Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биоинформационный подход в оценке состояния хирургических больных с патологией желчевыводящих путей

ВАК РФ 03.01.09, Математическая биология, биоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Биоинформационный подход в оценке состояния хирургических больных с патологией желчевыводящих путей"

На правах рукописи

ДУДИН Николай Александрович

БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД В ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ХИРУРГИЧЕСКИХ БОЛЬНЫХ С ПАТОЛОГИЕЙ ЖЕЛЧЕВЫВОДЯЩИХ ПУТЕЙ

03.01.09 — математическая биология, биоинформатика (медицинские науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата медицинских наук

5 ДЕК 2013

Сургут-2013 005542590

005542590

Работа выполнена в Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты-мансийского автономного округа -Югры».

Научный руководитель: Еськов Валерий Валериевич

кандидат медицинских наук, доцент

Официальные оппоненты: Полухин Валерий Владимирович

доктор медицинских наук, главный врач НУЗ «Отделенческая клиническая больница на станции Сургут ОАО «РЖД»»

Воронцова Зоя Афанасьевна

доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой гистологии

ГБОУ ВПО «Воронежская государственная медицинская академия им H.H. Бурденко» Минздрава РФ

Ведущая организация: Государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава РФ

Защита состоится «29» декабря 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 800.005.05 при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа -Югры» по адресу: 628400 г. Сургут, пр-т Ленина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры» по адресу: 628400 г. Сургут, пр-т Ленина, 1.

Автореферат разослан « 28 » ноября_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.Н. Русак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выполнение операционного вмешательства всегда сопровождается существенными изменениями не только физиологических (патофизиологических) параметров организма, но и резкими изменениями психического состояния больного. Десятилетиями в медицине ведется дискуссия о влиянии психического состояния больного на состояние нейровегетативного статуса и в конечном отношении и на характер протекания заболевания и скорости выздоровления больного. Общеизвестна связь состояния параметров вегетативной нервной системы (ВНС) с характером течения заболевания и процессом выздоровления. Однако, количественные взаимоотношения между параметрами ВНС и параметрами гомеостаза остаются все еще мало изученными.

Особое значение имеет характер этого взаимоотношения при операционных вмешательствах. Считается, что на первом этапе операции может преобладать активность парасимпатической системы, которая демонстрирует тоническое состояние не только ВНС, но и всего гомеостаза в целом. Тоническое состояние сопровождается пролиферацией клеток (она необходима при заживлении раневого канала), низкой вязкостью крови и слабыми иммунными ответами. Однако, по мере выздоровления организма ведущая роль в гомеостазе переходит к симпатической нервной системе, которая соответствует фазическому состоянию ВНС и всего гомеостаза (Скупченко В.В. 1990-1998, Еськов В.М. 1996-2006).

Управление динамикой ВНС в виде волнового перехода от парасимпатотонии к симпатотонии осуществляется в том числе и на психическом уровне. В этой связи изучении динамики таких переходов и их влияния на репарационные процессы и выздоровление в целом представляет особый интерес не только для хирургии, но и для общей теории патологии в целом (Еськов В.М., Хадарцев A.A., 2006-2012). Количественная идентификация процессов смены парасимпатотонических и симпатотонических (тонических и фазических) состояний гомеостаза у хирургических больных -это особая проблема для хирургии. В первую очередь это обусловлено тем, что задержка организма после операции в состоянии парасимпатотонии чревата серьезными последствиями для пациента (выздоровление будет затягиваться, возможны хронические процессы). Наоборот, удержание гомеостаза в глубокой симпатотонии (что характерно для предоперационного периода) будет задерживать начало репарационных процессов, увеличивает сроки пребывания пациента в больнице. В этой связи мы можем говорить и о проблеме управления такими процессами, но управление требует разработки точных количественных методов измерения состояния ВНС и методов оценки степени влияния управляющих воздействий на организм оперируемого пациента. В качестве управления выступают и экофакторы среды, т.к. тяжесть заболевания часто зависит от сезона года и это также требует научного изучения.

Все это приводит к необходимости разработки новых биоинформационных методов оценки качества управления послеоперационным периодом и обработки информации о состоянии пациента как перед операцией, так и в период выздоровления для оценки эффективности лечения. Период после операции также важен, как и период перед операцией, а разработка интегративных методов оценки динамики ВНС в ходе операционного вмешательства является очень важным разделом хирургии, т.к. обеспечивает правильное ведение больного как до операции, так и после. Разработка новых методов оценки состояния гомеостаза у операционных больных может базироваться на новом подходе в медицине, который основан на теории хаоса-самоорганизации (ТХС). В рамках ТХС становится возможным осуществить интегративное определение статуса больного и выработать комплексное обоснование в оценке нейровегетативного статуса больного с позиций именно многомерного фазового пространства состояний (Хадарцев А.А Фудин Н А 2006-2012). '

Целью настоящих исследований явилось установление закономерностей в поведении интегративных показателей вектора состояния организма больного в зависимости от характера хирургического вмешательства (экстренная или плановая операция) и от сезонов года. Задачи исследования:

1. Получение данных о состоянии ряда нейровегетативных параметров организма больного и его биохимического статуса крови перед операцией и после в два разных сезона года (осень-зима и весна-лето). Эта данные должны подвергнуться последующей обработке и на их основе получить заключение о состоянии функций организма больного.

2. Произвести расчёт параметров квазиатгракторов вектора состояния вегетативной нервной системы больных и матриц межатгракторных расстояний этих же групп с целью установления различий при сезонных и тендерных сравнениях, и одновременный расчёт параметров квазиаттракторов вектора состояния ряда биохимических показателей и матриц межатгракторных состояний для этих же сезонных показателей.

3. Получение количественных оценок относительно возможных скоррелированных изменений квазиатгракторов вегетативной нервной системы и биохимического статуса оперируемых больных двух групп(плановые и экстренные больные) для последующей выработки стратегии возможного управляющего воздействия на организм хирургических больных на основе изменения полученных интегративных

параметров (объемов квазиатгракторов и межатгракторных расстояний %>•

Научная новизна исследований:

1. Впервые получены статистические данные о сезонном характере изменения параметров вектора состояния вегетативной нервной системы и биохимического статуса у хирургических больных в условиях обского севера.

2. Установлено существенное различие между параметрами женского и мужского организма (особенно в связи с сезонными изменениями): у мужчин в осенне-зимний сезон сумма всех элементов матрицы межаттракторных расстояний на порядок (409,6 у.е.) превышает суммы других категорий обследуемых (сумма ниже 20 у.е.).

3. Межаттракторные расстояния и сами размеры квазиаттракторов ВСОЧ пациентов - мужчин в осенне-зимний сезон существенно различаются не только для ВНС, но и по параметрам биохимического статуса организма. Эта корреляция свидетельствует о существенных глобальных сдвигах в организме человека перед хирургическим вмешательством. Определенная согласованность имеется и для параметров матриц межаттракторных расстояний у больных после перенесенного хирургического вмешательства при сравнении групп плановых и экстренных больных.

Практическая значимость:

1. Сравнение методов системного анализа и синтеза выявило эффективность использования алгоритма покластерного расчёта параметров квазиаттракторов вектора состояния организма пациентов разных групп в фазовом пространстве состояний, что уже используется в клинике.

2. Показаны существенные различия в параметрах квазиаттракторов движения вектора состояния организма больных с учётом пола в разные сезоны года в условиях применения хирургического лечения (особенно для группы в осенне-зимний сезон).

