Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов и средств диагностики и коррекции дыхательной системы. области применения 20
1.1. Способы немедикаментозного лечения и коррекции заболеваний дыхательной системы 20
1.2. Анализ существующих математических моделей и методов моделирования процессов в дыхательной системе человека 35
1.3. Анализ существующих технических методов и средств корректировки дыхательной системы
1.3.1. Устройства для гипокситерапии 42
1.3.2. Тренажёры дроссельного типа 45
1.3.3. Тренажёры с пиковым сопротивлением в начале вдоха и выдоха 50
1.3.4. Тренажёры с водяным затвором 52
1.3.5. Тренажеры с давлением, отличным от нормального атмосферного (имитирующие высокогорный
разраженный воздух) 53
1.3.6. Сравнение различных видов тренажёров 53
1.4 Формирование технических требований к комплексам корректирующего воздействия на дыхательную систему
1.5 Формулировка цели работы и задач, подлежащих решению 58
2. Методы обработки сигналов и распознавания инспираторной/ экспираторной активности в комплексах корректирующего воздействия на дыхательную систему человека 59
2.1. Обобщенная структурная схема комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему 59
2.2. Основные методы построения математических и структурно-функциональных моделей обработки сигналов и распознавания дыхательной активности, рекомендации по их выбору 62
2.2.1. Математическая модель обнаружения начала вдоха/выдоха. Метод определения исходных данных человека для обеспечения безошибочного обнаружения и принятия решения 62
2.2.2. Обработка функциональной зависимости давления с использованием сглаживающих сплайнов 87
2.2.3. Рекуррентный алгоритм определения объема данных при проведении статистического оценивания параметров сигнала с дыхательной системы пациента. 93
2.3. Выводы 97
3. Методы и алгоритмы диагностирования состояния дыхательной системы и определения основных информационных параметров при проведении воздействия 99
3.1. Параметрический анализ характеристик давления при релейном воздействии (изменение давления переключения) 99
3.2. Метод диагностики состояния дыхательной системы при реализации дроссельного режима воздействия. Параметрический анализ характеристик давления при дроссельном воздействии 106
3.3. Формирование общей совокупности информативных признаков для идентификации состояния дыхательной системы. Обобщенная схема методов диагностирования состояния дыхательной системы 113
3.4 Критерий, определяющий режим функционирования комплексов 117
3.5. Алгоритм адаптации нагрузки к изменяющемуся состоянию дыхательной системы человека 122
3.6. Выводы 134
4. Разработка математической модели биотехнического комплекса «аппаратура корректирующего воздействия – дыхательная система человека» 136
4.1. Разработка структуры модели биотехнического комплекса «аппаратура корректирующего воздействия – дыхательная система человека» 136
4.2. Разработка биомеханической модели дыхания
4.2.1. Модель массопереноса воздуха в лёгких 138
4.2.2. Модель динамики дыхательной мускулатуры 146
4.2.3. Разработка модели автоматического переключения дыхательной мускулатуры 149
4.3. Численное моделирование и анализ динамики функционирования биотехнической системы «комплекс корректирующего воздействия - дыхательная система человека» 155
4.4. Выводы 169
5. Структурно-алгоритмический метод самодиагностирования комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему. задача технического диагностирования 170
5.1. Построение математической модели диагностирования на базе ориентированного графа 170
5.2. Оптимальный информационный алгоритм поиска места отказа в интеллектуальных тренажерах дыхательной мускулатуры 185
5.3. Организация процесса диагностирования для системы электропитания 200
5.4. Структура и алгоритм блока технической самодиагностики комплексов корректирующего воздействия 205
5.5. Выводы 214
6. Структура комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему человека. рекомендации по технической реализации 215
6.1. Конструкции прототипа варианта промышленного исполнения тренажёра 215
6.2. Рекомендации по технической реализации схемы обработки информации и управления ККВДС 217
6.3. Аппаратно-программный комплекс для реализации обнаружения состояния сонного апноэ 2 6.4 Структура и технический облик комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему человека 242
6.5 Выводы 248
Заключение 250
Список литературы
- Анализ существующих математических моделей и методов моделирования процессов в дыхательной системе человека
- Основные методы построения математических и структурно-функциональных моделей обработки сигналов и распознавания дыхательной активности, рекомендации по их выбору
- Метод диагностики состояния дыхательной системы при реализации дроссельного режима воздействия. Параметрический анализ характеристик давления при дроссельном воздействии
- Численное моделирование и анализ динамики функционирования биотехнической системы «комплекс корректирующего воздействия - дыхательная система человека»
Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что в последние десятилетия отмечается рост заболеваемости хроническим обструктивным бронхитом и бронхиальной астмой, а сердечно-сосудистые заболевания остаются на сегодняшний день основной причиной смертности во всем мире. Одна из первостепенных задач отечественного и мирового здравоохранения – поиск эффективных немедикаментозных методов лечения заболеваний дыхательной системы, а также восстановления пациентов, перенесших инфаркт миокарда. В связи с этим возрастает значимость реабилитационных программ, компонентом которых являются дыхательные упражнения, реализуемые с помощью специальной аппаратуры корректирующего воздействия – дыхательных тренажеров.
