Software & Systems

Продолжение. Начало в № 1.

В настоящее время в СССР и за рубежом существует ряд компьютерных систем для медицинской диагностики. К ним относятся системы, которые используют для постановки диагноза (результат диалога с пациентом), а также системы, автоматически регистрирующие, обрабатывающие и интерпретирующие объективные параметры состояния организма в реальном масштабе времени. Последний вид систем считают более перспективным, так как в них возможность пациента повлиять на результат диагностики сведена к минимуму. Кроме того, они имеют более широкую область применения.

Параметры, используемые в качестве входной информации в подобных системах, должны адекватно отражать состояние организма и удовлетворять требованиям простоты автоматизации их регистрации, в противном случае эффективность использования системы значительно снижается. С этой точки зрения перспективными являются электрофизиологические характеристики. Системы, использующие в качестве информативной какую-либо из них, способны диагностировать ограниченное количество патологических состояний, связанных с той подсистемой организма, для которой данная характеристика является информативной. Например, по электрокардиограмме можно судить о сердечно-сосудистых заболеваниях, электроэнцефалограмме — о состоянии центральной нервной системы и т. д. Для расширения области применения диагностической системы следует использовать несколько электрофизиологических характеристик. Естественно, с увеличением количества одновременно регистрируемых характеристик снижается оперативность постановки диагноза, поэтому необходим поиск такого информативного показателя, который отражал бы состояние наибольшего количества подсистем организма.

Большое количество экспериментальных данных подтверждает возможность использования для этих целей показателей активности точек акупунктуры (ТА). Именно эти точки позволяют судить о состоянии подсистем организма и применять параметры, регистрируемые в них, в качестве входных для диагностических компьютерных систем. Наиболее простым для автоматизации является электрокожное сопротивление (ЭКС), регистрируемое в ТА. Опыт показывает, что для повышения адекватности получаемых оценок состояния организма на входе системы вместе с ЭКС ТА должны использоваться традиционные электрофизические параметры, не требующие сложных средств регистрации и интерпретации.

В отделе медицинского электронного приборостроения Калининского политехнического института разработано несколько автоматизированных диагностических систем под общим наименованием «Электроника-Прогноз», отличающихся друг от друга набором вычислительных средств и теми электрофизиологическими параметрами, которые используются совместно с ЭКС ТА в качестве информативных. Базовая модель системы реализована на мини-ЭВМ СМ-4 и обладает широким спектром функциональных возможностей. В качестве дополнительного информативного параметра она использует последовательность значений длительности R-R интервалов электрокардиограммы. Система решает следующие задачи:

—  регистрирует последовательность зна чений длительности R-R интервалов необхо димой длины;

—  вычисляет по этой последовательности совокупность информативных признаков;

—  измеряет ЭКС совокупности ТА;

—  автоматически анализирует статистиче ские параметры последовательности значе ний длительности R-R интервалов и ЭКС ТА с целью идентификации патологических состояний.

Использование в качестве информативных признаков спектральных характеристик, вычисленных по последовательности значений длительности R-R интервалов без учета составляющей, обусловленной изменением средней частоты пульса, является новым и перспективным подходом к решению задач диагностики.

Кроме перечисленных функций, система обеспечивает ведение базы данных результатов обследования как конкретного пациента, так и группы пациентов с одинаковой патологией.

Создание информационно-вы числительных систем, к которым относится и медицинские диагностические, предусматривает решение двух основных задач:

—  разработка комплекса технических средств (КТС);

—  создание программного обеспечения (ПО). Взаимосвязь КТС и ПО должна оптимально соответствовать цели создания системы.

Структура автоматизированной диагностической системы «Электрон и ка-Прогноз» представлена на рис. 1. Специфика задач медицинской диагностики, необходимость хранения и переработки большого объема информации, в частности, для придания системе адаптивных свойств, предъявляет определенные чребования к быстродействию базовой ЭВМ и средствам управления йнепгней памятью. Этим требованиям удовлетворяет мини-ЭВМ СМ-4 в конфигурации, представленной в таблице.