3. Установлен характер влияния хирургического лечения на числовые характеристики квазиаттракторов вектора состояния организма больных разных групп, что позволяет идентифицировать наиболее важные диагностические признаки, т.е. параметры порядка.

4. Получены количественные характеристики параметров межаттракторных расстояний движения вектора состояния организма больных разных групп в условиях применения хирургического лечения, что обеспечивает оценку эффективности применения этих методов при хирургических заболеваниях, а также позволяет корректировать программу реабилитационных мероприятий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обострение хронических заболеваний желчевыводящей системы в северных регионах зависит от сезонного снижения реактивности организма и особенно опасно для пришлого населения.

2. Поздней осенью (ноябрь) и в зимние месяцы года повышается частота осложнений и выхода за границы норм (особенно для мужчин по биохимическому статусу) при патологии желчевыводящих путей.

3. Для оценки характера влияния хирургического лечения целесообразно использовать расчёты межаттракторных расстояний при внутрикластерных (у группы больных с одной нозологией или в группе с учётом пола) или межкластерных сравнениях.

4. Для оценки эффективности проведения управляющих лечебных воздействий на больных с патологией желудочно-кишечного тракта целесообразно производить расчёт как параметров квазиатгракторов, так и межаттракторных расстояний, т.к. эти числовые характеристики позволяют интегративно выявлять особенности течения этих заболеваний в зависимости от пола пациента.

5. Имеется существенный разброс показателей параметров функциональных систем организма у экстренных и плановых пациентов до и после оперативного лечения в разные сезоны года.

Внедрение результатов исследования. Полученные результаты исследования внедрены в практическую деятельность в НИИ «Новых медицинских технологий» (г. Тула); в НУЗ «Отделенческая клиническая больница на станции Сургут ОАО "РЖД"» (г. Сургут), о чём свидетельствуют акты внедрения, а также используются в учебном процессе Медицинского института ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты -Мансийского автономного округа - Югры», на курсах повышения квалификации медицинских работников.

Апробация работы. Основные результаты исследования изложены на пятой международной конференции «Математические идеи П.Л. Чебышева и их приложение к современным проблемам естествознания» (Обнинск, 2011); научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в медицине» (Хургада, Египет, 2010 г.); на XII окружной конференции молодых учёных Ханты-Мансийского автономного округа - Югры "Наука и инновации XXI века" (Сургут, 2011 г.).

Личный вклад автора. Автор лично собрал и обработал первичный материал (300 историй болезни пациентов хирургического отделения МУ ЦГБ г. Ноябрьска Ямало-Ненецкого автономного округа за 2010-2011 гг.). Автором самостоятельно выполнена статистическая обработка полученных количественных данных, выполнен расчёт параметров квазиаттракторов, межаттракторных расстояний и их интерпретация, выполнено написание текста диссертации.

Публикации по теме диссертации. По материалам исследования опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 печатных работы в журналах, включённых решением ВАК России в список рекомендуемых при соискании учёной степени кандидата наук.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы (181 наименование работ, из которых 126 — отечественных и 55 - зарубежных). Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста и содержит 35 таблиц и 15 рисунков.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работа выполнена в условиях лаборатории функциональных систем организма человека на севере ГБОУ ВПО «Сургутского государственного

университета Ханты — Мансийского автономного округа - Югры» в период 2010-2013 гг.

Анализ колебательной структуры сердечного ритма (вариабельности сердечного ритма - ВСР) у хирургических больных производился с помощью фотооптических датчиков и специализированного программного вычислительного комплекса на базе ЭВМ. В устройстве применялся оптический пальцевой датчик (в виде прищепки), с помощью которого производилась регистрация пульсовой волны с одного из пальцев кисти пациента. Прибор снабжен программным продуктом «ЕЬСЮЯАРН», который в автоматическом режиме позволяет отображать изменение ряда показателей в режиме реального времени с одновременным построением гистограммы распределения длительности кардиоинтервалов (КИ). Анализ ВСР проводился в положении сидя, при ровном дыхании, в тихом помещении. Перед началом исследования пациент проходил период адаптации к окружающим условиям в течение 10-15 минут.

При спектральном анализе, вычислялась спектральная плотность мощности (СПМ) ВСР, которая отражает распределение по частоте в среднем мощности (колебательной активности) ВСР. Обработка массивов кардиоинтервалов (кардиограмм) производилась непараметрическим методом вычисления СПМ ВСР (метод Уэлча), с использованием процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ). При этом, рассчитывался и усреднялся набор спектров в получаемых на последовательно смешанных во времени коротких сегментах исходной последовательности ВСР. В рамках такого подхода оценивалась СПМ ВСР, производился расчет СПМ для трех стандартных интервалов частот (0-0,04 Гц), (0,04-0,15 Гц), (0,15-0,5 Гц), производилась оценка показателей симпатической вегетативной нервной системы (СИМ) и парасимпатической вегетативной нервной системы (ПАР), определялся индекс Баевского Р.М. (ИБ).

Одновременно у групп больных производились измерения уровня ряда биохимических показателей (глюкозы — Г (ммоль/л); билирубин общий (мкмоль/л); билирубин прямой — БП (мкмоль/л); аланинаминотрансфераза (АЛАТ); аспартатаминотрансфераза (АСАТ)). Всё это было координатами х, вектора состояния системы (ВСС), при этом образовывался кластер компонент ВСС (общая размерность фазового пространства Ш1 = 15) и кластер компонент вектора состояния биохимических параметров крови (ш2=5). В данной работе представлено фазовое пространство состояний для ВСР (ФПС) с Ш| = 15 (с выбранными параметрами порядка этого ФПС ш=5) и ФПС биохимического статуса с ш2=5.

Методами обработки данных послужили оригинальные инновационные программы, используемые для интегративной оценки состояния нейро-вегетативного и биохимического статуса организма оперируемых больных. Параметры нейровегетативной системы (НВС) и параметры биохимического статуса организма образовывали два больших кластера данных (ФПС с Ш| и ш2). Эти данные рассчитывались в рамках традиционной статистики и новыми биоинформационными методами. Рассмотрим основные алгоритмы расчета.

Новые методы основаны на идентификации объемов квазиаттракторов (КА) в ФПС первоначально для одного кластера (группы больных) и далее для другого. При этом производилось поэтапное (поочередное) исключение из

расчета отдельных компонентов jc, вектора состояния х=(хи х2..... Хщ)т

функциональных систем организма (ФСО) с одновременным анализом параметров квазиаттракторов и сравнением существенных или несущественных изменений в параметрах квазиаттрактора после такого исключения. Алгоритм такой процедуры основывается на следующих этапах расчёта.

Во-первых, в программу расчета на ЭВМ поочередно вводятся исходные значения (компоненты вектора состояний организма человека - ВСОЧ) которые формируются в виде матрицы Ацк= {a,f} "'"'V/, ,m параметров биосистемы, например параметры ВНС, по каждому из к кластеров. Каждый такой кластер включает анализируемые показатели больных, которым предстоит экстренная или плановая операция на желчном пузыре в осенне-зимний период. Второй кластер включает анализируемые показатели больных во второй, весеннее-летний период. Наблюдения производились дважды: перед операцией и после операции. Получаем матрицу состояний для всех р кластеров в т-мерном фазовом пространстве. Здесь i- бегущий индекс компонента вектора х, (i = 1,...,ш),а j-номер (j= 1,...,п) биообъекта (пациента), номер кластера к тоже может изменяться (к =1,...,р). Иными словами элемент такой матрицы а,,к представляет к-й кластер ВНС, i-й компонент ВСОЧ, для j-го пациента (или j-й группы больных).

