Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Системы автоматизации исследований в интенсивной терапии кардиохирургических клиник . 6
1.1. Мониторный контроль 6
1.2. Мониторно-компьютерный контроль 9
1.3. Автоматизация клинической документации . 18
1.4. Научно-клинические исследования с помощью мониторно-компьютерных систем . 22
Глава II. Методические основы построения систем обеспечения решений врача 28
2.1. Методические аспекты процесса принятия решений врачом 28
2.2. Математические модели, ориентированные на применение в кардиохирургической клинике 32
2.3. Автоматизированная обработка данных для обеспечения решений врача 40
2.4. Технические аспекты построения автоматизированной системы обеспечения решений врача 44
2.5. Основные требования к автоматизированным системам обеспечения решений врача 47
Заключение 49
Глава III. Математическое обеспечение 51
3.1. Общая характеристика математического обеспечения для автоматизации научно-клинических исследований ИССХ им.А.Н.Бакулева 51
3.2. Комплекс программ "Гарвей" 54
3.3. Алгоритмы оценки состояния больного 75
3.4. Алгоритм выбора наиболее слабого звена и адекватной терапии 79
3.5. Статистическая обработка данных 87
Глава IV. Комплекс технических средств 94
4.1. Автоматизация экспериментальных исследований 95
4.2. Конфигурация АСОРВ ИССХ им.А.Н.Бакулева 96
4.3. Выбор и усовершенствование мониторно-компью-терной системы 99
4.4. Мониторно-измерительный комплекс 102
4.5. Конфигурация АСОРВ на базе микро-ЭВМ ИЗ Заключение 115
Глава V. Опыт эксплуатации, экспериментальные и научно-клинические исследования алгоритмических методов и технических срещств обеспечения решений врача в интенсивной терший кардио-хирургической клиники 117
5.1. Общая характеристика и результаты экспериментальных исследований 117
5.2. Общая характеристика и результаты научно-клинических исследований 121
5.3. Результаты эксплуатации и организация работы АСОРВ в кардиохирургической клинике 134
Основные результаты и выводы 138
Предложения 140
- Мониторно-компьютерный контроль
- Автоматизированная обработка данных для обеспечения решений врача
- Комплекс программ "Гарвей"
- Конфигурация АСОРВ ИССХ им.А.Н.Бакулева
Введение к работе
Актуальность. В современной кардиохирургической клинике лечащему врачу необходимо в считанные минуты принимать ответственные решения, от которых зависит здоровье и жизнь больного. В связи с этим стала актуальна автоматизированная оценка состояния больного, оперативный выбор и коррекция терапии с помощью ЭВМ в реальном времени. Современный уровень вычислительной и измерительной техники, а также возможности математического обеспечения позволяли поставить на повестку дня эти задачи, решение которых проводилось в рамках научно-исследовательской программы (постановление ГКНТ № 425 от 24.11.76, тема 0.69.0I.08.H2) по разработке и внедрению клинико-математического подхода к диагностике и терапии больных в кардиохирургической клинике (Лищук В.А., 1974;ЕУраковскийВ.И. и др., 1978; Gerbocie Р., 1974; . L.C. et aE., 1978 ; ШортлифІ Э.И. и др., 1979).
Цель работы заключалась в создании и исследовании алгоритмических методов и технических средств обеспечения решений врача для интенсивной терапии кардиохирургической клиники. При этом были поставлены следующие задачи.
Разработать методические и алгоритмические основы автоматизированных систем обеспечения решений врача (АСОРВ) для интенсивной терапии кардиохирургической клиники.
Разработать программное обеспечение АСОРВ для оценки и анализа состояния кровообращения.
Разработать для интенсивной терапии и реанимации экспериментальный образец АСОРВ и исследовать клиническую эффективность системы.
Научная новизна. Разработано математическое и программное
обеспечение автоматизированной системы обеспечения решений врача, впервые реализовавшее алгоритм оценки сердечно-сосудистой системы с помощью математической модели, алгоритм нахождения в реальном масштабе времени слабого звена, определяющего патологический процесс, и алгоритм выбора индивидуальной терапии.
Созданы методические основы построения автоматизированной системы обеспечения решений врача с использованием математиче. -ских моделей для анализа состояния больного, с возможностью выбора объема мониторного контроля и с применением диалогового режима врач-ЭВМ.
