Введение к работе
Актуальность исследования. Метрологическое обеспечение лабораторных исследований представляет собой одну из важнейших проблем, ее решение актуально, так как может обеспечить высокую точность и воспроизводимость результатов анализа, а, следовательно, и повысить достоверность диагностических заключений, формируемых на основании этих результатов.
Полнота и точность знаний о процессах формирования погрешностей в информационно-измерительных системах для аналитических исследований связана не только с самой системой, измеряющей определенные показатели, но и с процессом измерения в целом. При этом процесс измерения включает в себя преаналитический, аналитический и постаналитический этапы работы, поэтому при анализе полной погрешности измерения и ее характеристик, необходимо учитывать в измерительном уравнении не только собственно само измерение, но и остальные факторы, влияющие на конечный результат.
Построение аналитической модели при оценке функционального состояния человека 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, поэтому 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.
Степень разработанности темы.
Повышение качества медицинской помощи: Комаров Ю.М. (2008), Михайлова Н.В. (2009), Хоровская Л.А. (2009), Меньшиков В.В. (2003), Пименова Л.М. (2003), Эмануэль В.Л.(1996)
Стандартизация качества медицинских услуг: Малахов В.Н. (2002), Сапрыгин Д.Б. (2005), Гайдаров Г.М. (1996), Железняк Е.С. (1996), Камаев И.А. (1997), Гусарова Г.И. (2003), Саушева Г.Д. (1993), Рыбкин Л.И. (1993), Ярошенко А.Н. (1996), Поляков И.В. (1997), Абашин Н.Н. (1998), Вишняков Н.И. (1998), Кацул П.С. (1998), Чернова Т.В. (1999), Галлямова Р.У. (2001), КоротковаА.В. (2003),
Теория функциональных биологических систем:Анохин, Судаков К.В. (1987), Гольдберг Е.Д. (1998), Дыгай A.M. (2013)
Теория категорий и функторов:Букур И. (1972), Деляну А.(1972), Маклейн С. (2004), Бурбаки Н. (1986)
Теория последовательного метрологического анализа:Цветков Э.И. (2003)
Теория биоинстументальных ИИСМуха Ю.Щ2013), Королева И.Ю.(2010), Авдеюк О.А.(2003), Антонович В.А. (2005), Бугров А.В.(2009)
Объектом исследованияявляются адаптационные процессы в кроветворной функциональной системе организма под влиянием внешних воздействий.
Предмет исследования-метод, модели и алгоритмы метрологического анализарезультатов измерения множества форменных элементов периферической крови при адаптационных процессах.
Цель работы.Разработка математических моделей, метода и алгоритмов, обеспечивающихметрологический анализ проводимых гематологических клинико-диагностических исследований, за счет использования современных информационных технологий и математического аппарата, основывающегося на теории последовательного метрологического анализа, общей теории функциональных систем и математическом аппарате категорий и функторов, для метрологического анализа результатов работы сложной информационно-измерительной системы для аналитических измерений в гематологии.
Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:
-
Проведен анализ существующих подходов к метрологическому анализу гематологических измерений и построена формальная модель объекта измерения.
-
Синтезирована функциональная модель гемопоэтической системы и представлена структура информационных потоков.
-
Разработана модель структурыбиоинструментальной информационно-измерительной системы (БИИС)ивыделены структурно-аналитические категории адаптационных процессов гемопоэтической системы организма.
-
Разработана методика оценки качества проводимых исследований на базе математического аппарата категорий и функторов и проведены эксперименты, подтверждающие адекватность БИИС.
Методы исследования.Для решения поставленных задач были использованы методы теории функциональных систем в биологии и медицине, методы системного анализа, структурные методы проектирования систем, теории множеств, методы теории категорий и функторов, методы последовательного метрологического анализа, методы модульного и объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
- метод синтеза структуры информационных потоков гемопоэтической системы в рамках теории категорий и функторов, отличающийся тем, что физиологические объекты представлены объектами категорий, а взаимосвязи отображениями - морфизмами и функторами, что позволяет формализоватьадаптационные процессы гемопоэтической системы и адекватно интерпретировать показатели математической обработки биологического сигнала;
структурная модель гемопоэтической функциональной системы организма, основанная на математическом аппарате категорий и функторов,
отличающаяся тем, что позволяетввести структуру биопреобразователя для дальнейшего метрологического анализа, чтобыисследовать и оценивать адаптационные процессы в кроветворной системе организма человека количественно и качественно;
модельбиоинструментальной информационно-измерительной системы, использующейся при аналитических измерениях, отличающаяся тем, что может быть использована в гематологических исследованиях, причем в этой системе первичным преобразователем входного воздействия является исследуемый биологический объект, что позволяет конкретизировать исследование свойств биообъекта;
метод расчета полной погрешности результата подсчета количества форменных элементов периферической крови, основанный на категорно-функторной модели функции адаптации кроветворной системы организма, отличающийся тем, что кроме инструментальной части информационно-измерительной системы анализируется еще и биологическая;
алгоритм оценки достоверности результатов гематологических измерений, на базе которого написан программный комплекс, позволяющий автоматизировать учет погрешностей при анализе результата подсчета количества форменных элементов периферической крови, отличающийся тем, что учитываются погрешности, вносимые как инструментальной так и биологической частью информационно-измерительной системы.
Достоверность исследования обусловлена соответствием разработанных моделей законам нормальной физиологии, корректностью математических выводов, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений и результатами экспериментальных данных, коррелирующими с экспериментальными и литературными данными.
Практическая значимость и результаты внедрения работы.
