А. Селезнева


С целью повышения доступности медицинской помощи и качества оказания медицинских услуг жителям отдаленных, труднодоступных районов и малочисленных населенных пунктов в отдельных регионах Российской Федерации осуществляется развитие выездных форм работы с применением мобильных медицинских комплексов, обслуживаемых мобильными медицинскими бригадами. Построение оптимального расписания работ, то есть последовательности работ, обеспечивающей их завершение не позже заданных сроков, является необходимым этапом календарного планирования выездов мобильных медицинских бригад. При решении этой задачи важно учитывать время перемещения мобильных медицинских бригад и схемы, по которым будет осуществляться их доставка к пунктам выполнения медицинских работ, что, в свою очередь, может определяться метеорологическими, природно-климатическими, географическими условиями в регионе, площадью территории, плотностью расселения жителей, моделью размещения населенных пунктов и поселений на отдельных территориях и другими причинами. В статье рассматриваются модели и алгоритмы, соответствующие некоторым частным постановкам задачи определения оптимальной очередности выполнения работ мобильной медицинской бригадой с учетом времени ее перемещения между пунктами дислокации. Приводится пример применения рассмотренных структур. Выделяются актуальные проблемы в сфере здравоохранения, одним из инструментом исследования которых могут служить приведенные в статье модели и алгоритмы.

Ключевые слова: мобильная медицинская бригада, доступность медицинской помощи, оптимальная последовательность работ, время перемещения бригады.

Полный текст статьи:
KolpachevSelezneva_2_18_1.pdf

КРИТЕРИАЛЬНЫЙ СМЫСЛ ДОВЕРИТЕЛЬНЫХ ГРАНИЦ ВЕРОЯТНОСТИ ЛЕТАЛЬНОСТИ

УДК 519.87

Н.Л. Баяндин, К.Н. Васильев, А.А. Моисеев


Стеноз аортального клапана является наиболее распространенным клапанным пороком и занимает одно из первых мест среди показаний к операции на сердце. При этом с увеличением продолжительности жизни распространенность аортального стеноза дегенеративного характера резко возрастает. Протезирование аортального клапана является процедурой с хорошими непосредственными и отдаленными результатами. Однако на сегодняшний день увеличивается число пациентов пожилого и старческого возраста, у которых применение вмешательства с искусственным кровообращением сопряжено с повышенным риском развития послеоперационных осложнений. Транскатетерная имплантация аортального клапана является эффективной и безопасной процедурой в лечении аортального стеноза у пациентов высокого хирургического риска и альтернативой открытым операциям в условиях искусственного кровообращения. Актуальность исследования обусловлена разработкой метода оценки доверительных границ вероятности летальности по результатам клинических испытаний. Метод базируется на интерпретации указанной вероятности, как параметра биномиального распределения числа летальных исходов. Использование распределения Стьюдента позволяет рассчитывать критическое значение для ограниченного числа испытаний. При увеличении числа испытаний зависимость критического значения от этого числа практически исчезает и доверительные границы можно интерпретировать как объективные характеристики заболевания и методики лечения. Верхняя доверительная граница в этих условиях является критерием эффективности анализируемой методики – чем эта граница ниже, тем методика эффективнее. В свою очередь, нижняя граница характеризует процент неизбежной летальности. Основной областью применения предложенного метода является сравнительный анализ результатов, полученных для рабочей и контрольной групп, с целью установления эффективности методики лечения. Материалы статьи представляют практическую ценность для сравнительного анализа влияния клинических факторов.

Ключевые слова: клинические испытания, вероятность летальности, доверительные границы, доверительный интервал, критическое значение, распределение Стьюдента, контрольная группа.

Полный текст статьи:
BayadinSoavtori_2_18_1.pdf

МЕТОД КОРРЕКЦИИ ДОЗИРОВКИ ПРЕПАРАТА ПРИ ИНФУЗИОННОЙ ТЕРАПИИ

УДК 616-71

А. О. Николаенко, В. И. Синопальников, А. П. Николаев, Писарева А. В., Писарева А. В., Е. Ю. Барышева, А.С. Немцова , Д. И. Вилкова


Статья посвящена разработке лабораторного макета аппаратно-программного комплекса, предназначение которого в дальнейшем предлагается для регистрации капель в каплеобразующей колбе через возникающие вибрации от каждой капли [5,6]. В дальнейшем планируется увеличить чувствительность датчика, тем самым, повысив уровень безопасности пациентов. Разработанный аппаратно-программный комплекс позволит обеспечить должную безопасность пациента при проведении инфузионной терапии, уведомляя медицинских работников о нарушении установленного режима терапии. Аппаратно-программный комплекс состоит из датчика вибраций на сенсоре SW-420, блока обработки сигнала и системы звукового оповещения. Аналогичные оптические датчики предназначены для детектирования препятствий за счёт освещённости и их отражения [5,6]. Цель работы заключается в разработке устройства контроля объёма вливания препаратов при использовании волюметрических инфузионных насосов для обеспечения безопасности инфузионной терапии [5]. В ходе работы была определена применимость разрабатываемого устройства в условиях реанимационных палат и палат интенсивной терапии. Работа включает в себя разработку технических требований, разработку схемы биотехнической системы, представление структурной схемы, расчеты применимости конструкции, подбор подходящей базы компонентов, и реализацию прототипа устройства для проведения стендовых испытаний. Для испытаний был разработан алгоритм, фильтрующий получаемые данные и, после обработки данных, передающий управляющий сигнал. Разработанный лабораторный макет аппаратно-программного комплекса позволит повысить уровень безопасности для пациента при проведении процедуры инфузионной терапии, так как данное устройство будет иметь возможность дистанционно уведомлять медицинский персонал о случаях нарушения установленного инфузионного режима [5,6]. Исследованиями установлено, что данная система довольно проста в применении, поэтому, как врач, так и другой персонал, предоставляющий медицинскую услугу, сможет самостоятельно устранить вероятную возникшую проблему и, в случае необходимости сможет привести систему в исходное состояние [5]. В дальнейшем планируется повысить чувствительность датчика для регистрации капель и таким образом, мы сможем увеличить уровень безопасности для пациента, который проходит процедуру инфузионной терапии на высоких скоростях в процессе вливания препаратов в организм [5,6].

Ключевые слова: датчик, устройства, инфузомат, компаратор, терапия.

Полный текст статьи:
NikolaenkoSoavtori_1_1_18.pdf