Технические средства

Задачи, решаемые системой, по функциональной значимости могут быть представленье в виде определенной иерархической совокупности. Так, задачи первого и второи) уровней иерархии реализованы с помощью соответствующего КТС. Первый уровень, где решаются задачи сбора и первичной обработки информации, технически поддерживается измерительными электродами, датчиком пульса и устройством сопряжения с объектом, в котором реализован измеритель ЭКС ТА с основными функциями:

— подача в ТА тестирующего стабилизированного тока; — отслеживание переходного процесса, вызванного его

действием;

—  минимизация тестирующего воздействия на организм че-

ловека;

— регистрация отклика ТА. В устройстве сопряжения находится и модуль выделения полезной информации по каналу из мерения длительности R—R интервала, его функционально можно разделить на две части; цифровое преобразование и вычитание сколь зящего среднего. Первая часть преобразует                выходные сигналы датчика пульса в импульсы,

длительность которых соответствует времени между двумя соседними R — зубцами электрокардиограммы. Вторая часть модуля аппаратным путем исключает из последовательности значений длительности R—R интервалов составляющую, обусловленную изменением средней частоты пульса. Это значительно облегчает анализ высокочастотных составляющих вариативности сердечного ритма. На выходе устройства сопряжения находятся аналоговые сигналь! с Та, цифровое выражение длительности текущего R—R интервала и это же значение с исключением составляющей, детерминированной изменением средней частоты пульса. Второй уровень иерархии составляют задачи организации обмена информационными

признаками, выделенными устройством сопряжения из общего потока информации, с процессором мини-ЭВМ. Данный класс задач решается использованием необходимого количества функциональных модулей обработки данных из унифицированного набора КАМАК. Связь их с центральным процессором осуществляется через контроллер крейта КК-60. Задачи третьего и четвертого уровней иерархии решаются с помощью ПО системы. Причем на третьем уровне основными являются задачи оптимизации, поиска экстремума функции состояния с учетом определенных ограничений на диапазон изменения регистрируемых параметров, а на четвертом — выходная информация преобразуется в вид, удобный для восприятия врачом. На се основе врач делает заключение о состоянии здоровья пациента. Для решения вышеуказанных задач ПО реализует следующие функции: — управление процессом измерения физиологической информации и регистрация ее в оперативной памяти в режиме реального времени с последующей выгрузкой данных

на магнитные диски;

— настройка комплекса на сбор данных по одному или

двум каналам одновременно;

— контроль измеренных значений на отклонение от

заданных интервалов изменения параметров, а также

выявление аномальных измерений по их совокупности;

— математическая обработка и оценка измеренных значений;

— предоставление врачу данных о ходе процесса измерения и регистрации физиологической информации, результате

контроля и ходе вычислений;

— предоставление врачу результатов измерения, мате матической обработки и оценки состояния организма пациента;

— организация работы с файлами физиологической информации для обеспечения их долговременного хранения и осуществления связи различных подсистем ПО. ПО диагностической системы построено на принципах модульности. Отдельный модуль выполняет ряд функций, связанных технологией сбора и обработки диагностической информации.

Этим достигаются легкая модифицируемость и наращивание функциональных возможностей диагностической системы. Подобное построение значительно сокращает временные затраты

при эксплуатации системы. Новые программные единицы MOiyr разрабатываться и отлаживаться автономно при соблюдении информационной совместимости и присоединяться к системе без корректировки существующего ПО. Структура ПО диагностической системы «Электроника-Прогноз» приведена на рис. 2. Оно состоит из пяти подсистем, которые представляют собой самостоятельные функциональные

блоки, выполняющие функции:

'                                                                     — управления;

— жгара, регистрации, контроля и оценки физиологической f  информации;

атематической обработки физиологической информации; — отображения результатов измерений и математической обработки физиологической информации; — ведения информационных файлов. Подсистема уравления обеспечивает интерактивный режим работы всей диагностической системы. Благодаря применению в ее составе «дружественного» интерфейса врачу не требуется системотехнических знаний при настройке системы на конкретный режим работы. В результате диалога в общую область памяти помещаются параметры, управляющие функционированием остальных подсистем ПО. Другой подсистемой, ориентированной на общение с врачом, является подсистема отображения информации, которая обеспечивает удобную форму представления выходной информации. Она предоставляет возможность отображения на экране дисплея или устройстве печати результатов измерения, статистической обработки физиологической информации и оценки состояния организма пациента. Отдельные подпрограммы подсистемы могут быть подключены к головным программам других подсистем и работать в

их составе.