Системные изменения при гиподинамии у больных с двигательными нарушениями, среди которых следует выделить снижение максимального потребления кислорода, атрофию мышечной системы, приводят в период реабилитации к гиперметаболической тканевой гипоксии. Это происходит при значительном усилении функций различных тканей, особенно мышечной, повышении их потребностей в кислороде и неспособности организма адекватно увеличить к ним приток крови, богатой кислородом.
Проведенные медицинскими специалистами многочисленные исследования доказали необходимость применения реабилитационных программ при заболеваниях дыхательной и сердечно-сосудистой систем (А. Г. Чуча-лин, 2002, V. N. Singh, 2006, Гофман, 2005, П. В. Стручков, 2004, А. А. Ха-дарцев, 2006, С. Ю. Федоров, 2006), компонентом которых являются дыхательные упражнения, позволяющие уменьшить проявление хронической дыхательной недостаточности. Методы немедикаментозного лечения, направленные на активацию системы кислородного обеспечения тканей, профилактику развития вторичной тканевой гипоксии, могут рассматриваться как способы тренирующей терапии, необходимые для комплексной реабилитации больных с двигательными нарушениями. Также установлено, что проведение курсов тренировок дыхательной мускулатуры повышает работоспособность и выносливость спортсменов (А. В. Солопов, 2011, Н. П. Александрова, 2014, М. О. Сегизбаева, 2014). Совокупность медицинских показаний является предпосылкой создания приборов и аппаратов тренажерного воздействия (АТВ) на дыхательную систему пациента, задающих сопротивление в дыхательном контуре, которые предназначены для имитации дыхательных нагрузок. Определены показания к применению АТВ, методы их использования в огромном разнообразии практических ситуаций, однако сама аппаратура рассмотрена описательно. До сих пор не установлены общие технические закономерности построения АТВ, а также не обеспечено целесообразное распределение функциональных возможностей комплексов при соответствующих медицинских показаниях, не рассмотрены вопросы технического обеспечения безопасности коррек-
тирующих воздействий на организм человека. Существующие модели АТВ не обеспечивают настройку режимов функционирования и формирование оптимальной нагрузки при корректирующем воздействии на дыхательную систему на основании анализа параметров биотехнического комплекса «АТВ-пациент». Создание автоматизированных адаптивных тренажерных комплексов представляет собой достаточно сложную теоретическую проблему. Это, в первую очередь, связано со сложностью и изменчивостью обрабатываемых сигналов. Так как аппаратура оказывает управляющее воздействие, то одновременно должны осуществляться диагностирование состояния дыхательной системы человека, обработка результатов в реальном масштабе времени и корректировка нагрузки. Это определило постановку и решение в данной работе актуальной проблемы, заключающейся в создании научно обоснованной методологической базы, определении технических параметров аппаратуры корректирующего воздействия адаптивного типа, обладающей новыми качественными характеристиками, для обеспечения всего разнообразия областей применения в лечебной, восстановительной и спортивной медицине.
Объектом исследования является биотехнический комплекс «аппаратура корректирующего воздействия – дыхательная система человека».
Предметом исследования являются методы анализа и идентификации сигналов для диагностирования состояния дыхательной системы человека, методы синтеза систем управления биотехнического комплекса «аппаратура корректирующего воздействия – дыхательная система человека».
Цель диссертационного исследования – создание теоретико-экспериментальных методов, алгоритмических решений построения адаптивных комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему для проведения лечебно-профилактических, физкультурно-оздоровительных и реабилитационных мероприятий.
Для достижения указанной цели ставятся следующие задачи:
-
Анализ современного состояния и проблем создания комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему человека для проведения лечебно-профилактических, физкультурно-оздоровительных и реабилитационных мероприятий.
-
Разработка метода и алгоритма распознавания инспираторной/экспираторной активности в комплексах корректирующего воздействия на дыхательную систему (ККВДС) человека.
-
Разработка методов и алгоритмов диагностирования и определения основных информационных параметров дыхания при обеспечении различных типов воздействия, формирование критериев и режима адаптации нагрузки к изменению состояния дыхательной системы.
-
Разработка математической модели биотехнического комплекса «аппаратура корректирующего воздействия – дыхательная система человека».
-
Разработка метода самодиагностирования основных составляющих блоков ККВДС с возможностью восстановления работоспособности.
6. Разработка обобщенной структуры комплексов корректирующего воздействия, реализующих адаптивное управление нагрузкой в дыхательном контуре в зависимости от изменения параметров человека, с выработкой рекомендаций по реализации и проведением экспериментальных исследований.
