Программные продукты и системы

Математические методы и вычислительная техника активно используются в Московском научно-исследовательском институте микрохирургии глаза с 1979 года для решения медицинских, научных, медико-биологических, организационных и медико-технических задач и охватывают следующие направления: индивидуальный расчет параметров оперативного вмешательства оптико-реконструктивной хирургии, автоматизированные системы управления, планрования и обработки офтальмологической информации, математическое моделирование микрохирургических операций на глазном яблоке при разработке и обосновании новых методов лечения.

ЭВМ. Социальный аспект

Цель рефракционных операций (кератотомии, термокоагуляции) — дозированное изменение клин! ческой рефракции глаза, достигаемое путем задания параметров оперативного вмешательства с учете индивидуальных особенностей пациента. Параметры операции существенно зависят от исходных д» ных пациента — рефракции роговицы, ее ригидности, толщины (переменной по меридианам), диаметра внутриглазного давления, возраста и т. д. При выборе параметров операции (количество надрезов, ps меры центральной оптической зоны, глубина просечения и др. — при кератотомии; число коагуляц» глубина коагуляции, диаметры свободной зоны — при термокератокоагуляции) на основе одного толь* опыта и интуиции (без точного расчета) легко допустить ошибку, что может привести к значительны величинам гипо- и гиперкоррекций как по клинической рефракции глаза, так и по степени астигматизм

Средством достижения высокой точности определения параметров хирургического вмешательсп при коррекции близорукости, дальнозоркости и астигматизма являются разработанные в МНТК «Микц хирургия глаза» комплексы программ «Кератотомия» и «Термокератокоагуляция».

Комплекс программ «Кератотомия» предназначен для расчета параметров следующих типов керап томии: радиальная, тангенциально-радиальная, радиальная неравномерная, радиальная секторальна радиально-продольная, тангенциальная, тангенциально-продольная, радиально-тангенциально-секи ральная, продольная, радиально-тангенциальная, радиальная повторная. Кроме того, комплекс вкл! чает в себя программу определения наиболее подходящего типа кератотомии по степени миопии, щ астигматизма и его степени.

Комплекс программ «Термокератокоагуляция» предназначен для дооперационного индивидуал ного прогнозирования сферического и цилиндрического компонентов клинической рефракции глаза пр радиальной, радиально-неравномерной, секторальной и двухэтапной радиально-секторальной коагул ции роговицы в зависимости от диаметров центральной оптической зоны, глубины коагуляции, коли ства лучей коагуляций. Комплекс программ позволяет рассчитывать оптимальный план расположен! коагуляций для данного пациента.

Комплексы программ разработаны на языке ТУРБО-ПАСКАЛЬ для любого персонального компи тера (совместимого с IBM) с графическим дисплеем и занимают объем около 600 килобайтов.

Алгоритм каждой из программ комплексов представляет собой математическую модель дефори ции роговой оболочки глаза. Деформация роговицы рассчитывается с применением методов теор» упругости. Для определения неизвестных параметров модели по статистическим данным применяют! методы регрессионного анализа, основанные на минимизации эмпирического риска.

Анализ результатов около 2000 операций кератотомии и термокератокоагуляции показал, что в! процентах случаев ошибка расчета сферического компонента не превысила 1,0 дптр (максимальн! ошибка — 2,4 дптр). При этом ошибка расчета цилиндрического компонента в 70 процентах случаев! превысила 0,5 дптр (максимальная ошибка — 1,8 дптр).

Ошибка прогнозирования складывается из трех компонентов: ограниченности объема обучающе! материала, ошибок измерений (в частности отсутствие измерений ряда параметров в случае заме» средними значениями), а также неадекватности математической модели деформации роговицы.

Из оценок равномерного относительного уклонения эмпирического риска следует, что при объеи выборки 2000 отклонение минимума будет не более 5% (при доверительной вероятности 0,95), аизо1| нок предельной точности прогнозирования на данном обучающем материале следует, что геометричв кие характеристики выборки не позволяют описать ее какой-либо липшицевой функцией (со скол угодно большой константой Липшица) с более высокой точностью.

Таким образом, точность прогнозирования рефракционного эффекта операций можно повыш только путем повышения точности измерений ряда параметров и в частности глубины коагуляции, ■

Для проведения расчетов необходимо ввести следующую информацию о пациенте: фамилию, гга (правый или левый), возраст, субъективную рефракцию — сферический и цилиндрический компонент! остроту зрения без коррекции и с коррекцией, рефракцию роговицы в главных меридианах, диаметр роговицы, длину глаза, толщину роговицы в 4 точках — в центре, на диаметре 3 мм, 7 мм и 10 мм, и тонометра — Маклакова или Шиотца — и измерения для тонометров веса 5,0; 7,5; 10,0 и 15,0 г тони тра Шиотца.