Далее производится поочередный расчет координат граней для всех i-x параметров ВСОЧ, для всех j-x пациентов ( j= 1,...,п) из k-го кластера (к = 1,...,р). В частности, определялись их длины (Interval), например, для 2-х кластеров (х и у) будем иметь:

А = Dh ' Уi(max)~yi(min),

где x,(max), x,(min) координаты крайних точек, совпадающих с нижней (или левой) и верхней (или правой) границами фазовой области по i-й координате. Далее, рассчитывается вектор

объемов (GeneralValue) V = (V0,V,,.Vp)T, ограничивающих размеры всех квазиаттракторов, а так же показатели асимметрии (Asymmetry) в виде матриц размерности m*m (Pmra) для стохастического

Х,2 .....Х,т ).....Хр =(хр1 , Хр2 ,.... Хрт ) ,

и хаотического центров Х,х=(хи\ хх1т")Т,..., Хрх=(хр,\ xpmxf.

Здесь Х'ь = Y— — формула для идентификации координат к-го РГ и

стохастического центра для k-го кластера квазиаттракторов, который находится

я

путем вычисления среднего V— арифметического для всех одноименных i-x

координат (для точек, находящихся на i-ой оси) из k-го кластера, представляющих проекции конца вектора состояния ФСО на каждую i-ю координатную ось. Отметим, что координатам центра хаотического квазиаттрактора для каждого из всех Р кластеров имеет вид Xklx = Xi(min)+Djk/2, т.е. по этой формуле производится идентификация хаотического центра квазиаттракторов, используемых для расчета матрицы Z. Здесь D,k - это ширина интервала на фазовой координате, т.е. величина грани квазиаттрактора (размер интервала изменения переменной х) в проекции на i-ую координату для k-го кластера измерений.

Отдельно вводится параметр R, показывающий степень изменения объема квазиаттракторов для к -го кластера до и после уменьшения размерности фазового пространства на одну координату ВСС. В исходном приближении

вычисляем Ro=Vo-V02/Vo'. Здесь V0'- общий объем параллелепипеда (= По!),

внутри которого находится 1-й квазиаттрактор движения вектора состояния системы (например, ВСОЧ) для 1-го кластера данных (I - анализируемые показатели ВСР для обследуемых больных, например, до начала терапии или операционных воздействий (исходно)) в ш-мерном фазовом пространстве.

Далее, V02 - объём параллелепипеда (У02 = П D,2), внутри которого находится 2-й

/=1

квазиаттрактор движения ВС для 2-го кластера данных (II — показатели ВСО больных по завершении контрольного наблюдения при терапии или хирургическом вмешательстве) и т.д. для кластеров, общее число которых может быть р (число нозологических групп, например). В нашем случае эти группы формировались в зависимости от сезона года (2 сезона) или по тендерном различиям (группы женщин и мужчин).

Эффективность лечебного воздействия определялась сравнительно, т.е. до начала операции, но в разные сезоны года, или в крайних контрольных точках («исходно» и «по завершении контрольного наблюдения»). При этом изучались оценки интегральных индикаторов в виде объёмов квазиаттракторов и межаттракторных расстояний Z по отношению к разным сезонным периодам, или в разных тендерных группах, или в разных условиях внешних управляющих воздействий(ВУВ)

Эти параметры межаттракторных расстояний в виде элементов общей матрицы z образуют наборы (компартменты) диагностических признаков (маркеров тяжести заболевания) в пределах одной фазовой координаты х, из набора всех координат ш-мерного фазового пространства с одинаковыми диагностическими характеристиками. Иными словами, мы можем находить матрицы межаттракторных расстояний для отдельных групп больных, а можно их рассчитывать и для каждого пациента и получать информацию о тяжести заболевания и эффективности лечения (по значениям z) для каждого конкретного больного. При таких расчётах точкой отсчёта может быть центр квазиаттрактора группы больных (с одинаковыми признаками) или центр квазиаттрактора референтной группы (например, средние параметры нормы или патологии). Всего было р квазиаттракторов в 2-х кластерах. Первый

9

кластер 4 группы (мужчины и женщины) в 2 сезона года, второй кластер-группы плановых и экстренных больных.

Все р объемов (к = 1,2,...,р) всех КА образуют вектор объемов КА Уа= (Ус1,Ук2,...,Уер)т, где р - число кластеров (в нашем наблюдении для группы пациентов в контрольных точках наблюдения). Одновременно, для таких квазиаттракторов по определённому алгоритму рассчитываются матрицы расстояний Ъ = .....р между центрами хаотических квазиатгракторов

(между к-миГ-м квазиаттракторами в ФПС) по формуле

Аналогично определяется и матрица Ъ расстояний между статистическими

центрами (статистическими математическими ожиданиями), т.е. по формуле

. Эта матрица не учитывает процессы, происходящие на периферии, но она даёт информацию об изменениях в параметрах квазиаттракторов (в гипотезе неравномерного распределения). Точных методов идентификации хаоса пока не существует, поэтому высказывания о равномерности распределения Х;для ВСОЧ в ФПС является гипотезой.

Рис. 1. Дизайн 1-го блока исследования

Полученные расстояния между центрами к-го и Г-го КА или статистическими центрами (статистическими математическими ожиданиями) количественно представляют степень близости (или, наоборот, удаленности) этих 2-х сравниваемых квазиаттракторов в фазовом пространстве состояний. Это

является интегративной количественной мерой оценки эффективности применяемого лечебного воздействия. Если z^f даёт наибольшее расстояние между КА (или статистическим центром при неравномерных распределениях) в разные сезоны года или при плановом (экстренном) операционном вмешательстве в определенной точке контрольного наблюдения (например, для конкретного k-го воздействия в данной точке при контроле лечебного воздействия), то считается, что данное ВУВ является наиболее эффектным из всех исследуемых.

Работа выполнялась в соответствии с Хельсинской Декларацией Всемирной Медицинской Ассоциации. От каждого обследуемого пациента получено информированное согласие на использование материалов в научных целях.

РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В первом блоке настоящего исследования проведено обследование 90 пациентов (мужчин и женщин). Измерения показателей биохимического статуса крови пациентов проводились во всех 4-х группах на персональном компьютере с использованием программы STATISTICA (ver. 10, "Statsoft").

Таблица I

Интегральные показатели статуса вегетативной нервной системы по группам мужчин и группам в два сезона года в гипотезе _непараметрического распределения_

Показатель Сезон года Мужчины Женщины

СИМ Весна-лето 5(2;10) 14,5(4,9;43,74)

(У-е.) Осень-зима 2(1;4) 2(1;4)

РЫ) .01 .46

ПАР Весна-лето 12(8;15) 14(11;16)

(У-е.) Осень-зима 15(12;17) 16(11;18)

РЫ) .04 .41

ИНБ Весна-лето 59(32; 102) 35(24;60)

(У-е.) Осень-зима 35(25;56) 31(21 ;58)

РЫ) .02 .64

ЧСС Весна-лето 98(98;98) 98(98;98)

(уд./мин) Осень-зима 98(87;98) 98(97;98)

Р( м) .60 .22

spo2 Весна-лето 101(95;110) 96(89; 102)

(%) Осень-зима 96(93;103) 96(89;101)

РЫ) .01 .87

Примечание: в таблицы указаны значения медиан; в скобках даны перцентили (0,05;0,95);рм-значение статистической значимости.

Так как распределение полученных величин (биологических данных) согласно выполненному тесту Шапиро-Уилк не соответствует нормальному распределению, все данные представлены в виде медианы и интерквартильного размаха. Интерквартильный размах учитывается в виде 25% и 75% процентилей (см. табл. 1). В виду несоответствия эмпирического распределения нормальному распределению для оценки значимости различий показателей в группах применяли непараметрический критерий Манна — Уитни, достоверность подтверждалась параметромр при значенияхр<0,05.

