Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост сердечно-сосудистой патологии, являю-ейся одной из ведущих проблем практической и научной медицины, диктует еобходимость разработки новых перспективных диагностических направле-ий, высокоэффективных методов, технологий и систем, обеспечивающих бы-трое получение точной, надежной и достоверной информации о функциональ-ом состоянии сердца.
Не вызывает сомнения тот факт, что инструментально-диагностическая снащенность в кардиологии является одним из ведущих факторов определяю-их эффективность управления лечебно-профилактическими мероприятиями.
В современной кардиологии, как и в целом ряде других медицинских аправлений, диагностическая информация о состоянии центральной гемоди-амики и функциональном состоянии миокарда является чрезвычайно важной, собенно ее точная количественная оценка.
К сожалению, точные и информативные диагностические системы, техно-огии и методы, которыми располагает современная клиническая медицина ангиокардиография, радионуклидная вентрикулография, эхокардиография), лишком сложны для широкого круга учреждений практического здравоохране-ия, далеко не всегда могут быть использованы в неотложных ситуациях, ребуют дорогостоящей крупногабаритной аппаратуры, специальных помеїче-ий, штата высококвалифицированного обслуживающего персонала и сущест-енных затрат времени на проведение исследований, порою явно не безраз-ичных для пациента. В то же время, методы, отличающиеся простотой реа-изации (реокардиография, различные модификации метода фазового анализа ердечного цикла), недостаточно информативны и точны и сводятся, как рав'ило, к определению только ударного и минутного объемов, что по впол-е понятным причинам не дает полноценного представления о функциональном остоянии сердца.
В связи с этим, актуальность проблемы заключается в необходимости азработки диагностических систем на основе методов, моделей и алгорит-ов, сочетающих в себе простоту реализации и аппаратного обеспечения с ысокой точностью, надежностью и информативностью при низких затратах ремени на проведение исследований и способных обеспечить оптимальную нформационную поддержку управления основными функциями системы кровооб-ащения.
С этой точки зрения перспективным для оценки состояния центральной емодинамики является метод, основанный на моделировании трансформации лектрокардиосигнала (ЭКС) для воспроизведения в клинике функциональных арактеристик (ФХ) левожелудочковой кардиогемодинамики, именуемый в альнейшем в настоящей работе как "Метод трансформации ЭКС".
Указанный метод предназначен для определения основных ФХ кардиоге-модинамики левого желудочка (ЛЖ): конечного диастолического объема (КДО), конечного систолического объема (КСО), ударного объема (УО), фракции выброса (ФВ), минутного объема (МО) кровообращения, средней диастолической толщины мышечной стенки (СДТ), степени ее систолического утолщения (ССУ), средней систолической толщины мышечной стенки (ССТ), скорости циркулярного укорочения волокон миокарда (СЦУ) и массы миокарда (ММ).
Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н. Бурденко и межвузовской кафедры компьютеризации управления в медицинских' системах - "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине".
Целью диссертации является разработка и внедрение в клиническую
практику моделей и метода трансформации электрокардиосигнала для автоматизированной диагностики функционального состояния левожелудочковой кардиогемодинамики.
В работе поставлены следующие задачи:
"(.Установить взаимосвязь параметров ЭКС и ФХ механической деятельности сердца и определить принципы воспроизведения важнейших характеристик сократительной функции ЛЖ на основе математических моделей трансформации параметров ЭКС.
2.Сформировать математическую модель и алгоритмы трансформации временных параметров ЭКС в количественные характеристики кардиогемодинамики ЛЖ для клинического применения.
3.Обосновать достаточность объема диагностической информации, получаемой методом трансформации ЭКС, в сравнении с данными наиболее информативных современных методов инструментальной диагностики состояния левожелудочковой кардиогемодинамики.
4.Определить точность метода трансформации ЭКС в статических клинических условиях на основе сравнения с наиболее точными методами определения показателей центральной гемодинамики и функционального состояния миокарда ЛЖ.