Методы и средства исследования базируются на теории биотехнических и информационно-измерительных систем, методах моделирования сложных систем, регрессионного анализа, теории управления, теории измерений, статистической теории принятия решений.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы создания аппаратуры адаптивного корректирующего воздействия на дыхательную систему, сочетающем в себе теоретические основы построения, новые методы и алгоритмы, учитывающие исходное и изменяющееся состояния человека, а именно:
разработан метод и алгоритм распознавания инспираторной/экспи-раторной активности на базе математической модели процесса обработки сигналов, отличающийся учетом статистических параметров дыхательной системы, определяемых при предварительной настройке функционирования комплекса для каждого человека, с вычислением значения правдоподобия на каждом этапе наблюдения, что позволяет обеспечить высокую степень синхронизации с дыханием;
разработаны методы диагностирования состояния дыхательной системы при различных режимах функционирования комплексов, основанные на последовательном задании дозированных нагрузок, выделении значимых параметров при анализе полученных характеристик давления с составлением матриц состояний, в которых отражены значения каждого параметра, заданного номером столбца, в зависимости от уровня нагрузочного воздействия, задаваемого номером строки;
введен критерий, позволяющий автоматически определять режим функционирования ККВДС по оценке реакции дыхательной системы, определяемой из матрицы состояний в виде суммы относительных приращений значений параметров по каждому уровню нагрузочного воздействия;
разработаны алгоритмы адаптации ККВДС, реализующие автоматическую настройку уровня нагрузки, при котором обеспечивается минимальное расхождение совокупности текущих параметров, полученных при анализе измеряемой кривой давления, с необходимыми, определяемыми заданной матрицей состояний;
разработана математическая модель биотехнической системы «комплекс корректирующего воздействия - дыхательная система человека», отличающаяся учетом динамики работы дыхательной мускулатуры при описании массового расхода и скорости массопереноса в легочных каналах с разветвлением воздухоносных путей по принципу правильной дихото-
мии, что позволяет моделировать различные нагрузки в дыхательном контуре и устанавливать пороговые значения на воздействия;
впервые предложен структурно-алгоритмический метод самодиагностирования, отличающийся контролем состояния исполнительного устройства и питающего напряжения с возможностью восстановления системы при возникновении возмущающих воздействий за счет своевременного формирования управляющих импульсов на устройство управления, что повышает безопасность состояния пациента, исключая возможность баротравмы дыхательной системы;
разработана структура комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему, включающая в себя блок обнаружения инспи-раторной/экспираторной активности, блок диагностирования состояния дыхательной системы, контур адаптивного управления нагрузкой, обеспечивающая различные режимы функционирования с широким спектром применения в лечебной, восстановительной и спортивной медицине.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель обнаружения начала инспираторной/экс-пираторной активности, основанная на индивидуальном подборе статистических параметров входного сигнала и шума для каждого пациента.
-
Методы диагностирования для оценки изменения состояния дыхательной системы человека, основанные на последовательном задании нагрузок в дыхательном контуре, выделении значимых параметров при анализе характеристик давления и составлении матриц состояний.
-
Критерий установления типа нагрузочного воздействия, отличающийся определением суммарного приращения совокупности параметров по каждому уровню воздействия, и алгоритм адаптации нагрузки, позволяющий автоматически находить вариант воздействия, обеспечивающий наилучшее приближение к необходимым характеристикам.
-
Математическая модель биотехнической системы «комплекс корректирующего воздействия - дыхательная система человека», отличающаяся учетом уравнений динамики дыхательной мускулатуры и уравнений массового расхода и скорости массопереноса на каждом уровне генерации легких, обеспечивающая возможность моделирования различных нагрузок в дыхательном контуре.
-
Структурно-алгоритмические и технические решения построения комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему, позволяющие сочетать различные режимы функционирования в зависимости от состояния человека и его изменения для проведения лечебно-профилактических, физкультурно-оздоровительных и реабилитационных мероприятий.
Практическая значимость работы.
В результате выполнения работы получены методы, алгоритмы и методики построения аппаратуры корректирующего воздействия на дыха-
тельную систему адаптивного типа, которые послужат базой для создания нового класса приборов медицинского назначения, обеспечивающих повышение эффективности лечения больных бронхиальной астмой и хроническим обструктивным бронхитом, проведения реабилитационных программ у больных с двигательными нарушениями:
-
разработан аппаратно-программный комплекс адаптивного воздействия на дыхательную систему человека, позволяющий создать отечественную аппаратуру нового поколения для замены существующих дыхательных тренажеров;
-
создана концепция обработки информации с датчиков о состоянии дыхательной системы, сочетающая в себе обнаружение сигнала, методы диагностирования состояния человека и адаптации корректирующего воздействия;
-
выявлены параметры и определены критерии задания корректирующего воздействия, которые способствуют повышению качества аппаратуры;
-
разработан и испытан ККВДС человека, позволяющий задавать различные нагрузки в дыхательном контуре, удобный для эксплуатации в лечебных учреждениях.
