Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. БИОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛЕТОЧНЫХ
МЕМБРАН 9
1Л Общая характеристика липидов 9
1.L1 Состав липидов клеточных мембран , 10
1.1.2 Информативная значимость исследования состава липидов 17
1.2 Количественные методы в исследованиях 22
1.2 J Статистические методы 22
L2.2 Нейросетевые технологии или искусственные нейронные сети.... 25
1.3 Особенности обработки биомедицинскоИ информации 28
L3.1 Направления применения методов математического
моделирования при кардиалъной патологии 28
L3.2 Возможности и преимущества иейросетевых исследований в
медицине 30
L3,3 Использование нейронных сетей в прогнозировании и диагностике
32
ГЛАВА 2, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
2-1 Характеристика экспериментальных данных 41
2Л.1 Предмет исследования и описание данных 41
2.1.2 Информационно-логическая модель базы данных 43
2Л.ЗшПринципы группировки и характеристика обследуемых 47
2.2 Анализ биомедицинских данных 51
Предварительный анализ данных. Выявление статистических зависимостей между признаками. Определение информативных признаков. 51
Классические методы классификации данных 61
2.3 Методология нпйросетевого моделирования 63
Основные принг^ипы функционирования нейронных сетей:. 63
Парадигма обучения "сучителем" и процесс обучения сети, 70
2.33 Алгоритм обучения с помогцью обратного распространения ошибки
2.3.4 Генетический алгоритм поиска в искусственных нейронных сетях
73
ГЛАВА 3. ФОСФОЛИПИДЫ КАК МАРКЕРЫ КАРДИАЛЫЮЙ
ПАТОЛОГИИ 74
3.1 Предварительный анализ 74
3. L1 Характеристика состава липидов крови членов семей с наследуемой
кардиальной патологией , 74
3. 1.2 Определение степени взаимосвязи показателей жирных кислот и
тяжести заболевания 78
Установление диагностической значимости жирных кислот эритроцитов крови при сердечно-сосудистых заболеваниях 81
Определение уровня взаимосвязи факторов образа жизни и наследуемых изменений показателей липидного обмена в семьях с кардиальной патологией.,,,.. 87
3.2 Выделение скрытых факторов кардиальной патологии методом
главных компонент 93
Вычисление весовых коэффициентовматрих\ы-модели 93
Ог^енка роли компонент в изучаемом процессе 97
Редукция данных 98
3.3 Классификация обследуемых- 99
3.3,1 Дифференциальная диагностика обследуемых методом
кластерного анализа 99
3.3;2 Выделение вариантов нарушений состава липидов в семьях с
кардиальной патологией 101
3.33 Последовательность обработкгі биомедицинской ииформаїіии... ПО
ГЛАВА 4. ДИАГНОСТИКА СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТЫХ
ЗАБОЛЕВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ НЕИРОСЕТЕВОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ 113
4.1 Нойросетевая классификация биомедицинской информации ИЗ
Создание неиросетевого классификатора клинико-биохимических параметров больных с кардиальной патологией. 113
Использование нейронных сетей для выделения информативных признаков при дифференциальной диагностике сердечно-сосудистых заболеваний, , , 118
4.2 Разработка технологии ранней доклинической и дифференциальной
диагностики сердечно-сосудистых заболеваний 125
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 128
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 152
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 159
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одно из первых мест среди причин смертности в России и'других развитых странах занимает кардиальная патология (Доклады экспертов ВОЗ» 1997), Несмотря на значительные достижения в области диагностики и лечения заболеваний сердца, стала уже угрожающей тенденция к распространению коронарного атеросклероза и обусловленной им ишемической болезни сердца (ИБС) в группах лиц молодого возраста. Одним из значимых факторов в инициации атеросклеротического поражения сосудов является га пер- или дислипидемия. Выявление изменений липидного обмена задолго до появления первых признаков ИБС крайне актуально в современной кардиологии, так как позволяет реализовывать профилактические программы, наиболее результативные на бессимптомных стадиях болезни. Особое место в патогенезе заболеваний сердца и сосудов занимают нарушения в обмене липидов. не только жидкой части крови, но и ее форменных элементов (Сипливая Л.Е., Прокопенко Л.Г., 1994; Безрукова ПА., 1995; Самсонов М.А. и др., 1995; Васильев А.П. и др., 1996).