Разработана клиническая методика, которая впервые позволила в ходе лечения адаптировать математическую модель к текущему состоянию сердечно-сосудистой системы больного, проводить анализ и прогнозировать изменение состояния в ответ на предполагаемое воздействие в реальном масштабе времени с помощью модели.
Практическая ценность. Автоматизирован процесс алгоритмического обеспечения решений врача отделения интенсивной терапии кардиохирургической клиники. Автоматизированная система обеспечения решений врача прошла опытную эксплуатацию в эксперименте и в течение девяти лет эффективно используется в Институте сердечно-сосудистой хирургии им.А.Н.Бакулева АМН СССР.
Опытная эксплуатация системы в клинических условиях (проведено лечение более 1000 больных) показала ее клиническую эффективность: в 1,5 раза уменьшилось количество осложнений, в 1,9 раза снизилась летальность по сравнению с аналогичными группами больных, не проходивших лечение на АСОРВ.
— 6
Мониторно-компьютерный контроль
За последнее десятилетие возрос интерес к применению компьютеров, используемых в медицинских лечебных учреждениях (Судариков Л.Г., 1971 ; Утямышев Р.И. и др., 1974 ; Толокнов В.И., 1977, 1982 ;Кербунов В.В. и др., 1979 ; Викторов В.А. и др.,1980 ; Емешин К.Н. и др., 1982 ; Щумаков В.И. и др., 1983). Одна из первых попыток применения компьютеров в клинической практике была осуществлена в блоках интенсивной терапии ( CaceresC. А., 1972 ; Гарбоде Ф., 1974; CKftonJ.-S., 1976), где компьютеры оказались полезными для медсестер при наблюдении за состоянием тяжелых больных, предупреждая их о внезапных изменениях состояния больного ( Warner H.R, 1968 ; DombaL FT., 1972 ; Чазов Е.И., ула М.Я., 1972 ; Удалов С.К. и др., 1977 ; Harrison B.C. et aL . , 1977 ;Бура-ковский В.И., Лищук B.A., Стороженко И.Н.,- 1978). В настоящее время у нас в стране и за рубежом созданы и применяются мони-торно-компьютерные системы, например, Симфония-ЗМТ, CUrucaL CardiovascuLar computer system (IBM), Patieat data Мшшдегп.елі System modet 5600 A (Hewlett-Packard) и др. для наблюдения за больными в критическом состоянии ( Sheppard LC. et at ., 1971 ; Дадашев P.O., 1972 ; Бунятян А.А. и др., 1974, 1980 ; Coaaers R.B. 1974 ; GLaeser Л.Н. et at., 1975 ; BuskmanJ./V 1976 ; Довженко Ю.М. и др., 1976 ; Данишевичус И.М., 1977 ; AngensteiRJ.S. et at. 1977; WeifterP. et a.L., 1977; TakanashL Y., 1977 ; Виноградов O.M., 1978 ; Алеев Л.С. и др., 1980 ; Волхонская Т.А., 1980 ; Ахутин В.М., 1981). Мониторно-компьютерные системы (МКС), ориентированные на кардиохирургияеские клиники, как правило, предназначены для обеспечения контроля за показателями, характеризующими гемодинамику и систему дыхания ( BotandJ.et aL., 1976 ; Robicsek P. , 1977 ; Waclel L.B. et dL. , 1977 ; HaUoran M.3., 1978 ; Стороженко И.Н., 1981).
Мониторно-компьютерные системы обладают множеством несомненных достоинств ( JJonatd &.Н., 1975 ; Tkomasi.X et at. , 1975 ; MontzW .Є. et CLL. , 1975). Во-первых, автоматизированные системы способствуют снижению смертности больных, благодаря контролю большего количества показателей, точным данным и раннему определению изменений в состоянии больного ( JaracLo RA. et at ,1977 ; ALterowitz R.etat. , 1977; QaLLagKerT.U., 1980). Во-вторых, системы могут сократить усилия, затрачиваемые медсестрами на получение и запись измерений параметров больного, и в результате освободить время медицинского персонала для прямых функций терапии ( CaceresC.A., 1972; MaskuK., 1974; Kaihara S, 1974; Викторов В.А. и др., 1980 ; іундаров В.П. и др., 1980). В-третьих, системы способны накапливать большое количество контролируе мых показателей в памяти цифровой вычислительной машины. Тем самым врач получает возможность наблюдать за объективно, документально и подробно отображенной динамикой патофизиологического процесса (Кузьмин Б.П. и др., 1974; SieoeL3. et al., 1976 ; Sh.eppardL.Cet aL. , 1977; HilbennanM., 1977 ; Бураковский В.И. и др., 1978 ;Лищук В.А., 1978).