Реализация и внедрение результатов.
Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и прикладных исследований использовались при выполнении:
-гранта РФФИ и Администрации Тульской области, проект № 15-48-03247 «Автоматизированные комплексы корректирующего воздействия на дыхательную систему человека» (2015-2016 гг.);
НИР «Создание энергосберегающей оптимальной системы управления электроприводом для промышленных объектов и объектов спецтехники», выполняемой в рамках мероприятия 1.1 - Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственный контракт № 02.740.11.0477, шифр 2009-1.1-000-082-067 (2009-2011 гг.);
госбюджетных НИР ТулГУ (шифр 23-06, шифр 03-10) «Исследование и проектирование электромеханических и электронных приборов, систем и комплексов» (2006-2015 гг.).
Полученные результаты в виде математических моделей, реализующих их алгоритмов и прикладных программ вошли в состав автоматизированного комплекса тренажерного воздействия на дыхательную систему и использованы в пульмонологическом отделении ГУЗ ТО «Городская больница № 10», Многопрофильном центре лечения боли и реабилитации «Анеста» для проведения программ реабилитационных мероприятий у больных бронхиальной астмой, хроническим бронхитом, у больных с нарушенной двигательной активностью.
Предложенные алгоритмы и методы построения комплексов корректирующего воздействия использованы в проектных работах службы «Медицинская техника» ГУЗ ТО «Тульская областная клиническая больница», ОАО «НПО «Сплав».
Научные и практические результаты диссертационной работы использованы на кафедре «Приборы и биотехнические системы» ТулГУ в рамках дисциплин «Расчет и проектирование медико-технических устройств», «Методы обработки измерительных сигналов», «Микропроцессорные системы управления в медицинской технике», «Современные проблемы биомедицинской и экологической инженерии», «Методы обработки биомедицинских сигналов и данных» при обучении студентов по направлениям подготовки бакалавриата и магистратуры: 12.04.04, 12.03.04 - Биотехнические системы и технологии; 12.04.01, 12.03.01 - Приборостроение.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическим обоснованием и экспериментальным подтверждением выдвинутых положений, полнотой и корректностью исходных предпосылок, физической обоснованностью использованных методов измерения, систематической проверкой оригинальных данных, полученных на основе теоретических результатов, сравнением полученных результатов с результатами других научных работ. Экспериментальные данные получены с использованием технических средств, метрологические характеристики которых верифицированы.
Соответствие паспорту специальности.
Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения, а именно: п. 1 в части создания методов диагностирования состояния дыхательной системы при проведении корректирующих воздействий, разработки математической модели биотехнической системы «комплекс корректирующего воздействия - дыхательная система человека»; п. 2 в части разработки методического, технического и алгоритмического обеспечения адаптивных комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему человека, обладающих новыми качественными характеристиками, для обеспечения всего разнообразия областей применения в лечебной, восстановительной и спортивной медицине.
Апробация результатов работы.
Результаты диссертационной работы докладывались: на Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы (г. Новочеркасск, 2000), XV и XVI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2002, г. Санкт-Петербург, 2003), научных сессиях, посвященных Дню радио (г. Тула, 2002-2010), 4-й Международной Российско-Баварской конференции по биомедицинской инженерии (г. Москва, 2008), Всероссийской научно-технической конференции
«Информационные и управленческие технологии в медицине» (г. Пенза, 2008), 10-й Международной Российско-Германской конференции по биомедицинской инженерии (г. Санкт-Петербург, 2014), международных НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир, 2004, 2006, 2014), Всероссийских конференциях «Проблемы проектирования систем и комплексов» (г. Тула, 2006-2014), Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники» (г. Самара, 2015), Международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения в науке и технике» (г. Омск, 2015), Международной НТК «Надежность и качество» (г. Пенза, 2015, 2016), на ежегодных научных семинарах ТулГУ (2004-2015).
Публикации. Основные положения диссертации и результаты научных исследований по теме диссертации отражены в 49 публикациях, из них -в 14 научных статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патентах на изобретение и полезные модели, 1 монографии, 3 учебных пособиях (2 с грифом учебно-методических объединений в области приборостроения, оптотехники, биомедицинской техники и автоматизации).
Личный вклад автора во всех работах, выполненных в соавторстве, включает постановку задач, разработку основных методов, моделей и средств построения комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему, обработку и анализ результатов. Автор является непосредственным исполнителем всех теоретических и экспериментальных исследований.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений, изложена на 278 листах машинописного текста, содержит 119 иллюстраций, 12 таблиц, список литературы из 233 наименований.