Создание подсистемы ведения информационных файлов обусловлено двумя причинами: во-первых, с ее помощью преодолеваются ограничения, накладываемые операционной системой на работу с файлами, во-вторых, системой реализуется накопление информации о пациенте в ходе лечения, устраняется взаимовлияние различных подсистем ПО друг на друга, тем самым повышается надежность ПО в целом. Подсистема осуществляет передачу информации из файлов с фиксированными в программах именами в файлы длительного хранения по окончании работы подсистемы сбора информации и обратную передачу информации из файлов длительного хранения во входные файлы подсистем математической обработки и отображения информации. Имена файлов длительного хранения задаются врачом с использованием унифицированного кодирования, несущего сведения о виде опрашиваемого канала, характере и дате получения помещенной в файл информации. Рассмотренные модули ПО носят сервисный характер и могут изменяться в зависимости от конфигурации вычислительных средств. Ядро ПО составляют подсистемы сбора и математической обработки информации. Характер информационных потоков в подсистеме сбора и контроля информации представлен на рис. 3. В подсистеме имеется два канала, различающиеся по способу получения и переработки информации. Канал измерения ЭКС ТА включает в себя модуль измерителей ЭКС ТА, в котором имеется ряд программ, написанных на машинно-ориентированном языке. Модуль генерирует сигналы для модулей крейта КАМАК, задавая необходимый режим измерения, принимает цифровые коды измеренных значений ЭКС ТА, преобразует их в значение физической величины, формирует массив измеренных значений ЭКС ТА. Доступ модуля статистического контроля, в котором происходит проверка корректности выполненных измерений, к данному массиву осуществляется через общую область памяти Для этой цели используются параметры многомерного распределения ЭКС ТА, хранящиеся в модуле среднестатистических характеристик, которые могут изменяться на основе накопленного статистического материала. Первоначально необходимые параметры распределения определяются исходи из предыдущих исследований. Сообщение о количестве обнаруженных аномальных измерений выдается врачу, а в файл исходной информации наряду с массивом значений ЭКС ТА заносится вектор-маска для того, чтобы отмстить аномальные измерения. Термин «аномальное измерение» в данном случае обозначает инструментальную погрешность, вызванную неверной установкой датчика или сбоем в работе измерительной схемы.

Канал регистрации длительности интервала содержит модуль интервального контроля, в котором значение длительности R—R интервала проверяется на нахождение между минимально и максимально возможными значениями.

Значения, вышедшие за пределы этого интервала, исключаются из рассмотрения. В этом же модуле формируется массив значений длительности R—R интервалов, который доступен модулю статистического контроля посредством общей области памяти. В данном модуле вычисляются параметры распределения фиксированной последовательности значений длительности R—R интервалов, и на их основе определяются аномальные элементы последовательности. Далее такие элементы либо отбрасываются, либо заменяются среднестатистическим значением. Для тестирования последовательности используются характеристики, вычисленные по ее значениям, поэтому процедура статистического контроля носит итерационный характер. Все зарегистрированные артефакты под-считьшаются счетчиком аномальных измерений, показания которого служат разрешением для проведения вычислений по полученным значениям последовательности диагностических признаков.

Эти вычисления производятся в модуле выделения информативных признаков, который по желанию пользователя может вычислять следующие параметры:

—  центральные моменты распределения значений длительности R—R интервалов до четвертого порядка включительно;

—  параметры гистограммы распределения значений длительности R—R интервалов;

—  статистические характеристики амплитуд интерва лограммы;

—  статистические характеристики модуля разности значений длительности двух смежных R—R интервалов;

—  индексы напряженности в различной трактовке;

Рисунок 2.Структура программного обеспечения диагностической системы «Электроника-Прогноз»