Известны мониторно-компьютерные системы, где для их разработки использовались большие вычислительные машины, такие как Минск-32, EC-I020, IBM (Гербоде Ф., 1974 ; Довженко Ю.М., 1976; SKeppard L.C.et aL., 1977).
В настоящее время, как правило, применяются мини-ЭВМ, например, такие как Электроника-ЮОИ, НР-5600, РДР 11/34 (Лишук В.А., 1974 ; Бунятян А.А., 1976). Прослеживается четкая тенденция перехода на микромашинные комплексы, такие как Электроника KI.IO, CM-I800, Электроника-60,Мепгиа (Дженерал электрик), Микрон-2000 и т.п. (MoritzW.E , 1975 ; Aagensteln 3.S., 1977 ; МеуегЗ., 1977 ; Harrison B.C., 1977 ; HcmkeLa К, 1980 ; Галков А.Ф., 1980 ;Артюшенко А.В., Вернигор А.А., Рыбаков Ю.В., 1981).
В современный вычислительный комплекс, как правило, входит процессор (быстродействие 200-400 тыс.опер./сек), оперативная память (не менее 64 Кб), дисковая память (I « 10 Мб), печатающее устройство (не менее 180 симв. в сек.), аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователь для ввода в ЭВМ данных о больном и управления исполнительными устройствами, такими как автоматическая капельница, кардиостимулятор, контрпульсатор и т.д. (DrasertE. et aL , 1975 ; SKeppardLC. et aL., 1976). Для наглядного представления информащш врачу и организации диалога с ЭВМ системы комплектуются графопостроителями, графическими и алфавитно-цифровыми дисплеями, установленными непосредственно воз ле ЭВМ и коек больных ( Wiener P. et aL., 1977 ; Deatsch. LC.et Q.L., 1977).
Для бесперебойной работы системы в интенсивной терапии и реанимационных отделениях предусмотрено дублирование основных блоков, наиболее часто выходящих из строя, и дополнительное аварийное питание (стабилизаторе, аккумуляторы). В качестве при-мера на рис.1.2 приведена МКС фирмы Philips.
Большинство фирм, разрабатывающих мониторно-компьютерные комплексы, снабжают их специализированными операционными системами. Такие комплексы удобны в эксплуатации, например, монитор-но-компьютерная система НР-5670 позволяет автоматически вводить частоту сердечных сокращений, артериальное и венозное давления в заранее заданные промежутки времени с автоматической распечаткой накопленных данных через каждые 8 часов. Такие системы широко распространены в клинических отделениях с устоявшимися методиками обследования, ведущих в основном лечебную работу.