Анализ существующих математических моделей и методов моделирования процессов в дыхательной системе человека
На практике было подтверждено, что неинвазивная вспомогательная вентиляция легких (ВИВЛ) в ночной период способна нивелировать у больных с хронической дыхательной недостаточностью расстройства газообмена [63,64,71]. Методика перевода больных после длительной ИВЛ на спонтанное дыхание представляет сложную многоэтапную процедуру, которая включает в себя проведение ВИВЛ [64]. Авторы Сметнев А.С., Юревич В.М., Гальперин Ю.С. проводили многочисленные клинические исследования указанной методики, результаты которых подробно изложены в работах [63,64,77].
Обобщенный опыт сотрудников НИИ пульмонологии МЗ РФ показал [71,157], что включение сеансов неинвазивной ВВЛ в комплексную терапию пациентов способствовало быстрой нормализации газового состава крови и кислотно-щелочного состояния, улучшению вентиляционно-перфузионных отношений, уменьшению альвеолярно-мертвого пространства, экономизации работы дыхательной мускулатуры, повышению эффективности терапии декомпенсации легочного сердца, сокращению продолжительности пребывания пациентов в стационаре [155,156].
В последние десятилетия отмечается рост заболеваемости хроническим обструктивным бронхитом и бронхиальной астмой [80,81], а сердечнососудистые заболевания остаются на сегодняшний день основной причиной смертности во всем мире [43,44,55]. Одна из первостепенных задач отечественного и мирового здравоохранения – поиск эффективных немедикаментозных методов лечения заболеваний дыхательной системы, а также восстановления пациентов, перенесших инфаркт миокарда [45,70]. В связи с этим возрастает значимость реабилитационных программ, компонентом которых являются дыхательные упражнения, реализуемые с помощью специальной аппаратуры корректирующего воздействия – дыхательных тренажеров [159,174].
Хронические заболевания легочной системы часто сопровождаются бронхообструктивным синдромом (БОС) - симптомокомплекс нарушения бронхиальной проходимости функционального или органического происхождения [80,81], который проявляется приступообразным кашлем, экспираторной одышкой и приступами удушья [159,167]. Описано более 100 причин развития бронхообструктивного синдрома, самыми частыми из которых являются хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) и бронхиальная астма (БА) [229,230].
Хроническая обструктивная болезнь легких - одна из важнейших проблем современного здравоохранения всего мира из-за возрастающей распространенности этого заболевания [80,81,233]. Смертность от этого заболевания занимает 4-е место среди всех причин смертности в возрастной группе старше 45 лет [80,81,233]. По данным исследования, проведенного Всемирной организацией здравоохранения и Мировым банком, к 2020 г. ХОБЛ будет занимать 5-е место по заболеваемости и 3-е место в структуре смертности среди всех болезней [80,81,159]. В России по официальным данным МЗ РФ насчитывается около 1 млн. больных ХОБЛ, однако, согласно эпидемиологическим исследованиям, их должно быть более 11 млн [167].
Бронхиальная астма в современном обществе также относится к числу наиболее распространенных заболеваний [230,233]. По оценке академика Чучалина А.Г. [159,167] в России насчитывается около семи миллионов больных бронхиальной астмой, из них около одного миллиона больных с тяжелым течением бронхиальной астмы. Бронхиальная астма рассматривается как хроническое воспалительное заболевание дыхательных путей вне зависимости от степени тяжести [230]. Все вышеизложенное показывает высокую актуальность лечения БА [80,230] для здравоохранения нашей страны и всего мира. Концепция медикаментозной терапии с использованием ингаляторов подробно разработана специалистами НИИ пульмонологии [80,174].
Наряду с медикаментозными методами [186] широкое применение находит регулярное применение реабилитационных мероприятий с использованием физических факторов лечения [174].
В настоящее время реабилитация является «золотым стандартом» ведения больных с ХОБЛ и тяжелой астмой [174]. «Дыхательная гимнастика для больных с астмой необходима как эффективное средство реабилитации, дополняющее базисную терапию. Тренировки дыхания путем создания положительного давления в конце выдоха конкретно показаны при бронхиальной астме, т. к. улучшают проходимость бронхов и нормализуют газообмен» [167,174,229]. Эти упражнения, по мнению специалистов НИИ пульмонологии, показаны во все периоды болезни (при обострении и в ремиссии).
Достоверно установлено [174], что под влиянием целенаправленных физических нагрузок и тренировок имеют место положительные изменения практически во всех системах организма. Физические тренировки ведут к увеличению кровотока в коронарных артериях в несколько раз, улучшению утилизации энергетических веществ [159,174], кислорода, а самое существенное - физическая нагрузка способствует развитию коллатерального и дополнительного кровообращения в сердечной мышце.