Все данные вводятся с клавиатуры компьютера, а система подсказок и меню позволяет работать хирургу с комплексом программ без предварительной подготовки. Главное меню представляет хирургу одну из четырех возможностей — проводить расчеты, работать с базой данных, проводить статистическую обработку накопленных данных или выйти из программы.

Для выбора нужного режима необходимо стрелкой вверх или вниз переместить «окно» на нужный режим и нажать клавишу «Исполнение».

При вводе исходных данных на экране дисплея высвечивается информация о том, какие данные вводить, как управлять курсором и как закончить ввод и перейти к следующему меню.

Выходная информация представляется либо в виде таблиц с прогнозными значениями сферического и цилиндрического компонентов при различных сочетаниях параметров операции, либо в графическом — в виде плана нанесения кератотомических надрезов или коагуляций.

При необходимости можно получить твердую копию результатов расчета на печатающем устройстве.

При этом если хирург не согласен с оптимальным планом операции, рассчитанным компьютером, он имеет возможность задать план операции по своему усмотрению и получить этот план в графическом виде с рассчитанными прогнозными значениями сферического и цилиндрического компонентов для использования твердой копии этого плана непосредственно в процессе операции.

Комплексы программ кроме обеспечения расчетами позволяют накапливать результаты операций в базе данных. При необходимости можно редактировать данные в базе данных, копировать на другие носители, распечатывать записи, создавать новые базы данных, удалять ненужные записи. Кроме того, в комплексах предусмотрен интерфейс с широко распространенной системой DBASE III через промежуточный файл в формате ASCII. Это позволяет, в частности, подготавливать данные в среде этой системы, а затем передавать их в базу данных описанных комплексов для проведения расчетов без ввода исходных данных через клавиатуру. Возможно решение и обратной задачи — передачи данных пациентов, для которых проводился расчет, в среду DBASE III для пополнения центральной базы данных.

В комплексах предусмотрена статистическая обработка результатов операций, внесенных в базу данных, а именно: расчет средних, среднеквадратических отклонений, ошибок средних, максимальных и минимальных значений, коэффициентов корреляции.

Используемые пакеты программ построены таким образом, что позволяют без существенных переделок включать процедуры, соответствующие новым видам кератотомии, термокератокоагуляции, а также после проведения переобучения на новых статистических данных изменять существующие проце-ДУРы.

Комплексы программ «Термокератокоагуляция» и «Кератотомия» совместимы, что позволяет использовать общую базу данных, проводить расчеты для одного и того же пациента как для кератотомии, так и для кератокоагуляций при планировании хирургического вмешательства в сложных случаях.

Комплексы программ для обеспечения разработок новых методов офтальмологического лечения

Другим важным направлением работ по компьютеризации лечебного процесса МНТК «Микрохирургия глаза» является разработка математических моделей нормальных и патологических процессов зрения для обеспечения разработок новых методов лечения органа зрения. К основным направлениям моделирования на ЭВМ можно отнести: моделирование преобразований световых лучей в оптической системе глаза, гемодинамики, динамики микродвижений интраокуляр-ных линз.

Наличие отлаженной математической модели, например оптики глаза, позволяет научным работникам в короткое время оценивать оптимальные параметры оптико-хирургических операций, отрабатывать на модели новые методики, а также проверять научные гипотезы без постановки или со значительным сокращением биологического моделирования.

Для разработки новых методов коррекции близорукости, дальнозоркости и астигматизма применяется математическое моделирование на ЭВМ деформации роговицы в результате хирургического воздействия. В основу математической модели положены следующие допущения: роговая оболочка представляет собой однородную изотропную упругую оболочку с модулем Юк порядка 0,2 кг/мм2 и коэффициентом Пуассона 0.47, определяемым по данным эластотонометри! корнеометрии и офтальмометрии; форма роговицы до операции полностью определяется дан ными офтальмометрии и корнеометрии; деформация роговой оболочки происходит под да ствием напряжений, возникающих при коагуляции, действии постоянного внутриглазного дави ния порядка 15.0 мм рт. столба, определяемого по данным эластотонометрии; роговая оболоч* жестко закреплена у лимба; в отдаленные сроки после операции на периферии роговицы в зон коагуляций образуется рубец с более высоким модулем упругости.

Функциональные зависимости для напряжений, возникающих в зоне коагуляции, а также дл модуля упругости в этой области представлены в виде регрессионных соотношений, подобра) ных методом структурной минимизации риска по статистическим данным в классе функций кон чной емкости.