— спектральные характеристики вариативности сердечного ритма. Далее вычисленные значения заносятеяв файл исходной информации. Следует отметить, что количество одновременно используемых для диагностики информативных признаков не должно превышать 16. Иногда ввиду большого количества ошибок измерения при постановке диагноза невозможно использовать параметры сердечной деятельности и ряд измеренных ЭКС ТА. В этом случае система выдает информацию, на основе которой врач делает вывод относительно результатов диагностикиОсновные вычислительные операции осуществляет подсистема математической обработки информации (структура представлена на рис. 4). Входной файл содержит информацию об измеренных значениях ЭКС ТА и параметрах сердечного ритма. Они статистически неоднородны и поэтому используются различными частями подсистемы. Это обусловило наличие двух отдельных модулей статистического оценивания,двух модулей определения измененных признаков и двух областей памяти, предназначенных для хранения параметров распределения, по которым производится статистическое оценивание. Все эти модули попарно идентичны по выполняемым функциям и виду перерабатываемой информации. Модуль статистического оценивания определяет наличие отклонения зарегистрированного вектора состояния от нормального. Если состояние классифицируется как отклонение от нормы, то модулем определения измененных признаков находятся величины, его обусловившие. Оценка состояния по ЭКС ТА производится по меридианам и группам ТА, функционально связанным с различными органами и системами организма. Оценка по параметрам сердечного ритма осуществляется по измененным статистическим характеристикам, позволяющим судить о той или иной патологии. Следует отметить, что используемые для статистического оценивания первоначальные значения параметров распределения устанавливаются из опыта предыдущей эксплуатации системы и в процессе её работы могут преобразовываться. Таким образом система приобретает адаптивные свойства. Полученный набор измененных меридианов (при интерпретации его с использованием основных положений рефлексотерапии) может дать врачу перечень наиболее вероятных патологий, а также классические методы для коррекции состояния пациента. Эти функции возложены на модуль интерпретации вычислений. Для того, чтобы получить комплексную оценку состояния организма с использованием ТА и параметров сердечного ритма, в подсистеме математической обработки предусмотрен модуль инвариантной оценки. Полученные по каналам результаты приводятся к одной шкале измерений и определяется степень отклонении состояния организма от нормального:

—  функциональные изменения;

—  патология;

—  хронические изменения;

—  угрожающее состояние.

Все результаты вычислений помещаются в файл, используемый подсистемой отображения информации для предоставления врачу следующих данных:

— меридианы и ТА, показывающие значимое изменение состоянии организма при

оценке по ЭКС ТА;

—   область наиболее вероятных патологий и способы их коррекции, определенные в соответствии с классическими представлениями рефлексотерапии на основе измененных значений ЭКС ТА;

—  статистические параметры последовательности значений длительности R—R интервалов, фикси рующие значительное изменение состояния организма при оценке по параметрам сердечного ритма

—  степень выраженности изменений, определенная на основе инвариантного учета информации «■ обоих каналов.

Таким образом, врач получает достаточно информации для быстрой и объективной постановки диаг ноза.

Система «Электроника-Прогноз» может широко использоваться при оценке состояния здоровья че ловека. В частности, при проведении массовых осмотров, для контроля состояния больных в процесс! лечения, дифференциальной диагностики различных заболеваний, выявления ранних признаков неко торых профессиональных заболеваний, контроля эффективности применения лекарственных средств Ввиду того, что система позволяет определять изменения уже на функциональном уровне, ее можно ис пользовать для контроля состояния спортсменов в условиях тренировок и соревнований.

Методики, реализованные в системе, апробировались с 1978 по 1987 г. в различны* медицинских t спортивных учреждениях. Так, на кафедре нервных болезней Калининского государственного медицинского института проводилась работа по диагностике различных заболеваний головного мозга, что позволило определить больных арахноидитом с вероятностью не менее 0.8, В Ереванском институте кардиологии АН АрмССР были проведены работы по выявлению сердечно-сосудистых патологий. Были подтверждена возможность идентифицирования различных видов заболеваний, например гипертонии кардиосклероза, ишемической болезни сердца с вероятностью не ниже 0.84. В этих же медицинских учреждениях проводились работы по контролю состояния больных в процессе лечения и эффективности проведения лечебных процедур. По данным института кардиологии при успешном лечении (подтвержденном традиционными методами диагностики) инфаркта миокарда день лечения идентифицируется с вероятностью не ниже 0.8. Это может иметь большое значение для прогнозирования процесса лечения. На базе Калининской спортивной школы испытывались методики оценки функционального состояния спортсменов-борцов. Различия состояния организма спортсмена до и после тренировки определены с вероятностью не ниже 0.95.

Отдел медицинского электронного приборостроения КПИ является научно-исследовательской орга низацией, поэтому не может наладить собственное опытное и серийное производство, хотя техническая документация для выпуска опытной партии аппаратуры подготовлена и уже выполнена часть опытно-конструкторских работ. Программная и техническая части системы могут работать с СМ-4, ДВК-ЗМ. «Искра-226», заканчивается отладка усгройств и программ дли работы в вычислительной среде IBM PC. Отдел очень заинтересован в сотрудничестве с промышленными предприятиями. Опытная партия одного из вариантов системы в настоящее время готовится к выпуску. Технические средства системы изготавливаются как стандартный модуль устройства связи с объектом яПериферия-83» для стыковки с вычислительной машиной ДВК-ЗМ.