Более 5.3 миллионов жизней в год уносят последствия гиподинамии. Системные изменения при гиподинамии у больных с двигательными нарушениями, среди которых следует выделить снижение максимального потребления кислорода, атрофию мышечной системы, приводят в период реабилитации к гиперметаболической тканевой гипоксии [174]. Это происходит при значительном усилении функций различных тканей, особенно мышечной, повышении их потребностей в кислороде и неспособности организма адекватно увеличить к ним приток крови, богатой кислородом [174].
Основные методы построения математических и структурно-функциональных моделей обработки сигналов и распознавания дыхательной активности, рекомендации по их выбору
Для принятия решений необходимо, чтобы выполнялось условие A(Y) Aп, где Ап- пороговое значение правдоподобия вычисляется из дополнительных предпосылок при постановке задачи обнаружения начала вдоха/выдоха [120,123]. Натуральный логарифм полученного отношения правдоподобия и условие принятия решения определяются формулой [119]:
Как следует из полученной формулы, для принятия решения необходимо просуммировать все N1 отсчетов выборки Ги после вычислений сравнить с левой частью, куда входит пороговое отношение правдоподобия [69], дисперсия помехи и полусумма N1 отсчетов полезного сигнала UQ. Устройство контроля и управления со встроенной программой позволяет реализовать данный алгоритм.
После принятия решения всегда остается вероятность, что могут быть допущены ошибки, связанные с пропуском сигнала (запаздыванием начала/окончания инспираторной/экспираторной активности) и с ложной тревогой (задание сопротивления раньше времени) [123]. Иллюстрация зависимостей, определяющих связь этих вероятностей с величиной Лпи характеристиками сигнала и помех, изображена на рис.2.3. Рис.2.3. Графики функций плотности вероятностей
Для нахождения пороговых значений правдоподобия можно воспользоваться критерием Неймана-Пирсона [68,69], который позволяет решить задачу обнаружения по заданному допустимому значению вероятности ложных тревог, при условии минимизации вероятности пропусков полезных сигналов. Также можно использовать критерий Байеса в случае известных безусловных априорных вероятностей наличия и отсутствия полезного сигнала в выборке, в котором пороговое значение отношения правдоподобия выбирается из условия минимизации риска [119].
Вышеприведенные алгоритмы относятся к алгоритмам с фиксированным временем измерения [66]. При слежении за дыханием пациента продолжительность играет важную роль, так как непосредственно влияет на эффективность воздействия при организации корректирующего воздействия на дыхательную систему [120,123]. Как видно из рис. 2.2, улавливание начала вдоха/выдоха при фиксированном значении выборки может привести к задержке или неправильному включению сопротивления в дыхательный контур и ощущению дискомфорта, а также ошибкам идентификации состояния дыхательной системы. Метод последовательного анализа и его возможности по оценке начала вдоха/выдоха Более перспективным является применение последовательного алгоритма для повышения эффективности корректирующего воздействия и проведения диагностирования уровня тренированности человека.
Особенность последовательного анализа заключается в возможности учета при выборе правил прекращения наблюдения и вынесения решения не только стоимости тех или иных ошибочных решений, но и стоимости проведения экспериментов по получению элементов выборки [69,119]. Другой важной особенностью метода последовательного анализа является возможность целенаправленно влиять на ход эксперимента на последующих шагах с учетом результатов, полученных на предшествующих шагах, в том числе при меняющихся независимо от экспериментатора условиях наблюдения [69,213].
В данном случае проверка гипотез (обработка результатов измерения давления) происходит на каждом этапе наблюдения, т.е. при получении каждого очередного отсчета [120]. При данном подходе применяется критерий отношения вероятностей. На каждом этапе составляется отношение правдоподобия (m) y1(y(m)) L = , (2.5) y0(y(m)) где m - номер последнего отсчета, y1(y(m)) – плотность вероятности наличия сигнала в выборке, y0(y(m)) - плотность вероятности шума с параметрами, характерными для каждого пациента, уi – измеренное значение давления в дыхательном контуре при получении очередного отсчета. ym = (y1, y2,..., ym). При этом пространство наблюдений делится не на две области, а на три - H0, H1, Z (рис.2.4). Наблюдение продолжается до тех пор, пока вектор y не попадет в H0, или H1, после чего и принимается соответствующее решение. Таким образом, процесс слежения может закончиться в любой момент, из-за чего и достигается эффективность работы комплексов корректирующего воздействия. \0) Область принятия Нх Рис.2.4. Области принятия решений Величина N m сличается с двумя постоянными пороговыми значениями, А и В (А В) [66]. Если N m В, то принимается гипотеза Но, то если А т) А, то принимается гипотеза Hj, если же В Л}т А, испытание продолжается, т.е. берется (піч-І)-й отсчет, находится Л \ с которым поступают точно также (рис.2.5), и так далее, пока после некоторого /7-го отсчета положение не определится [69]. Таким образом, метод последовательного анализа является оптимальным в том смысле, что заданная верность достигается при наименьшем среднем числе измерений [119].