Таблица 2

Результаты статистической обработки данных измерений показателей биохимического статуса крови пациентов с патологией желудочно-кишечного тракта (хронический калькулёзный холецистит) по сезонам, с учётом пола в осенне-зимний и весенне-летний сезоны за 2012 - 2013 гг.

Показатель Сезон года Мужчины Женщины

АлАТ Весна-лето 26(16,4;66,7) 21(13,7;29,2)

(ед/л) Осень-зима 37(14,7;158,2) 28(11;40,4)

Р( м) .048 .114

АсАТ Весна-лето 24 (16,8;52,2) 20 (15,4;24,3)

(ед/л) Осень-зима 40 (20,1; 141,2) 24 (14,5;36,5)

Р( м) .008 .039

Билирубин общий (мкмоль/л) Весна-лето 15 (8,3;23,2) 14 (9,7; 15,9)

Осень-зима 14,6(9,7;55,2) 14 (3;8,7)

Р< м) .93 .49

Билирубин прямой (мкмоль/л) Весна-лето 3 (1,2;16,1) 3 (1,7;4)

Осень-зима 3,2(1,8;25,9) 3 (1,8;4)

Р( м) .29 .52

Примечание: в таблицы указаны значения медиан; в скобках даны перцентили (0,05;0,95); Р(„> - значение статистической значимости; АлАТ — аланинамино-трансфераза (ед/л); АсАТ - аспартатаминотрансфераза (ед/л).

В результате статистической обработки данных измерений интегральных показателей биохимического статуса крови пациентов с хроническим калькулёзным холециститом (табл. 2) мы наблюдаем достоверное увеличение показателя аланинаминотрансферазы в группе мужчин обоих сезонов (в

весенне-летнее время - 26(16,4;66,7) (ед/л), в осенне-зимнее время 37(14,7; 158,2) (ед/л)) и аспартатаминотрансферазы как у мужчин (в весенне-летнее время - 24(16,8;52,2) (ед/л), в осенне-зимнее время 40(20,1; 141,2) (ед/л) ), так и у женщин (20(15,4;24,3) и 24(14,5;36,5) соответственно). Это свидетельствует о частичном разрушении клеток печени (синдром цитолиза гепатоцитов).

Все остальные показатели биохимического анализа находятся в пределах нормы, что указывает на отсутствие активного воспалительного процесса.

Далее использовался метод идентификации объемов квазиаттракторов движения вектора состояния организма человека (ВСОЧ) в фазовом пространстве с одновременным анализом параметров квазиаттракторов и сравнением существенных или несущественных изменений в этих параметрах после такого исключения.

Анализ характера изменения параметров квазиаттракторов для мужчин и женщин в два сезона года (весенне-летний и осенне-зимний) для характеристики ВСР показывает выраженное различие в состоянии организма мужчин и женщин вообще и по сезонам в частности (табл. 3). Так например, если объемы КА у женщин изменяются в пределах единиц (у.е.), в частности, сезон осень-зима дает Ус = 0,7 *106 (у.е.) (при Ях = 16 (у.е.)), а весна-лето У(; = 2,1 *10б (у.е.), т.е. имеем некоторое увеличение весной. Однако, для мужчин динамика резко противоположная: осень-зима Уа = 100 *106 ((у.е.), при Ях = 383 (у.е.)), а весна-лето Ус = 4,4 *106 9 ((у.е.), при Я„ = 66 (у.е.)).

Эти интегративные показатели (Кс и 1Ъс ) количественно демонстрируют разницу в состояниях ВСР для групп мужского населения (осень-зима очень тяжело переносится для мужчин). Объем квазиатграктора резко уменьшается (в 23 раза Ус весной меньше чем У(; осень-зима) для мужчин, в то время как для женщин весной мы имеем некоторое увеличение, но все параметры гораздо меньше параметров Ус, мужчин. Организм мужчин проявляет выраженные особенности с позиции теории хаоса-самоорганизации. Большие объемы Кс показывают огромный разброс в параметрах ВСР именно для мужского населения.

Таблица 3

Параметры квазиаттракторов характеристик вариабельности сердечного ритма для групп женщин и мужчин в весенне-летний и осенне-зимний периоды года в 4-х мерном фазовом пространстве состояний_

Мужчины Женщины

Rx Ус Rx Ус

Весенне-летний сезон 66 4,4*106 54 2,1*10"

Осенне-зимний сезон 383 100*106 16 0,7*106

Примечание: размерность фазового пространства т=4, первая координата xi -СИМ -тонус симпатического отдела вегетативной нервной системы... (у.е.), хг - ПАР - тонус парасимпатического отдела вегетативной нервной системы (у.е.), Хз - ЧСС- частота сердечных сокращений (уд/мин), х^ — ИНБ- индекс напряжённости по P.M. Баевскому (у.е.).

При объединении этих двух групп, т.е. при образовании сезонных групп без учёта пола, различие в квазиатгракторах по двум сезонам года уменьшается до минимума (в 2 раза, табл. 4). Однако, из-за особенностей в поведении параметров группы в осенне- зимний сезон, квазиаттрактор этого сезона имеет большую величину, что представлено в таблице 4.

Таблица 4

Результаты идентификация объемов квазиаттракторов пациентов по сезонам без учёта половых различий в 4-х мерном фазовом пространстве состояний.

Дх Ус

Весенне-летний сезон 64 4,4* 106

Осенне-зимний сезон 452 9,1 *106

Примечание: размерность фазового пространства т=4. Координаты х аналогичны табл.3

Этот вывод подтверждается при сравнении групп мужчин и женщин без учета сезонности. Мужская группа пациентов резко отличается от женской группы по объемам = 100 * 106у.е. мужчины , а женщины \ЧЗ = 2.7 * 106у.е. т.е в 37 раз меньше, что представлено в таблице 5.

В целом мужская группа больных в осенне-зимний сезон выделяется особым образом и это уже закономерно выделяет пациентов-мужчин в особую группу риска вообще и особенно в осенне-зимний период. На практике это требует усиления профилактических и диагностических мероприятий в эти сезоны года именно для мужского населения.

Таблица 5

Параметры квазиаттракторов ВСР без учёта сезонности, но с учётом пола

ЙХ Ус

Мужчины 4509 100*106

Женщины 55 2,7*106

Примечание: размерность фазового пространства т=4, Координаты х аналогичны табл.3

В таблице 6 представлена матрица межаттракторных расстояний (стохастика) из которой следует особый статус группы мужчин в осенне-зимний период, т.к. эта группа отстоит от других на г>100 (у.е.), остальные

г<10).

Таблица 6

Матрица расстояний Ъ между центрами квазиаттракторов для мужчин и женщин в 2 сезона года по параметрам вариабельности сердечного ритма._

Весенне-летний сезон Осенне-зимний сезон

Мужчины Женщины Мужчины Женщины

Весенне-летний сезон Мужчины 0 3,1 1353 4,5

Женщины 3,1 0 135,2 4,4

Осенне-зимний сезон Мужчины 135,3 135,2 0 139,1

Женщины 4,5 4,4 139,1 0

Ещё более разительные результаты мы имеем в оценке Ъ для хаотических квазиаттракторов (табл. 7), где матрицы в осенне-зимний сезоны дают абсолютный максимум г=506,2 (у.е.)

Таблица 7

Матрица расстояний Ъ между центрами хаотических квазиатгракторов двух групп больных в 2-х сезонах года по параметрам вариабельности сердечного

ритма.