В тех научных коллективах, где методика диагностики быстро совершенствуется и ведутся научные исследования, мониторно-компьютерные комплексы снабжены универсальной операционной системой, которая обеспечивает работу комплекса в реальном времени, автоматизированную организацию банка данных, развитую файлову!) систему, разделение времени между несколькими потребителями, мультипрограммный режим и тестовую проверку аппаратуры, например Patient data Management system modeL 5600 А. Иногда поставляются средства генерации ориентированной операционной системы в соответствии с реальным комплексом медицинской аппаратуры, объемом периферийных устройств и потребностями пользователя.Большинство МКС, работающие в кардиохирургии, обеспечивают
Автоматизированная обработка данных для обеспечения решений врача
Для организации автоматизированной обработки клинических данных необходимым условием является обеспечение врача средствами для работы в интерактивном режиме "врач-ЭВМ". Во многих ситуациях недооцениваются субъективные оценки лечащего врача, который определяет достоверность и направленность результатов, полученных с помощью автоматизированной системы. Чтобы избежать этого недостатка, должен быть обеспечен удобный в клинических терминах и с развитой системой подсказок диалоговый режим ввода и анализа данных с клавиатуры (Лищук В.А., 1973, 1974). Диалоговый режим и обеспечивающая его техника являются необходимой предпосылкой объединения алгоритмического подхода и врачебного искусства. При этом важнейшая цель состоит в улучшении качества терапии. Кроме того, необходимо обеспечить визуальный контроль врачом (сестрой) автоматически вводимой непрерывной и периодической информации (Симфония-ЗМТ). С этой целью на экране дисплея в течение некоторого времени отображается информация, вводимая в ЭВМ. Выбор вида и объема запоминаемой информации, а также длительности ее хранения составляет сложную самостоятельную задачу. Анализ частоты обращения к данным в зависимости от состояния больного позволил установить целесообразность хранения в течение получаса всей количественной информации. После чего, если врач не сделал специальных указаний, информация, предназначенная для архива, выбирается и передается в долговременную память ; остальные данные стираются. Если состояние больного оценивается как осложненное, то АСОРВ запрашивает указание врача на срок и объем хранения информации.
Необходимо, чтобы система обеспечивала представление на прикроватный дисплей любой информации, хранящейся в банке данных. По запросу врача данные должны выводиться на устройство представления информации за любой интервал времени в виде таблиц, графиков, волновых форм. Дополнительно могут быть выведены экстремальные значения контролируемых показателей, записи (лечебные мероприятия, замечания врача и т.п.) и данные (биохимические и клинические показатели), вносимые автоматизированно с помощью клавиатуры в память ЭВМ. Вся представляемая информация на дисплей врачу не должна требовать дополнительной расшифровки
Для палат интенсивной терапии и реанимации целесообразно каждую койку оборудовать дисплеем. Размер экрана должен быть достаточно большим, чтобы врач мог видеть данные с рабочего места в палате. Наглядное представление данных является важной задачей автоматизации обеспечения решений врача.
Параллельно следует обеспечить работу пакета программ, выполняющего оценку состояния больного и автоматическую диагностику в соответствии с выбранными врачом алгоритмами (sheppard L4C., Ki-rkUn I.W, 1974 ; Лебедева P.H., Аббакумов В.В. и др., 1979). С целью выбора лечения необходимо предусмотреть программу "Советчик" врача, где особое внимание должно быть уделено совместимости лекарств, их дозам и т.п. (Сторожєнко И.Н., 1978 ; Подгорный В.Ф. и др., 1978 ; Sheppard L.C. et al. , 1978 ; Сахно Ю.Ф., Тепленький Г.С, 1980 ; Ильюткин Г.Н., Кушаковский М.С., 1980). Программа "Советчик" не должна полностью подменять врача, она может быть использована для определенной области задач, поскольку врач продолжает нести ответственность за общую клиническую ситуацию. Проводить автоматическую терапию следует под постоянным контролем врача и только при определенных осложнениях» В сложной ситуации при нестабильном состоянии решенае должен принимать врач с учетом индивидуальной специфики больного и ситуации, возникшей в данное время.
Для того, чтобы помочь врачам и медицинским сестрам безоши бочно определять правильную концентрацию и скорость вливания каждого препарата, необходимо заложить в вычислительную машину соответствующие алгоритмы» На дисплей по требованию врача (сестры) должны выводиться минимальные, нормальные и максимальные дозировки препарата и рассчитанные скорости вливания. Кроме того, желательно предусмотреть хранение в памяти ЭВМ информации о лекарстве и времени его введения.
Технология автоматизированного ведения истории болезни должна позволять врачу выводить на печать или прикроватный дисплей все данные о больном, результаты статистического анализа, коэффициенты корреляции, линии регрессии и т.п. (Амосов Н.М., 1972 ; Гаджиев Р.Э. и др., 1978 ; Рахманинова З.Б. и др., 1980).
Методы статистической обработки информации широко распространены в медицинских исследованиях и преследуют следующие основные цели: определение параметров распределения исследуемых признаков и частоты их встречаемости, вычисление среднего квадратичного отклонения, оценки достоверности получаемых результатов, определение корреляционных связей между признаками, проверка достоверности гипотез. Достоверность медицинских сведений, полученных в результате статистической обработки медицинской информации, тем больше, чем на большем объеме материала они получены. Применение ЭВМ и математических методов позволяет поставить обработку медицинской информации на принципиально новую основу, открывая возможности одновременного и многоаспектного анализа и сопоставления больших объемов различных медицинских данных (Глушков В.М., 1972).