В настоящее время можно считать установленным, что дислипидемии, обусловленные атеросклерозом, сопровождаются нарушением структуры и функции эритроцитарных мембран (Климов А.Н. и др., 1994; Климов А.Н., Никульчева Н.Г., 1995; Безрукова ПА., 1995; Васильев А.Щ 1996). Первичные нарушения в составе липидов эритроцитов, по данным ряда авторов, является, достаточно тонким "липидным" фактором риска ИБС, проявляющимся значительно раньше, чем изменения в липопротеидах плазмы крови (Новгородцева Т.П., Эндакова Э.А. 1993; Новгородцева Т.П., Эндакова Э.А., Иванов Е.М. 1993; Новгородцева Т.П. и др., 1994; Новгородцева Т.П., Эндакова Э.А., Козычева Е.В., 1994). Структурно-функциональное состояние эритроцитарной мембраны зависит от природы фосфолнпидов (ФЛ) и входящих в их состав жирных кислот (ЖК)» Информативность и диагностическая значимость ФЛ и ЖК доказана
многочисленными исследованиями (Самсонов М.А., 1995; Foote K.D. et alM 1991; Bierve K.S., 1993; van Houwelingen Л.С. et аЦ 1995). Однако лишь единичные публикации посвящены их использованию в ранней доклинической диагностике ИБС (Новгородцева Т.П., Эндакова Э.А., 1993)-Отсутствуют четкие критерии прогноза и дифференцированной диагностики сердечно-сосудистых, заболеваний, С другой' стороны, в медицине наблюдается непрерывный.рост информации, обусловленный расширением критериев и методов диагностики. Окончательно не выявлены возможности использования информационных технологий и систем с. учетом различных параметров, играющих роль в развитии заболевания, а также факторов риска, таких как наследственность, пол, возраст, особенности образа жизни.
В связи с этим актуальным является установление степени взаимосвязи показателей мембранных липидов и тяжести патологических» проявлений сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ), разработка диагностических критериев, по которым можно судить не только об изменении состава ФЛ и ЖК» но и нарушениях их метаболических превращений, сопровождающих формирование патологического процесса.
Цель исследования: Выявить индикаторы формирования кардиальной патологии для прогнозирования развития и течения сердечно-сосудистых заболеваний.
Для эффективного достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
L Установить взаимосвязи биохимических и клинических параметров при формировании кардиальной патологии (КП),
Выявить информативные признаки формирования кардиальной патологии посредством статистических методов и нейросстевого моделирования..
Установить факторы, влияющие на формирование кардиальной патологии и провести их классификацию,
Определить типы метаболических нарушений мембранных липидов в семьях с кардиальной патологией.
5. Разработать технологию ранней, доклинической и дифференциальной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний.
Методы исследования. Для достижения цели диссертации использовались как методы математической статистики, а именно: методы описательной статистики для вычисления общеупотребительных выборочных характеристик и проверки гипотез о принадлежности двух выборок одной совокупности» дисперсионный анализ, канонический корреляционный анализ, метод главных компонент, кластерный анализ (метод ^-средних), так и методы нейросетевого моделирования.
Научная новизна. Впервые различными математическими методами доказана значимая взаимосвязь между степенью тяжести заболевания и структурно-функциональным состоянием эритроцитарных мембран; информативность жирных кислот эритроцитов крови и факторов атерогешюсти сыворотки крови в диагностике основных групп ССЗ, определены критерии их дальнейшего использования в медицинской практике.