Весенне-летний сезон Осенне-зимний сезон

Мужчины Женщины Мужчины Женщины

Весенне-летний сезон Мужчины 0 22,5 454,5 55,4

Женщины 22,5 0 464,6 42,9

Осенне-зимний сезон Мужчины 454,5 464,6 0 506,2

Женщины 55,4 42,9 506,2 0

В результате расчётов показателей параметров квазиаттракторов биохимического статуса крови пациентов при патологии желудочно-кишечного тракта (табл. 8-10) было получено: у мужчин с патологией желудочно-кишечного тракта в осенне-зимний сезон параметры выше, чем при поступлении на оперативное лечение в других группах.

Использованные в данной работе методы показали, что мужчины и женщины с патологией желчекаменной болезни имеют одинаковую динамику восстановления функций печени, но группа мужчин в осенне-зимний сезон демонстрирует кардинальное отличие по /?т и Уа (табл. 8).

Таблица 8

Параметры квазиатгракторов биохимического статуса крови пациентов при патологии желудочно-кишечного тракта по сезонам, с учетом пола за осенне-зимний и весенне-летний сезоны в 3-х мерном фазовом пространстве состояний. _

Мужчины Женщины

Rx Fr, (*106) Rx KG (*106)

Весенне-летний сезон 17,8 3,1 1,5 0,01

Осенне-зимний сезон 107 4,29*102 27,7 1,3

Контрольная группа 23,4 3,8 44,6 0,6

Примечание: General asymmetry value, Rx - расстояние между геометрическим центром квазиаттрактора и статистическим центром (у.е.); General V value, Vq - объем квазиагграктора (у.е.).

В таблице 9 представлены сводные параметры квазиаттракторов, которые демонстрируют сверхординарность для групп мужчин.

Таблица 9

Параметры квазиаттракторов биохимического статуса крови пациентов при патологии желудочно-кишечного тракта без учета сезонности, но с учетом пола за осенне-зимний и весенне-летний сезоны за 2012 -2013 гг. в 3-х мерном фазовом пространстве состояний. __

Rx Fc(*106)

Мужчины 127 5,67*102

Женщины 31,2 1,4

Контрольная группа Мужчины 7,2 0,6

Женщины 48,2 1,1

Примечание: General asymmetry value, Rx - расстояние между геометрическим центром квазиаттрактора и статистическим центром (у.е.); General V value, Vq — объем квазиаттрактора (у.е.).

Таблица 10

Матрица расстояний 2с между статистическими центрами изучаемых квазиаттракторов, в которых движется вектор состояния биохимического статуса крови пациентов по сезонам, с учётом пола.__

Весенне-летний сезон Осенне-зимний сезон

Мужчины Женщины Мужчины Женщины

Весенне-летний сезон Мужчины 0 13,6 44,1 7,1

Женщины 13,6 0 57,4 8,5

Осенне-зимний сезон Мужчины 44,1 57,4 0 49,8

Женщины 7,1 8,5 49,8 0

Статистические матрицы расстояний представлены в таблице 10, при этом группа мужчин в осенне-зимний сезон имеет максимальное расстояние ъ в ФПС от квазиаттракторов других групп.

В таблице 11 представлена матрица Ъ для хаотических центров (биохимические параметры) для 2-х сезонов года, которые демонстрируют гораздо большие показатели г в сравнении с таблицей 10, но опять особо выделяется группа мужчин в осенне-зимний сезон( 136.2; 163.5; 144.9 у.е).

Таблица 11

Матрица расстояний 2$ между центрами хаотических квазиаттракторов, в которых движется вектор состояния биохимического статуса крови пациентов по сезонам, с учетом пола.__

Весенне-летний сезон Осенне-зимний сезон

Мужчины Женщины Мужчины Женщины

Весенне-летний сезон Мужчины 0 30,3 136,2 34,2

Женщины 30,3 0 163,5 34,4

Осенне-зимний сезон Мужчины 136,2 163,5 0 144,9

Женщины 34,2 34,4 144,9 0

Таким образом сезонная динамика параметров квазиаттракторов явно выделила группу мужчин в осенне-зимнем сезоне, которые и по объемам, и по межаттракторным расстояниям имеют весьма специфические результаты. При этом Уо и являются информационно значимыми интегральными

показателями, которые сейчас в отсутствуют в хирургии.

В третьем блоке исследований представлены результаты анализа интегративных показателей вариабельности сердечного ритма и показателей биохимического статуса крови пациентов, госпитализированных в плановом и экстренном порядке для проведения оперативного лечения по поводу установленного диагноза «желчнокаменная болезнь», (калькулезный холецистит) в осенне-зимний и весенне-летний сезоны.

Анализ размеров квазиаттракторов поведения показателей ВСР при сравнении плановых больных и экстренных продемонстрировал устойчивое увеличение объема Ус после операции. Однако, для плановых больных это увеличение Уа произошло от 3,3*106 у.е. до 10,5*106 у.е., т.е. в 3 раза, но в пределах первого десятка (табл. 12). Наоборот, для экстренных больных исходный объем уже был в 44 раза больше (144,7*10бу.е.) в сравнении с плановыми больными (3,3*10б у.е.) Однако, после операции объем квазиатграктора увеличился незначительно (164,9*106 у.е.), что представлено в таблице 12.

В целом, общая тенденция в сторону увеличения параметров объемов и показателей асимметрии (Я* увеличился с 51,4 у.е. до 64,1 у.е. для плановых, и с 417,01 у.е. до 492,1 у.е. для экстренных больных) сохраняется для этих двух групп по ВСР, но экстренные больные демонстрируют гораздо большие значения интегративных показателей.

Таблица 12

Параметры квазиаттракторов вектора состояния организма плановых и экстренных пациентов по показателям вариабельности сердечного ритма при патологии желчевыводящей системы в 4-х мерном фазовом пространстве состояний.

Плановые Экстренные

Ях Ко(*106) Дх

При поступлении (до оперативного лечения) 51,4 3,3 417,01 144,7

После операции 64,1 10,5 492,1 164,9

Примечание: Кх - расстояние между геометрическим центром квазиаттрактора и статистическим центром (у.е.); Уо - объем квазиаттрактора (у.е.);

Ещё более выраженные изменения мы имеем по параметрам квазиаттракторов для показателей биохимического статуса крови плановых и экстренных пациентов (табл. 13). Однако, эти изменения в динамике имеют другой характер. И Ях, и Уа уменьшаются в двух группах, но на разную величину. Для плановых больных УО уменьшается от 18,6*106у.е. до

1,19*10бу.е, т.е. в 15,6 раза. Однако для экстренных больных мы имеем другие порядки: до операции Уо = 185827.3 *106у.е. (при Ях = 1284.9 у.е), а после оперативного лечения Ув = 19.41 *10бу.е. (при Ях = 159 у.е). Резкая нормализация этих интегральных характеристик демонстрирует в рамках ФПС, эффективность оперативного вмешательства у экстренных больных. При этом Ус всё-таки у экстренных больных не достигает (после операции) величины Ув у плановых больных при поступлении. Это характеризует тяжесть патологического состояния экстренных больных.

Таблица 13

Параметры квазиаттракторов вектора состояния организма пациентов по показателям биохимического статуса крови пациентов при патологии

Плановые Экстренные

Дх Кс(*106) Дх Ус

При поступлении (до оперативного лечения) 32,1 18,6 1284,9 185,8* 109

После операции 13,4 1,19 159,0 19,41*106

Примечание: Я* - расстояние между геометрическим центром квазиаттрактора и статистическим центром (у.е.); У0 - объем квазиаттрактора (у.е.);

Усилением этого тезиса является анализ элементов матриц межаттракторных расстояний, что представлено в таблице 14 (только для хаотических квазиаттракторов).