Метод диагностики состояния дыхательной системы при реализации дроссельного режима воздействия. Параметрический анализ характеристик давления при дроссельном воздействии
Производилась обработка по 10 вдохов и 10 выдохов при релейном воздействии у 23 человек. Достоверность результатов измерений связана с воспроизводимостью от опыта к опыту.
Применяя указанный подход, формируется признаковое пространство, основными составляющими которого являются коэффициенты ai ,a1i ,bpi , характеризующие изменение состояния дыхательной системы [121], что дает возможность сформировать обобщенную структуру алгоритма автоматического анализа состояния человека (рис.3.5). По результату каждой фазы воздействия проверяется условие, при котором: Q[ai ,bi , a1i ,b1i ,bpi ,b2]S VOZD=1 – тренировочное воздействие продолжается; Q[ai ,bi , a1i ,b1i ,bpi ,b2]S VOZD= 0 – завершение сеанса воздействия, где S – площадь, включающая в себя область допустимых значений для конкретного человека.
На основании экспериментально-аналитической оценки изменения параметров давления при реализации релейного типа воздействия на дыхательную систему решена проблема автоматизированного выделения признаков [131], характеризующих изменение состояния человека при работе с комплексами корректирующего воздействия на дыхательную систему человека. Выявлено, что значимыми показателями являются коэффициенты на 1-ом и третьем участке аппроксимирующих функций, изменение которых относительно начального значения указывает на необходимость прекращения процедуры тренировочных воздействий или изменение давления переключения.
Изложенный подход, как показали исследования, может быть использован для проведения аналогичного анализа характеристик дыхательной системы при обеспечении дроссельного воздействия.
Метод диагностики состояния дыхательной системы при реализации дроссельного режима воздействия. Параметрический анализ характеристик давления при дроссельном воздействии Одним из режимов функционирования ККВДС является дроссельный, при котором происходит создание добавочного сопротивления в контуре тренажера [128,223], что может применяться для повышения эффективности лечебно-профилактических, физкультурно-оздоровительных и реабилитационных мероприятий [223]. Основой функционирования таких комплексов является способность обеспечения режимов самонастройки, базирующихся на исследовании характеристик давления [145]. При разработке систем адаптации к дыханию человека, прежде всего, ставится задача: система должна выполнять функциональное назначение, определяемое целью управления с наилучшими показателями качества и для разработки таких систем применяют принцип оптимальности, позволяющий обеспечить наилучшее выполнение цели управления [79]. Следует учитывать тот фактор, что система полностью неизвестна и во время дыхания требуется определить такие параметры воздействия комплексов, чтобы она была оптимальной по принятому показателю качества [128]. Применение принципа адаптации позволяет искусственно создать эффект приспособления к изменяющемуся дыханию пациента за счет того, что часть функций по получению, обработке и анализу недостающей информации осуществляется самой системой в процессе работы ККВДС с помощью специального блока диагностики. Это позволяет существенно снизить влияние неопределенности на качество воздействия комплексов и скомпенсировать недостаток априорной информации о дыхании пациента [128].
При проведении параметрического анализа исследованы результирующие экспериментальные характеристики взаимодействия биотехнической системы «комплекс корректирующего воздействия – дыхательная система человека» в дыхательном контуре макетного образца, согласно структурной схеме, представленной в главе 2, главе 6.
Для нахождения информационных параметров введены нагрузочные сопротивления в дыхательном контуре относительно начального уровня – свободное дыхание без сопротивления с обозначением R0, полностью перекрытый дыхательный контур обозначен как R , количество уровней нагрузочных воздействий – N, тогда последовательное изменение нагрузки разобьется на N интервалов и обозначится i = 0,1...N . Известно, что 1 сопротивление в дыхательных путях R» , где Ss- площадь сечения. Ss Обозначив исходную площадь сечения 2,5 см2 за единицу, можно использовать данный метод для любых сечений дыхательных трубок, умножив на соответствующий коэффициент.
Численное моделирование и анализ динамики функционирования биотехнической системы «комплекс корректирующего воздействия - дыхательная система человека»
В процессе работы с комплексами корректирующего воздействия на дыхательную систему человека одним из основных блоков [141] является подсистема самодиагностики, реализуемая аппаратно-программными методами, которая должна обеспечивать своевременную оценку и корректировку работы основных составляющих блоков тренажера, отказоустойчивость функционирования, с сохранением и восстановлением способности к выполнению основных функций в требуемом объеме в течение заданной наработки при наличии определенного количества отказов, что обеспечивает исключение возможности появления баротравмы пациента и негативного воздействия на дыхательную систему [141].
