Введение к работе
Актуальность темы На современном этапе развития медицины, наряду с традиционными направлениями, широкое применение в общеобразовательных учреждениях, спорте, экологии и на производстве получили профилактическая и оздоровительная медицина Если до недавнего времени основным объектом изучения являлся организм в состоянии нарушения здоровья, то теперь большая доля методов исследования направлена на профилактику и предупреждение заболевания, выявление функционального состояния и адаптационных возможностей организма, поскольку от этого зависит эффективность функционирования любой системы
В настоящее время отсутствуют показатели, характеризующие в полной мере такой важный параметр, как функциональное состояние Существующие методы базируются на эмпирических наблюдениях и, как правило, не имеют четко выраженной физиологической основы, при этом не учитываются многочисленные факторы, оказывающие как непосредственное, так и косвенное влияние При изучении такого сложного многоуровневого и многосвязного динамического объекта, каким является организм человека, при исследовании его как системы «черный ящик», во многих прикладных задачах медицины на современном этапе является неприемлемым Построение аналитической модели при оценке функционального состояния без использования системного подхода, в принципе невозможно, поскольку многоуровневые обратные связи имеют сложное аналитическое представление Во многих работах по физиологии организм рассматривается как сложная динамическая система, взаимодействующая с внешней средой, то необходимо изучение связи элементов внешней среды, биологического объекта и измерительной системы в рамках единого системного похода Исследование и построение измерительных систем в рамках такого направления является актуальным при изучении сложных биологических систем, поскольку устанавливает однозначную связь объекта и инструмента измерения, обеспечивает необходимую точность и достоверность при анализе и принятии решения
В данной работе предложен синтез нового класса измерительной системы - биоинструментальной информационно-измерительной системы, в которой первичным преобразователем входного воздействия является сам биологический объект. При этом, в биоинструментальной ИИС выделены две подсистемы биопреобразователь и инструментальный преобразователь
Биопреобразователь содержит модель исследуемого объекта и модель преобразования входного воздействия, инструментальный преобразователь осуществляет сбор, обработку и анализ информации, на основе знаний о биопреобразователе При таком подходе наглядно представляется связь между входным воздействием на систему и выходом, что позволяет проводить метрологический анализ системы, и вести речь о достоверности постановки диагноза
В результате проведенного исследования объекта измерения, как источника информации, и изучения предметной области применения вариабельности сердечного ритма, были определены физиологическая модель, математический
аппарат формализации модели, и сформулированы цели диссертационной работы
Цель работы Синтез новой биоинструментальной информационно-измерительной системы оценки функции адаптации и функционального состояния организма, путем исследования одного системного параметра - вариабельности сердечного ритма
Для достижения данной цели решены следующие задачи
проведен анализ существующих подходов к исследованию адаптационных возможностей организма и оценки функционального состояния по вариабельности сердечного ритма,
построена формальная модель объекта измерения, и представлена структура информационных потоков,
разработана структура биоинструментальной измерительной системы,
разработана методика оценки адаптивных возможностей на базе математического аппарата нелинейной динамики,
проведены измерительные эксперименты, подтверждающие адекватность биоинструментальной ИИС
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы теории функциональных систем Анохина-Судакова, системного анализа, структурные методы, теории множеств, теории категорий и функторов, математический аппарат нелинейной динамики
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной
Метод синтеза структуры информационных потоков управления сердечным ритмом в рамках теории категорий и функторов, отличающийся тем, что физиологические объекты представлены объектами категорий, а взаимосвязи отображениями - морфизмами и функторами, позволяет наглядно представить сложный процесс функции адаптации, и адекватно интерпретировать показатели маїематической обработки био югического сигнала,
Впервые разработана структурная модель адаптивных контуров управления сердечным ритмом и функциональным состоянием организма, основанная на аппарате категорий и функторов В рамках модели дана физиологическая интерпретация результатов нелинейно-динамического анализа, позволяющая исследовать и оценивать как количественно, так и качественно процесс адаптации,
Определен новый класс информационно-измерительных систем - биоинструментальная ИИС, в которой первичным преобразователем входного воздействия является исследуемый биологический объект, что позволяет конкретизировать исследование свойств биообъекта и повысить качество диагностики
Практическая ценность исследования заключается в следующем
на основе предложенной модели управления сердечным ритмом проведен
синтез биоинструментальной ИИС,
проведен метрологический анализ, и представлены категории погрешностей биопреобразователя и инструментального преобразователя,
проведена серия экспериментов, в которых подтверждена адекватность измеряемых параметров процессу идентификации адаптивных контуров
Применение разработанной модели идентификации адаптивных контуров управления сердечным ритмом позволяет повысить качество профилактических и реабилитационных мероприятий
Внедрение результатов работы.
Основные теоретические и практические результаты приняты к использованию в МЛПУ "Пушкинская районная больница им профессора Розанова В Н" (городская поликлиника) г Пушкино Московской области
Результаты работы использованы в госбюджетной научно - исследовательской работе в соответствие с темой № 31-53/429-04 «Разработка методов синтеза сложных измерительных систем на базе нейронных сетей», выполняемой в настоящее время на кафедре вычислительной техники ВолгГТУ по плану Минобразования РФ Отдельные теоретические и практические результаты использовались в учебном процессе ВолгГТУ при проведении практических работ по дисциплинам «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий» и «Организация работы сложных измерительных комплексов системы»
Апробация работы. Основные положения и материалы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях XI Региональной конференции молодых исследователей Волгої радской области (Волгоград, ВолгГТУ 2004 г), Межвузовском научно-техническом семинаре кафедры «Радиотехнические системы» (Самара, СамГТУ, 2004), Всероссийской конференции с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» по направлению «Новые информационные технологии в диагностике и лечении заболеваний» (Волгоград, ВолГМУ, 2006), а также на научных семинарах кафедры ВТ ВолгГТУ( 2004-2007)
Положения, выносимые на защиту.
-
Метод исследования функции адаптации организма с помощью биоинструментальной информационно-измерительной системы, заключающийся в том, что биообъект представлен, как входная подсистема преобразования внешнего воздействия в биомедицинский сигнал, который обрабатывается инструментальной частью с целью идентификации состояния и электронного документирования
-
Метод формализации функции адаптации сложной системы (в данном случае организма), состоящий в том, что компоненты управления системным процессом (в данном случае сердечным ритмом) определены как объекты категорий, а взаимосвязи между ними отображениями - функторами и морфиз-мами, что позволяет представить основные и частные информационные потоки, существующие в системе управления на уровне отображений, и не требует аналитических соотношений
6 III Алгоритм математического исследования функции адаптации, обеспечивающий реализацию процедур диагностики и прогнозирования функционального состояния при профилактике и реабилитации
Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных журналах и сборниках трудов международных и межвузовских конференций, из них три работы в журналах по перечню журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ
Личный вклад автора заключается в проведении следующих этапов о теоретические исследования при решении задач работы, о построена математическая модель функции адаптации организма и адаптивных контуров управления сердечным ритмом, о предложена шкала адаптации и показатель скорости адаптации, в рамках аппарата нелинейной динамики, о изготовление системы, программного обеспечения, проведение метрологического анализа и серии биомедицинских экспериментов
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и включает 158 страниц, 33 рисунка и 5 таблиц