Впервые с помощью методов многомерного статистического анализа выделены варианты нарушений состава липидов в семьях с кардиальной патологией.
Создан диагностический классификатор на базе нейро-информационных технологий, позволяющий с точностью до 97,5 % выявлять скрытые и явные проявления сердечно-сосудистой патологии, сопровождающиеся различными вариантами структурных дислипидемий.
Обоснована возможность использования теоретических положений и подходов к применению предложенной информационно-аналитической технологии в качестве основы для создания диагностических систем других заболеваний.
Практическая значимость. Созданная компьютерная версия истории болезни кардиологического больного позволяет свести заполнение истории болезни у подготовленного медицинского персонала к минимальному' времени и. значительно сократить ресурсы, необходимые для хранения и
обработки биомедицинской информации. Разработан способ, позволяющий с высокой степенью достоверности определять степень тяжести заболевания и тип нарушений семейной кардиальной патологии с использованием многомерных статистических методов обработки данных и нейросетевого моделирования.
Результаты исследования внедрены в клинике НИИ медицинской климатологии и восстановительного лечения^ ООО «Санаторий Строитель». В созданном на базе НИИ медицинской климатологии и восстановительного лечения СО РАМН "Липидном кабинете" предложенные автором критерии диагностики успешно используются для выявления патологий липидного обмена, что способствует раннему установлению начальных этапов формирования семейной сердечно-сосудистой патологии.
Технология ранней и дифференциальной диагностики может быть рекомендована, для практического применения1 в стационарах и поликлиниках, при диспансерных осмотрах в семьях больных кардиальной патологией.
Важным преимуществом разработанной автором информационно-аналитической технологии является возможность прогнозирования характера развития ИБС у детей и внуков больного, что может быть востребовано для проведения целенаправленной семейной профилактики. Получен патент РФ "Способ прогнозирования сердечно-сосудистой патологии у потомков больных ишемической болезнью сердца11.
Апробация работы. Результаты и методика исследований были представлены и обсуждены на научных конференциях различного уровня. В том числе: на 3-й Дальневосточной конференции студентов и аспирантов по математическому моделированию (г. Владивосток, 1999 г,)> Российском национальном конгрессе кардиологов "Кардиология, основанная на доказательствах" (г. Москва, 2000 г.), III Международной научно-практической конференции иНаука-техника-технологии на рубеже третьего тысячелетия" (г, Находка, 2001 г,), 2-й Всероссийской научно-практической конференции "Информационные технологии в экономике, науке и
образовании" (г. Бийск, 2001 г.)> 6-й Дальневосточной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по математическому моделированию (г, Владивосток, 2002. г.)т. 5-й Всероссийской научной конференции с международным участием молодых ученых и аспирантов-"Новые технологии. Разработка и аспекты применения" (г. Таганрог,
2002 г.).
Результаты и основные положения диссертации обсуждены на заседаниях Ученого совета НИИ медицинской климатологии и восстановительного лечения СО РАМН в мае 2001 г., апреле 2002 г., декабре
2003 г.
Доклад на тему «Выделение системы диагностических показателей-кардиальной патологии методом канонической корреляции» на 3-й Дальневосточной конференции студентов и аспирантов по математическому моделированию отмечен дипломом за лучшую научную работу.
Личный вклад автора заключается в постановке задач, структурировании базы данных, анализе данных; выборе математических методов обработки биомедицинских данных, создании информационно-аналитической технологии их обработки, реализации данной технологии в программном виде на ПК. Проанализированы результаты моделирования. Предложены методические подходы для исследования биомедицинских данных.
Публикации по теме диссертации. По основным результатам проведенных исследований опубликовано 14 работ: 9 статей, из них 3 - в рецензируемых научных журналах, 1 - в международном издании, 4 - в сборниках тезисов докладов. Получен один патент РФ па изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений общим объемом 160 страниц: Список использованной литературы включает 206 источников, из них 111 на русском языке. Работа содержит 11 рисунков, 31 таблицу.