Для формального описания конструкции комплекса корректирующего воздействия на дыхательную систему человека (ККВДС), как исходного объекта получения и обработки диагностической информации, воспользуемся известным в математике методом замены объекта моделью, построение которой связано с выделением основных исследуемых явлений и блоков в объекте, а также связей между ними [47,61].
Как было показано выше, интеллектуальный ККВДС является сложной информационно-технической системой, содержащей множество блоков, состояния которых характеризуются дискретно - непрерывно изменяющимися параметрами [148,162]. Здесь и далее под блоками ККВДС, как элементами информационно-технической системы, понимаются части конструкции, обладающие определенным запасом энтропии, не изменяющие своего состояния при программном (исправном) функционировании системы, а также блоки, выполняющие передачу или преобразование электрического сигнала или какого-то рабочего тела данной системы (газа, жидкости и т.п.). Причем степень детализации элементов последнего типа такова, что при подаче ненормального сигнала на любой вход блока на всех его выходах будет получен также ненормальный сигнал [149,161]. Примем, что общее количество этих параметров достаточно велико, они взаимосвязаны, взаимозависимы и обладают информационными свойствами. С учетом целевого предназначения стоящей задачи, очевидно, что математическая модель должна быть пригодной для исследования вариантов ККВДС на этапе его разработки в условиях неполной информации о системе. В качестве математического аппарата построения модели воспользуемся теорией абстрактных множеств [162].
Определим систему на теоретико-множественном уровне, представив ее на непустых множествах в виде Vci х {Wi:iG 1} , (5.1) где х - символ декартова произведения; /- множество индексов. В информационной системе множество /конечно, поэтому (5.1) можно представить в виде V a Wi х И/?х ... х Wn. (5.2)
Отношение V, выраженное декартовым произведением двух непустых множеств Va W{x W2, можно определить бинарным отношением. Согласно [141], бинарное отношение а между множествами Wi и выражается через множество упорядоченных пар (y,z), где ує Wj, zeW2 . Если (y,z) є а, то это означает, что у находится в соотношении а к ги записывается в виде ya z. Бинарное отношение а между множеством у и им самим (т.е., Wf= W2 = у) определяется отношением на множестве у, т.е., 171 V а ух у, где у = уі,у2,...,у„ . Для получения оптимального ряда информационных диагностических параметров определенной нами системы в дальнейшем будем использовать понятие ориентированного графа, который представляет собой тройку [100] G = [N, А, р\, состоящую из: - множества N вершин; - множества А дуг или ориентированных ребер; - функции ср : А N х N, которая ставит в соответствие каждому ребру (дуге) ає А упорядоченную пару (p,q) вершин, называемых концами этого ребра. C учетом теоретико-множественного характера представления системы ориентированный граф будет являться математической моделью системы V. Для дальнейшего анализа этой модели введем некоторые понятия [47,61]. Главной системой, или МТ- системой, будем называть всякую систему, которую намереваемся анализировать. Таким образом, система V будет являться МТ - системой. Расчленимой системой является такая система, для которой существуют средства, позволяющие расчленить ее на подсистемы или блоки. Средства декомпозиции могут являться не только реальными, но обязательно должны быть концептуальными.
Полученное в результате декомпозиции множество всех блоков (подсистем) будем называть S - множеством МГ-системы [189]. Очевидно, существует столько же 5-множеств данной системы, сколько способов ее расчленения. Тогда при данном 5-множестве МГ-системы ее структура определится как вся совокупность отношений между блоками, принадлежащими данному -множеству [162].
Следовательно, если в качестве множества N графа G [N , A,j] рассматривать множество (S-множество) подсистем системы V (МT-R системы), то математическая модель в виде графа G является, согласно принятому определению, моделью структуры системы V. Эту модель в дальнейшем будем называть структурным графом системы [148].
В результате декомпозиции системы V получаем S-множество МT-системы, состоящее из множества всех подсистем {V1 ,V2,... ,Vj,... ,Vn}. В качестве подсистемы Vj (согласно определению блока) может быть взят и функциональный информационный блок системы [47,61]. Тогда функциональные блоки Vj системы V могут, очевидно, рассматриваться в качестве множества вершин структурного графа GR[N , A,j], т.е. N = {V1,V2,...,Vj,...,Vn} , (5.3) а множество ребер этого графа - как совокупность существующих связей между функциональными блоками V1 и Vn.
Граф GR [N , A,j] описывает последовательность всех функциональных и информационных преобразований, происходящих в системе. По существу GR [N , A,j] представляет собой комплексный алгоритм функционирования системы [161]. Вершинами графа GR[N , A,j] являются блоки, в которых осуществляются функциональные и информационные преобразования. Анализ функционирования систем, относящихся к классу ККВДС, в различных режимах позволяет утверждать, что процесс преобразований в такой системе имеет последовательный характер, а информационный и функциональный обмен происходит между разными блоками (подсистемами).