Таблица 14

Матрица межаттракторных расстояний между центрами хаотических квазиаттракторов у хирургических больных с плановой и экстренными операциями по параметрам вариабельности сердечного ритма

Плановые до операции (п=40)

Плановые после операции (п=40)

Экстренные до операции (п=40)

Экстренные после операции (п=40)

Плановые до операции (п=40)

0.00

74.88

465.2

579.48

Плановые после операции (п=40)

74.8

0.00

390.48

504.69

Экстренные до операции (п=40)

465.2

390.48

0.00

115.19

Экстренные после операции (п=40)

579.48

504.69

115.19

0.00

Из таблицы 14 следует, что экстренные больные отстоят от остальных групп пациентов на самом большом расстоянии в ФПС, что выделяет эту группу(особенно до операции) в особую группу риска. Патологические режимы организма демонстрируют критическое состояние которое

количественно выражается в величинах межаттракторных расстояний по

отношению к остальным трем группам.

ВЫВОДЫ

1. Практически все полученные параметры вариабельности сердечного ритма и биохимического статуса крови хирургических больных не удовлетворяют условию нормального распределения; однако и непараметрическая оценка вариабельности сердечного ритма и биохимических показателей в разные сезоны года (осень-зима и весна-лето) не даёт статистически достоверных различий между сезонными сравнениями (за исключением показателя Б1М в ряде групп). Сравнение плановых больных по вариабельности сердечного ритма (без тендерных различий) на основе критерия Уилкоксона показало статистически достоверные различия по всем 4-м параметрам (Р<0,001 и мах Р<0,003), для экстренных пациентов достоверных различий нет (за исключением РАЯ, Р<0,04). Сравнение этих же групп по критерию Манна-Уитни (до операции плановые и экстренные больные по вариабельности сердечного ритма) статистически недостоверно различаются (за исключением НЯ, Р=0,015). Аналогично отсутствуют различия по критерию Манна-Уитни для вариабельности сердечного ритма у этих двух групп после операции.

2. Для биохимических показателей плановые больные (критерий Уилкоксона) не различаются (кроме параметра С1и и Р<0,001), но экстренные до и после операции различаются существенно (Р<0,001 или Р<0,002). По критерию Манна-Уитни плановые от экстренных до операции различаются существенно (Р<0,001 или Р<0,002), а после операции имеются различия только по А1АТ и АбАТ (Р<0,001). В целом, статистика в рамках параметрической оценки не эффективна, а для непараметрических оценок различия выражено наблюдаются только до операции и после у экстренных больных и при сравнении до операции плановых и экстренных, что показывает низкую эффективность статистических методов.

3. Параметры объемов квазиаттракторов групп мужчин и женщин в весенне-летний и осенне-зимний сезоны года показали существенное отличие группы мужчин в осенне-зимний сезон (100 *ю6у.е. против набора всех остальных в 4.4; 0.7; 2.1 *106 у.е.), что свидетельствует о резком отличии этой группы (с большими индивидуальными разбросами) по ВСР. Одновременно и матрицы расстояний г,у для этой группы мужчин в осенне-зимний период дают результат в 135.3 у.е. (мужчины); 135.2 у.е. и 139.1у.е для женщин (в два сезона), что демонстрирует в целом крайне неблагоприятный статус мужской группы в осенне-зимний сезон.

4. Ещё более выразительную картину мы наблюдаем по параметрам биохимического статуса: мужчины в весенне-летний сезон Ус = 3.1 *106 у.е а в осенне-зимний сезон Ус = 4.29 *106у.в , при этом женская группа в эти сезоны имела соответственно Ус, = 0.01 *106у.е и Уо = 1.3 *106 у.е, т.е это была очень однородная группа в эти два сезона.

5. Сравнение параметров квазиаттракторов экстренных и плановых больных продемонстрировало динамику понижение Vo после операции в этих двух группах, но для экстренных Vc даже не достигает значений плановых до операции. Межаттракторные расстояния демонстрируют аналогичную направленность и эти оба показателя могут быть использованы как интегративные для оценки тяжести заболевания и эффективности проведения лечебных мероприятий.

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе: Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Дудин Н.С., Русак С.Н., Хадарцев A.A., Хадарцева К.А. Новые подходы в теории устойчивости биосистем - альтернатива теории A.M. Ляпунова. // Вестник новых медицинских технологий - 2011 — Т. XVIII, №3 — С.336-337.

2. Дудин H.A., Гришаева Ю.Е., Дрожжин Е.В., Смагина Т.В. Анализ микрохаотической динамики вектора состояния организма больных в условиях хирургического вмешательства // Вестник новых медицинских технологий - 2012 - Т. XVIII, № 2 - С. 414-415.

3. H.A. Дудин, Е.В. Дрожжин, Сидоркина О.Н., Ю.В. Никитина, Биоинформационный анализ влияний консервативного лечения на ингибиторы фибринолиза системы гемостаза при критической ишемии нижних конечностей // Вестник новых медицинских технологий. - 2013. -№ 1. - http://wvm.medtsu.tula.ru/vnmt/index.htrnl

4. Дудин H.A., Еськов В.В., Сидоркина О.Н., Хаотическая динамика параметров гемостаза у больных с критической ишемией нижних конечностей // Вестник новых медицинских технологий. - 2013. - № 1. http://medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2013-l/4625.pdf

5. Дудин H.A., Еськов В.В., Никитина Ю.В. Хаотическая динамика параметров плазменного звена гемостаза при синдроме критической ишемии нижних конечностей // Вестник новых медицинских технологий. — 2013. - № 4. — С. 14-18.

Публикации в других журналах и научных сборниках:

1. Дудин H.A., Еськов В.В., Соколова A.A. Сравнительный анализ параметров сердечно-сосудистой системы коренного и пришлого населения Югры // Наука и инновации XXI века. - 2011. - С. 115-119.

2. Еськов В.В., Дудин H.A. Матрицы межатгракторных расстояний поведения вектора биохимических параметров крови у хирургических больных в разные сезоны года. // Экологический вестник Югории - 2012. -Т. IX,№ 1-2.-С.53-59.

3. Еськов В.В., Дудин Н.А.Матрицы межатгракторных расстояний поведения вектора ВСР у хирургических больных в разные сезоны года. //Экологический вестник Югории - 2012. - Т. IX, № 1-2. - С.72-78.

4. Дудин H.A., Еськов В.В., Сидоркина О.Н., Никитина Ю.В. Хаотическая динамика параметров гемостаза больных с критической ишемией нижних конечностей. // Сложность. Разум. Постнеклассика. - 2013 - JV<>2 - С 312.