Автоматизированная система должна оперативно проводить автоматическую расшифровку физиологических кривых, поступающих в режиме "ON-LINE", И на их основе рассчитывать индексы и оценки,
Комплекс программ "Гарвей"
Развитые в предыдущей главе методические предпосылки нашли наиболее полную реализацию в комплексе программ "Гарвей", который предназначен для решения основных задач мониторного контроля и лечения больных в раннем послеоперационном периоде, а также для накопления информации и ее обработки. Главная задача, решаемая комплексом программ "Гарвей", состоит в оценке состояния системы кровообращения больного с помощью математической модели. Этот комплекс программ составляет основу специализированного математического обеспечения автоматизированной системы обеспечения решений врача (АСОРВ). Система "Гарвей" работает в автоматизированном режиме и содержит II основных взаимосвязанных программ и пакет вспомогательных подпрограмм, имеющих общую систему файлов на шгнитном диске. Перечислим назначение каждой из этих II программ. GARWF - выполняет по отношению к другим программам служебные функции, такие, как организация файлов (часть долговременной памяти, где хранится информация и замеры для данного пациента) на магнитном диске, ввод информации об измеряющихся у больного физиологических величинах и генерацию массива, содержащего сведения о том, какие показатели могут быть рассчитаны при имеющемся объеме измерений. Программа производит вычисление поверхности тела по росту и весу больного. &ARWI - выполняет ввод физиологических кривых с прикроватных приборов мониторного контроля через аналого-цифровой преобразователь в оперативную память ЭВМ. &ARWP - служит для автоматизированной обработки всех физиологических кривых, введенных в ЭВМ программой G-ARWI 6ARW0- рассчитывает оценки параметров 4-элементной модели кровообращения и оценки некоторых других величин, характеризующих состояние сердечно-сосудистой системы пациента, и по требованию оператора (врача) запоминает все оценки и измеренные величины в файле пациента. GARWB - представляет на дисплее в цифровом виде основные величины, характеризующие состояние гемодинамики больного. G-ARWG- представляет на дисплее в графическом виде расчетные показатели и измеренные величины (одновременно до 8 графиков). QARWM" определяет наиболее слабое звено, повинное в развитии патологического процесса сердечно-сосудистой системы больного. frARWH- печатает отчет о текущем состоянии больного для истории болезни, RPRT&- распечатывает всю накопленную информацию о пациенте. PL0TRU жестко связанные программы, рисуют и подписывают гра PL0TLJ фики величин гемодинамики больного на графопостроителе. Все основные программы написаны на машинном языке "Форт-ран-4". Подпрограммы обработки волновых форм написаны на ассемблере. Каждая программа содержит в среднем 250 операторов, из них I0J6 - операторов описания, 30# « операторов вызова подпрограммы, 40$ - арифметических операторов, 15$ - операторов условного перехода, Ъ$ - операторов безусловного перехода. Во время выполнения каждая программа использует фоновый раздел оперативной памяти объемом 16 Кбайт. Для комплекса программ "Гарвей" необходима стандартная библиотека Фортрана, набор системных подпрограмм для работы с файлами, включая их создание и уничтожение. Для работы комплекса "Гарвей" также необходим процессор с оперативной памятью не менее 64 Кбайт, долговременная память (магнитный или гибкий диск), аналого-цифровой преобразователь, медицинские прикроватные приборы для измерения основных физиологических величин, таких как артериальное и венозное давления, давление в легочной артерии и левом предсердии и т.д., таймер, алфавитно-цифровой и графический дисплеи, системная консоль. Комплекс программ "Гарвей" работает под управлением мультипрограммной операционной системы реального времени.