5.Изучить точность метода трансформации ЭКС в динамических условиях при проведении постуральных проб, сопровождающихся изменениями венозного притока к сердцу, и при стресс-тестах с динамической физической нагрузкой (ФН), а также обосновать возможность его интраоперационного применения.
6.Осуществить оптимальный выбор технических и разработку программных средств для автоматизации воспроизведения основных характеристик
левожелудочковой кардиогемодинамики на основе математической модели трансформации параметров ЭКС.
7. Определить адекватность диагностических возможностей автоматизированного метода трансформации ЭКС задачам времязависимых медицинских направлений: неотложной кардиологии, реанимации, анестезиологии, интенсивной терапии и массовых обследований населения.
8.Проанализировать эффективность применения в клинических условиях и разработать рекомендации по клиническому применению системы компьютерной диагностики функционального состояния кардиогемодинамики Ж на основе метода трансформации параметров ЭКС.
Научная новизна результатов, выводов и положений, полученных в диссертации:
сформулированы принципы взаимосвязи электрической активности и механической деятельности сердца, заключающиеся в воспроизведении характеристик механической деятельности ЛЖ сердца на основе информации о его электрической активности;
определены параметры ЭКС, отличающиеся наибольшей информативностью для воспроизведения ФХ ЛЖ сердца и являющиеся электрическими эквивалентами его механических периодов напряжения и изгнания;
сформированы математические модели и алгоритмы, обеспечивающие трансформацию временных параметров ЭКС, являющихся электрическими эквивалентами механических периодов напряжения и изгнания в объемно-функциональные характеристики левожелудочковой кардиогемодинамики;
установлены закономерности, позволяющие на основе геометрической модели и специализированных алгоритмов воспроизводить важнейшие ФХ кардиогемодинамики ЛЖ: объемы полости, толщину мышечной стенки в диастолу и систолу, фракцию выброса и массу миокарда в общепринятых размерностях методом, заключающимся в трансформации временных параметров ЭКС при синусовом, наджелудочковых и идиовентрикулярном ритмах сердца, а также при блокадах ветвей атриовентрикулярного пучка (Гиса), блокадах концевых разветвлений волокон Пуркинье и инфаркте миокарда (ИМ);
обеспечено достижение высокой для неинвазивной категории способов точности определения ФХ ЛЖ сердца методом трансформации ЭКС в широком диапазоне их изменений как в статических, так.и в динамических клинических условиях, заключающееся в хорошем согласовании с данными эталонных методов ангиокардиографии (АКГ) и эхокардиографии (ЭхоКГ);
показано, что метод трансформации ЭКС обеспечивает достаточно высокую точность воспроизведения ФХ левожелудочковой кардиогемодинамики в
широком спектре заболеваний и состояний, включая неотложные и интраопе-рационные;
- сформулированы преимущества компьютеризации метода трансформации ЭКС для информационного обеспечения управления основными функциями системы кровообращения в ходе лечебно-диагностического процесса, заключающиеся в повышении точности, упрощении реализации, снижении продолжительности исследований и возможности проведения гемодинамического мониторинга.
Практическая значимость и результаты внедрения. Разработан и внедрен в клиническую практику автоматизированный метод воспроизведения основных ФХ кардиогемодинамики ЛЖ: объемов полости, толщины мышечной стенки в диастолу и систолу, фракции выброса и массы миокарда на основе математической модели и специализированных алгоритмов трансформации параметров ЭКС, сочетающий высокую для неинвазивной категории методов точность с простотой реализации и аппаратного обеспечения.
Метод трансформации ЭКС обеспечивает достаточно точное воспроизведение ФХ левожелудочковой кардиогемодинамики в широком диапазоне заболеваний сердечно-сосудистой системы, практически при любом состоянии исследуемого, включая неотложные, терминальные и интраоперационные, а также при проведении функциональных орто- и антиортостатических проб и стресс-тестов с динамической ФН.