5. Еськов В.В., Дудин H.A., Бурыкин Ю.Г., Филатова O.E., Химиков A.B. Алгоритмы расчета параметров квазиаттракторов в оценке динамики вектора состояния организма хирургических больных. // Сложность. Разум. Постнеклассика. - 2013. - №3. - С.40-49.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

1. ФСО — функциональное состояние организма

2. НМС — нервно-мышечная система

3. ССС - сердечно-сосудистая система

4. ВНС - вегетативная нервная система

5. АЧХ - амплитудно-частотные характеристики

6. КА — квазиаттрактор

7. НВС — нейро-вегетативная система

8. SIM — индекс активности симпатического звена ВНС

9. PAR — индекс активности парасимпатического звена ВНС

10.HR - частота сердечных сокращений

11.SDNN - стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов 12.INB - индекс непряжения регуляторных систем по P.M. Баевскому 13.Sp02 — уровень насыщения гемоглобина крови кислородом

14.LF — мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности

15.HF — мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности

16.Total power — общая спектральная мощность

17.VLF — мощность спектра свернизкочастотного компонента вариабельности

18.А1АТ - аланинаминотрансфераза

19.AsAT — аспартатаминотрансфераза

Дудин Николай Александрович

БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД В ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ХИРУРГИЧЕСКИХ БОЛЬНЫХ С ПАТОЛОГИЕЙ ЖЕЛЧЕВЫВОДЯЩИХ ПУТЕЙ

03.01.09 - математическая биология, биоинформатика (медицинские науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата медицинских наук

Подписано в печать 27.11.2013 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,05. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ № 92.

Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе издательского центра СурГУ. Тел. (3462) 76-30-65, 76-30-66.

Отпечатано в полиграфическом отделе издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Энергетиков, 8. Тел. (3462) 76-30-67.

ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры» 628400, Россия, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, пр. Ленина, 1. Тел. (3462) 76-29-00, факс (3462) 76-29-29.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата медицинских наук, Дудин, Николай Александрович, Сургут

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ»

04201450371

На правах

иси

ДУДИН НИКОЛАИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

БИОИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД В ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ХИРУРГИЧЕСКИХ БОЛЬНЫХ С ПАТОЛОГИЕЙ ЖЕЛЧЕВЫВОДЯЩИХ ПУТЕЙ

03.01.09- математическая биология, биоинформатика (медицинские науки)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата медицинских наук

Научный руководитель: кандидат медицинских наук,-

доцент В.В. Еськов

Сургут-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ 3

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 11

КЛИМАТОГЕОГРАФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ЯМАЛО-НЕНЕЦКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА

1.1. Климатогеографические условия территории Ямало- 11 Ненецкого автономного округа

1.2. Влияние климатогеографических факторов северных 17 территорий на состояние функциональных систем организма человека

1.3. Состояние гепатобилиарной системы при желчнокаменной 23 болезни и после холецистэктомии

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 31

2.1. Объект и традиционные методы исследования 31

2. 2. Новые подходы в изучении функций организма больного на 50

основе теории хаоса-самоорганизаци 2. 3. Методы теории хаоса-самоорганизации 75

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ 80

ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Результаты анализа полученных данных с помощью методов 80 математической статистики

3.2. Результаты анализа полученных данных новыми 94 биоинформационными методами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ________________106

ВЫВОДЫ 107

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 109

ЛИТЕРАТУРА 110

ПРИЛОЖЕНИЕ 129

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БДС - биологическая динамическая система

ВСОЧ - вектор состояния организма человека

ТХС - теория хаоса-самоорганизации

ФП - фазовое пространство

ЯНАО - Ямало-Ненецкий автономный округ

ДСТ - детерминистско-стахостический подход

ГГТП - глутамилтранспептидазы

ЩФ - щелочная фосфатаза

АсАТ - аспартатаминотрансфераза

АлАТ - аланинаминотрансферазы

ЖКБ - желчекаменная болезнь

БСДК - большой сосочек двенадцатиперстной кишки

ЖКТ - желудочно-кишечный тракт

ПДК - предельно-допустимая концентрация

УФ - ультрафиолетовое излучение

ФСО - функциональное состояние организма

НМС - нервно-мышечная система

ССС - сердечнососудистая система

ВНС - вегетативная нервная система

АЧХ - амплитудно-частотные характеристики

КА - квазиаттрактор

НВС - нейро-вегетативный статус

SIM - индекс активности симпатического звена ВНС

PAR - индекс активности парасимпатического звена ВНС

HR - частота сердечных сокращений

SDNN - стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов

INB - индекс непряжения регуляторных систем по P.M. Баевскому

Sp02 - уровень насыщения гемоглобина крови кислородом

LF - мощность низкочастотного компонента спектра

HF - мощность высокочастотного компонента спектра

Total power - общая спектральная мощность

VLF - мощность спектра сверхнизкочастотного компонента

вариабельности

ВВЕДЕНИЕ

Выполнение операционного вмешательства всегда сопровождается существенными изменениями физиологических (патофизиологических) параметров организма. Много лет в медицине ведется дискуссия о влиянии состояния нейровегетативного статуса на характер протекания заболевания и скорость выздоровления больного. Общеизвестна связь состояния вегетативной нервной системы (ВНС) с характером течения заболевания и процессом выздоровления. Однако количественные взаимоотношения между параметрами ВНС и параметрами гомеостаза остаются все еще мало изученными.

Особое значение имеет характер этого взаимоотношения при операционных вмешательствах. Считается, что на первом этапе операции может преобладать активность парасимпатической системы, которая отражает тоническое состояние не только ВНС, но и всего гомеостаза в целом. Тоническое состояние сопровождается пролиферацией клеток необходимой для заживления раневого канала, низкой вязкостью крови и слабыми иммунными ответами. Однако, по мере выздоровления организма ведущая роль в гомеостазе переходит к симпатической нервной системе, которая отражает фазическое состояние ВНС и всего гомеостаза [96, 36, 42,46,35].

Динамика ВНС в виде волнового перехода от парасимпатотонии к симпатотонии отражается на состоянии всех функций организма. В этой связи изучение динамики таких переходов и их влияния на сердечнососудистой системы,репарационные процессы и выздоровление в целом представляет-особый интерес не только для хирургии,—но и для общей теории патологии в целом [46,47,105,108]. Количественная идентификация процессов смены парасимпатотонических и симпатотонических (тонических и фазических) состояний гомеостаза хирургических больных - это особая проблема для хирургии. Так как длительное пребывание организма пациента в состоянии как в парасимпатотонии, так и в симпатотонии в

послеоперационном периоде ведет к серьезным последствиям для пациента: более длительные сроки выздоровления, увеличение частоты осложнений. Таким образом, проблема управления такими процессами, требует разработки точных количественных методов оценки состояния ВНС, а также методов оценки степени влияния внешних управляющих воздействий на организм пациента. В качестве управления выступают и экологические факторы окружающей среды, что также требует изучения [44,58,59,32,103].

Все это обуславливает необходимость разработки новых биоинформационных методов оценки состояния пациента как перед операцией, так и в период выздоровления для оценки эффективности лечения. Разработка новых методов оценки динамики гомеостаза у хирургических больных может базироваться на новом подходе в медицине, который основан на теории хаоса-самоорганизации (ТХС). В рамках ТХС становится возможным осуществить интегративное определение статуса больного и выработать комплексное обоснование для количественного определения нейровегетативного статуса больного с позиций именно многомерного фазового пространства состояний и метода матриц межаттракторных расстояний [106,107,41,45,46].

Цель исследования: на основе методов биоинформационного анализа установить особенности и закономерности в поведении вектора состояния организма пациентов в процессе хирургического лечения патологии желчевыводящих путей на примере жителей Севера Западной Сибири (г. Ноябрьск).

Задачи исследования: 1т Получить -данные о состоянии -нейровегетативных параметров организма больных с патологией желчевыводящих путей и биохимического статуса их крови перед операцией и после нее в два разных сезона года (осень-зима и весна-лето). Выполнить анализ полученных данных и на его основе сделать заключение о состоянии функциональных систем организма больных, проживающих в условиях Севера Западной Сибири.

2. Произвести расчёт и анализ параметров квазиаттракторов вектора состояния нейровегетативного статуса, биохимического статуса крови больных с патологией желчевыводящих путей и выполнить анализ матриц межаттракторных расстояний этих же групп больных для выявления различий при сравнениях по сезонам года и с учетом пола пациентов.