На рис.3.2 представлена блок-схема комплекса программ "Гарвей". В программах предусмотрены возможности перехода в другие программы комплекса, что позволяет оператору вести рабо
Конфигурация АСОРВ ИССХ им.А.Н.Бакулева
С 1973 года в ИССХ им.А.Н.Бакулева АМН СССР разрабатывается автоматизированная система обеспечения решений врача (АСОРВ), а также научных и клинических исследований при острых и тяжелых расстройствах вегетативных функций. Создание автоматизированной системы обеспечения решения врача преследовало цель объединения клинических, научных и организационных мероприятий на основе координации совместных усилий врачей, инженеров и математиков.
Автоматизированная система ИССХ им.А.Н.Бакулева предназначена для обеспечения решений врача в кардиохирургической клинике в послеоперационном периоде. Она ориентирована на обслуживание самых тяжелых больных после операций на открытом сердце, а также больных с осложнениями сердечного, сосудистого, легочного и центрально-регуляторного генеза. На системе проводится лечение больных после коррекции врожденных и приобретенных пороков сердца, а также аорто-коронарного шунтирования. Задача системы обеспечения решений врача состоит не столько в разгрузке врача и сокращении штата медицинских сестер, сколько в обеспечении качественного лечения больных.АСОРВ ИССХ состоит из мониторной системы, вычислительного комплекса и развитой периферии. Конфигурация системы включает: - два мини-процессора с оперативной памятью 64 кбайта каждый ; - два дисковых носителя, обеспечивающих создание автоматизированного архива данных и надежное копирование файлов пациентов и пользователей; - оперативную систему, позволяющую продолжать работу после неполадок периферийных устройств (телетайпа, дисплея, диска, одного процессора и т.д.), нарушений и арифметических сбоях в программах, неверных прерываниях и т.д., обеспечивающую проверку программ в защищенных областях основной памяти (чтобы предотвратить вмешательство в операцию реального времени); - возможность аналогового ввода информации с прикроватных мониторов в память ЭВМ ; - развитую периферию (телетайп, графические дисплеи, быструю печать, алфавитно-цифровой терминальный дисплей, графопостроитель и т.д.) ; - комплекс контрольно-измерительных прикроватных приборов и исполнительных устройств (автоматические капельницы, аппараты искусственного дыхания и т.д.); - устройства автоматического повторного включения и возможность связи с другими вычислительными системами. Прикроватный мониторный комплекс включает измерительное оборудование для контроля гемодинамики и дыхания больного. Общая конфигурация АСОРВ представлена на рис.4.1. Управление всей АСОРВ обеспечивает оператор. Система проста в эксплуатации и требует минимальных затрат времени на обучение В качестве технической и математической базы была выбрана медицинская мониторная компьютерная система фирмы Хьюллет-Пак-кард, которая,с нашей точки зрения, наиболее подходила для решения поставленной задачи. Этот выбор был осуществлен в результате анализа доступных (к началу разработки) вычислительных систем (табл. 4.1). - медицинскую операционную систему общего назначения, обеспечивающую работу в реальном масштабе времени ; - комплект медицинских мониторов (датчиков), согласованных с медицинской системой ; - трансляторы языков программирования высокого уровня (Фортран, Алгол, Ассемблер и т.д.); - средства генерации операционных систем, В СССР была разработана близкая по структуре и математическим решениям система М-6000, которая в дальнейшем могла быть использована в целях АСОРВ.
Исходная мониторная система позволяла вести автоматический контроль дискретных показателей артериального (максимальное, минимальное, среднее) и венозного давлений, температуры поверхностной и ректальной, частоты сокращений сердца по ЭКГ и пле-тизмограмме. Она позволяла представлять эту информацию на дисплей, формировать массивы данных о больном с привязкой их к койке, датчику и времени, осуществлять выбор максимальных и минимальных значений и построение графиков одного или двух показателей за любой промежуток времени, выпечатку рапортов. Кроме вышеперечисленного, система давала возможность с помощью специальной клавиатуры вводить в память ЭВМ результаты лабораторных исследований, а также замечания и записи. Диалоговый режим ввода лабораторных данных был разработан фирмой по нашему проекту.
Не касаясь задачи АСОРВ, а имея в виду мониторный контроль, нужно отметить недостатки выбранной системы. Жесткая привязка датчиков к койке и к каналу, отсутствие средств сервиса для присоединения к системе датчиков других фирм, ограниченность максимальной частоты опроса 30 секундным интервалом (что недостаточно