Разработанные метод, модели и алгоритмы и соответствующее программное обеспечение составили основу для построения системы принятия решений врача-гематолога, предназначенной для уточнения результатов анализа периферической крови, экспериментальные испытания которой показали целесообразность ее использования в медицинской практике. Применение разработанной модели БИИСи программного комплекса позволяет повысить качество профилактических и реабилитационных мероприятий, а также планировать эксперименты, направленные на анализ адаптационных процессов гематологической системы организма человека.
Основные теоретические и практические результаты работы включены в учебный план подготовки студентов по направлению «Биотехнические системы и технологии», Волгоградского государственного медицинского университета, кафедры «Биотехнические системы и технологии» и используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета при подготовке специалистов направления 221700 «Стандартизация и метрология» (дисциплина «Метрология») и в клинической практике.
Экономическая и социальная значимость результатов диссертационного
исследования состоит в улучшении качества медицинской помощи населению, при проведении анализов периферической крови. Положения, выносимые на защиту.
1. Метод синтеза структуры информационных потоков гемопоэтической
системы, осуществленный в терминах теории категорий и функторов,
отличающийся тем, что физиологические объекты представлены объектами
категорий, а взаимосвязи отображениями - морфизмами и функторами,
позволит формализоватьадаптационные процессы гемопоэтической системы и
адекватно интерпретировать показатели математической обработки
биологического сигнала.
2. Структурные модели гемопоэтической функциональной системы
организма и биоинструментальной информационно-измерительной системы,
основанные на математическом аппарате категорий и функторов, позволят
ввести структуру биопреобразователя для дальнейшего метрологического
анализа, чтобыисследовать и оценивать адаптационные процессы в
кроветворной системе организма человека количественно и качественно, а
также конкретизировать исследование свойств биообъекта.
3. Метод расчета полной погрешности результата подсчета количества
форменных элементов периферической крови, основанный на категорно-
функторной модели функции адаптации кроветворной системы организма,
отличающийся тем, что кроме инструментальной части информационно-
измерительной системы анализируется еще и биологическая, что позволит
повысить достоверность проводимых аналитических измерений в гематологии.
4. Алгоритм оценки достоверности результатов гематологических
измерений, на базе которого написан программный комплекс, который
позволит автоматизировать учет погрешностей при анализе результата
подсчета количества форменных элементов периферической крови,
отличающийся тем, что учитываются погрешности, вносимые как
инструментальной так и биологической частью информационно-измерительной
системы
Реализация научно-технических результатов. Результаты работы использованы в госбюджетной научно-исследовательской работе в соответствие с темами: № 31-53/429-04 «Разработка методов синтеза сложных измерительных систем на базе нейронных сетей»; № 31-53/145-09; № 31-53/435-12 «Проектирование сложных измерительных комплексов», выполняемых на кафедре «Вычислительная техника» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования волгоградского государственного технического университета министерства образования и науки РФ (ВолгГТУ), по плану Минобрнауки РФ. Отдельные теоретические и практические результаты использовались в учебном процессе ВолгГТУ при проведении практических работ по дисциплинам «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», «Организация работы сложных измерительных комплексов и систем» и «Метрология». Результаты работы
включены в учебный план подготовки студентов по направлению «Биотехнические системы и технологии», Волгоградского государственного медицинского университета.
Соответствие паспорту специальности.Указанная область исследования соответствует специальности 05.11.17 - «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», а именно п.2 - «Значение решения научных, технических, медико-биологических проблем и проблем приборного и инструментального развития современных медицинских технологий и информационного их обеспечения для задач здравоохранения состоит в создании ... измерительной техники и средств метрологического обеспечения, создании новых средств передачи и отображения медико-биологической информации» области исследования. Указанная область исследования соответствует специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы», а именно п.З «Методы и технические средства метрологического обеспеченияинформационно-измерительных и управляющих систем, метрологического обеспечения испытаний и контроля, метрологического сопровождения и метрологической экспертизы информационно-измерительных и управляющих систем, методы проведения их метрологической аттестации».
Апробация работы.Материалы работы докладывались нанаучных семинарах кафедры «Вычислительная техника»ВолгГТУ (Волгоград 2005-2012); ежегодных внутривузовских конференциях ВолгГТУ (Волгоград 2005-2012); международных конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград 2006, 2009); 7-й международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация (ИКИ-2006)» (Барнаул 2006); II и III Всероссийских конференциях с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» (Волгоград 2007, 2008);Ежегодной всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (Саратов 2008); XII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2007);XV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2009), по результатам выступления был получен диплом 2 степени; 15-м Российском симпозиуме с международным участием «Миллиметровые волны в медицине и биологии» (Москва 2009); IV научнойконференции«Системный анализ в медицине (САМ)» (Благовещенск 2010); VI международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии. БФФХ-2010» (Севастополь 2010); X Международной научно-технической конференции «Распознавание - 2012», (Курск 2012); 1-й МНПК «Инновационные информационные технологии» (Прага, Чехия 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 7 - в журналах, рекомендованных ВАК, 2 в зарубежных сборниках.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты получены
лично автором. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата соискателем лично разработаны в [1,2, 10] -классификация погрешностей гематологических исследований, [3, 11, 15, 16, 17] - категорная модель информационных потоков БИИС для гематологических исследований, [5] - анализ влияния внешних факторов на процесс гематологических измерений, [6, 7, 8, 9, 12, 18, 19] - метод метрологического анализа ИИС, [14] -синтез модели БИИС для гематологических исследований, под руководством научного руководителя д.т.н., профессора Мухи Ю.П. [3, 13] - принцип системной организации эксперимента.
Структура и объем диссертации.Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Общий объем работы составляет 176 страниц, включая 5 рисунков, 7 таблиц, 8страниц библиографии, содержащей 92 наименования.