Базисные функции, определяющие форму меридиана роговой оболочки после деформацш задаются в виде отрезка ряда Фурье, коэффициенты которого определяются путем решен! вариационной задачи исходя из принципа минимума потенциальной энергии. При этом напрям ния, возникающие в зоне коагуляции, составляют 0,04—0,18 кг/мм2 в зависимости от индив) дуальных параметров глаза и методики термокератокоагуляций.

Для обеспечения оперативности расчетов решение системы дифференциальных уравнен* аппроксимировано кусочно-линейными зависимостями.

Неизвестные параметры модели, характеризующие напряжение в зоне коагуляций и модул упругости, рассчитывались по данным пациентов с известным рефракционным эффектом опер; ции. Критерий качества идентификации имел вид частоты попадания реальных значений пост операционной рефракции в заданную полосу отклонения от расчетных значений, не превосход) щую 0,5 дптр по сферическому и 0,25 дптр по цилиндрическому компонентам. Функциональна зависимости для неизвестных напряжений были подобраны таким образом, что система событи попадания реальных значений рефракции в заданную полосу отклонения от расчетных значен! имеет конечную функцию роста, мажорантой которой является функция роста класса полугр странств, образованных линейными решающими функциями.

Офтальмологические информационные системы

В 1986 году на базе Московского научно-исследовательского института микрохирургии глаз был создан Межотраслевой научно-технический комплекс «Микрохирургия глаза». В кратчайи сроки планируется создать вычислительную сеть, связывающую центральный институт в Моем с филиалами в 11 городах РСФСР. Сведения о вылеченных пациентах будут по каналам свя поступать и накапливаться в мощной ЭВМ, что позволит, во-первых, объективно оценива) работу в области оптико-реконструктивной хирургии всего Комплекса, а во-вторых, провел анализ офтальмологической помощи. Кроме того, ЭВМ возьмет на себя и функции координатор при решении экономических проблем, возникающих при функционировании всего компленс задач, связанных с материально-техническим снабжением и пр.

Основным назначением локальной вычислительной сети в типовом микрохирургичесю офтальмологическом центре (модуле) является создание базы данных, в которой хранятся он сания результатов пройденного каждым пациентом соответствующего этапа лечения согласи разработанной технологии, что позволит перейти к безбумажному ведению истории болезп Кроме того, указанная локальная вычислительная сеть должна обеспечивать управление пани натом долечивания, иметь информационные системы, обслуживающие склад медицинского об) рудования, аптеку, планово-экономическую службу, расчет зарплаты кадровому составу соответствии с эффективностью работы сотрудников и т. д.

Локальная вычислительная сеть микрохирургического офтальмологического модуля дсот состоять из 27 персональных компьютеров и 12 печатающих устройств. В соответствии с техноя гией прохождения обследования пациента в модуле и оказания ему хирургической помощи щ сональные микрокомпьютеры должны быть установлены в следующих службах и подраздел ниях модуля: регистратура предоперационной зоны, кабинеты предоперационной диагностик кой линии, врача-консультанта, кабинет врача-анестезиолога-терапевта, операционная (неси рильная зона), регистратура послеоперационной зоны, кабинеты послеоперационной диагноп

ческой линии, кабинеты врачей-консультантов для осмотра прооперированных больных, кабинет отдела лечебного контроля, служба инженеров вычислительного центра, кабинет директора модуля, администрация пансионата долечивания, административно-хозяйственная служба, аптека, планово-экономическая служба, служба медицинской статистики.

В настоящее время совместно с фирмой «Скот Европеен» проводятся работы по автоматизации ввода информации с диагностической линии приборов непосредственно в микроЭВМ типа IBM PC/XT, минуя стадию ручного ввода информации с клавиатуры. После реализации этих работ количество необходимых для офтальмологического модуля микроЭВМ уменьшится до 19 единиц (все они должны работать в локальной вычислительной сети).

В качестве сетевой рабочей станции выбран микрокомпьютер типа IBM PC/XT (или другой микрокомпьютер, полностью совместимый с ИВМ PC/XT на аппаратном системном уровнях).

В качестве базовой ЭВМ выбран микрокомпьютер типа IBM PC/AT (или другой микрокомпью тер, полностью совместимый с IBM PC/AT на аппаратном и системном уровнях). В качестве сете вого программного обеспечения выбрано Novell advanced Network Software с сетевыми интерфейс ными платами типа PC-NET interface (Orchid Technology).                                                                                                    .

В качестве системы управления базой данных выступает DBASE III PLUS с сетевым программным обеспечением LAN PACK (1 на каждые 3 станции).

В дальнейшем планируется переход к безбумажному ведению стандартной истории болезни при всех видах заболеваний.