Автоматизация метода трансформации ЭКС способствует повышению точности и расширению диагностических возможностей особенно при сложной со-четанной патологии сердца и обусловливает перспективность его применения для широкого круга лечебно-профилактических учреждений.
Минимизация времени исследования (2 ± 0,5 мин в мониторном режиме) посредством разработанной электрокардиографической компьютерной диагностической системы (ЭКДС) дает возможность высокоэффективного информационного обеспечения управления основными функциями системы кровообращения для решения задач неотложной кардиологии, реанимации, анестезиологии и интенсивной терапии, а также обусловливает преимущества реализованного метода при массовых обследованиях.
Разработанная в ходе проведения данных исследований ЭКДС под рабочим названием "Комплекс аппаратно-программный компьютерной диагностики состояния центральной гемодинамики "Бианкор" (изготовитель: научно-производственная фирма "Медан", г. Воронеж) прошла медицинские испытания в Отделе кардиологии НИЦ НМА им. И.М. Сеченова, НИИ общей реаниматологии РАМН и ВГМА им. Н.Н. Бурденко, по результатам которых постановлением Комиссии по клинико-диагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой медицинской технике Министерства здравоохранения Российской
іедерации рекомендована к серийному производству и применению в меди-іинской практике под уточненным наименованием "Анализатор центральной емодинамики электрокардиографический "Бианкор".
Электрокардиографический анализатор центральной гемодинамики вне-ірен в практику лечебно-диагностического процесса следующих ЛПУ ".Воронежа: ГКБСМГ1, ГКБ "Электроника", Дорожной клинической больницы ШЖД, городской больницы №5, а также ряда ЦРБ области.
Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры тера-жи ФУВ на циклах усовершенствования "Современные вопросы терапии", 'Клиническая кардиология" и "Избранные вопросы кардиологии", а также уія студентов на кафедрах госпитальной терапии и клинической фармакологи ВГМА им. Н.Н. Бурденко. '
Экономический эффект от внедрения одного анализатора "Бианкор" составил по данным ГКБСМП - 300 млн. руб. (1996 г.) и по данным ГКБ 'Электроника" - 250 млн. руб. (1997 г.).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Воронежского областного научно-ірактического общества терапевтов (1984,1985); Региональной научно-ірактической конференции "Здоровье человека и действие факторов внешней зреды" (Губкин, 1994); Совещании-семинаре ученых и специалистов Centre ^ardiologique Du Nord (Saint-Denis, Paris, 1995); Международной научно-ірактической конференции "Генеративное здоровье населения и социальные "арантии" (Москва, 1997); Юбилейной региональной научно-практической <онференции "150-летие открытия наркоза" (Воронеж, 1997); Семинаре международной выставки "Российские технологии" Ассоциации "Российский Дом" международного научно-технического сотрудничества (Тегеран, 1997); Научном межкафедральном семинаре ВГМА им. Н.Н. Бурденко (1998); Научном семинаре межвузовской кафедры "Компьютеризации управления в медицинских :истемах" (1998).
Экспериментальные образцы электрокардиографического анализатора дентральной гемодинамики "Бианкор". демонстрировались: в Centre Cardi-Jlogique Du Nord (Saint-Denis, Paris, 1995); на международной выставке 'Российские технологии" Ассоциации "Российский Дом" международного научно-технического сотрудничества (Тегеран, 1997).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 26 научных работ, в том числе: 1 монография, 1 авторское свидетельство и 2 тента России на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения, изложенных на 218 страницах машинописного текста, со-цержит 59 иллюстраций, 29 таблиц, список литературы из 254 наименова-
ний. В приложении приводятся акты внедрения, отзывы на клиническую эксплуатацию, протоколы сертификационных и медицинских испытаний, Сертификат и основные фрагменты исходных текстов программного обеспечения, а также выписка из Протокола Комитета по новой медицинской технике МЗ РФ.