3. Получить количественные оценки изменений квазиаттракторов нейровегетативного статуса и биохимического статуса крови двух групп больных с патологией желчевыводящих путей (плановые и экстренные пациенты с учетом пола) и оценить динамику изменений полученных интегративных параметров: объемов квазиаттракторов вектора состояния организма пациента и их межаттракторных расстояний - г^.

Связь с основными планами научных исследований. Работа выполнена по плану научных исследований «Лаборатории функциональных систем организма человека на Севере» научно-исследовательского института биофизики и медицинской кибернетики при ГБОУ ВПО «Сургутском государственном университете Ханты-Мансийского автономного округа - Югры» и темой НИОКР «Биофизика сложных систем. Разработка теории и методов идентификации сложных биосистем в рамках общей теории иерархических систем» (Гос.№ ВН ТИЦ 01.20.0008664).

Научная новизна исследования:

1. Впервые получены статистические данные о сезонном характере изменения параметров вектора состояния вегетативной нервной системы и биохимического статуса крови у хирургических больных в условиях

—СевераЗападной Сибири.---------------

2. Размеры квазиаттракторов вектора состояния организма пациентов-мужчин в осенне-зимний сезон как до, так и после операции, существенно различаются по параметрам ВНС и биохимического статуса крови. Такая корреляция свидетельствует о более существенных сдвигах в организме мужчин в осенне-зимний период. Такая же

тенденция установлена и для параметров матриц межаттракторных расстояний у больных после перенесенного хирургического вмешательства при сравнении групп плановых и экстренных больных.

3. Установлено существенное различие между параметрами вектора состояния женского и мужского организмов, в связи с сезонными изменениями: у мужчин в осенне-зимний сезон сумма всех элементов гу матрицы межаттракторных расстояний на порядок (409,6 у.е.) выше суммы элементов в группе женщин (менее 20 у.е.).

Практическая значимость:

1. Методы системного анализа и синтеза позволили доказать эффективность использования алгоритма покластерного расчёта и сравнения параметров квазиаттракторов вектора состояния организма пациентов различных групп в фазовом пространстве состояний, что уже нашло применение в клинике.

2. Показаны существенные различия в параметрах квазиаттракторов движения вектора состояния организма больных с учётом пола в разные сезоны года в при проведении хирургического лечения патологии желчевыводящих путей, особенно для групп в осенне-зимний сезон.

3. Установлен характер влияния хирургического лечения на числовые характеристики квазиаттракторов вектора состояния организма больных разных групп, что позволяет идентифицировать наиболее важные диагностические признаки, т.е. параметры порядка.

4. Получены количественные характеристики параметров

---межаттракторных-расстояний-вектора- состояния-организма больных

разных групп при проведении хирургического лечения патологии желчевыводящих путей, что обеспечивает более эффективную оценку динамики состояния пациентов в процессе лечения, а также позволяет корректировать программу реабилитационных мероприятий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Особенности течения заболеваний желчевыводящей системы некоренного населения Севера Западной Сибири зависят от сезонного снижения реактивности организма.

2. В осенне-зимний период (ноябрь-февраль) происходят существенные количественные изменения параметров ВНС и выход за границы нормы биохимического статуса крови у больных с патологией желчевыводящих путей для всех наблюдаемых групп, но наиболее выраженные в группах мужчин.

3. Для оценки характера влияния хирургического лечения целесообразно использовать расчёты межаттракторных расстояний при внутрикластерных или межкластерных сравнениях показателей гомеостаза пациентов с одной нозологией с учетом пола.

4. Для оценки эффективности проведения управляющих лечебных воздействий на организм больных с патологией желчевыводящих путей целесообразно производить расчёт как параметров квазиаттракторов, так и их межаттракторных расстояний, т.к. эти количественные характеристики позволяют интегративно выявлять особенности течения этих заболеваний в зависимости от пола пациента.

5. Установлена степень разброса значений параметров функциональных систем организма у экстренных и плановых пациентов до и после оперативного лечения в зависимости от сезона года.

Внедрение результатов исследования. Полученные результаты исследования внедрены в практическую деятельность НИИ «Новых

---медицинских—технологий»—(г.Тула),—Ростовского—государственного

педагогического университета, о чём свидетельствуют акты внедрения, а также используются в учебном процессе медицинского института и Института естественных и технических наук ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты - Мансийского автономного округа -Югры» и на курсах повышения квалификации медицинских работников.

Апробация работы. Основные результаты исследования изложены на XII окружной конференции молодых учёных Ханты-Мансийского автономного округа - Югры "Наука и инновации XXI века" (Сургут, 2011 г.), и на второй научно-практической конференции с международным участием «Биомедицинские науки и третья парадигма» (Хургада, Египет, 2012 г.);

Личный вклад автора. Автором лично собран и обработан первичный материал, самостоятельно выполнена статистическая обработка полученных количественных данных, а также произведены расчеты с использованием новых кибернетических методов: выполнен расчёт параметров квазиаттракторов, межаттракторных расстояний и их интерпретация, написание текста диссертации.

Публикации по теме диссертации. По материалам исследования опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 печатных работ в журналах, включённых решением ВАК России в список рекомендуемых при соискании учёной степени кандидата наук.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы (181 наименование работ, из которых 126 - отечественных и 55 - зарубежных). Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста и содержит 35 таблиц и 15 рисунков.

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КЛИМАТОГЕОГРАФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ЯМАЛО-НЕНЕЦКОГО

АВТОНОМНОГО ОКРУГА

1.1. Климатогеографические условия территории Ямало-Ненецкого автономного округа

Ямало-Ненецкий автономный округ (ЯНАО) расположен в северной части Западно-Сибирской равнины в зоне вечной мерзлоты, половина территории региона находится за Полярным кругом. Близостью Северного Ледовитого океана объясняется суровый климат края: средняя годовая температура в округе не поднимается выше минус 10° С. Зимы на Ямале продолжительные и морозные. В целом климат ЯНАО отличается суровой продолжительной зимой с длительным залеганием снежного покрова, короткими переходными периодами (7-9 недель - весна, 6-7 недель -осень), коротким холодным летом, поздними весенними и ранними осенними заморозками, резкими перепадами атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, сильными и частными ветрами, магнитными возмущениями [5, 31,46].

Ноябрьск - самый южный город в ЯНАО, который находится к юго-востоку от г. Салехарда и по своему географическому положению является «южными воротами» округа, т.к. он находится в центральной части Западно-Сибирской низменности, на северном склоне Сибирских Увалов [5,31,46].

В экономике России ведущее место занимает добыча и использование богатейших-природных-ресурсов-Севера,—в-частности,—для поддержания-топливно-энергетического комплекса страны. Разработка и добыча природных ресурсов в ЯНАО сопряжены с климатогеографической экстремальностью условий среды, которые приводят к многочисленным патологиям среди пришлого населения округа. Экстремальность проживания на территории ЯНАО зависит от многих факторов среды и, в

первую очередь, от погодно-климатических условий данной территории. В этом отношении регионы Севера являются типичным примером природной экстремальной зоны. Организм человека в этих условиях вынужден работать с дополнительными социальными и биологическими усилиями, защищаясь от неблагоприятного воздействия вышеперечисленных факторов [14, 31, дописать авторов, занимающихся человеком на севере, в т.ч членов ДС]. Природные условия ЯНАО в целом определены как гипокомфортные для проживания человека, а местами как экстремальные и дискомфортные [43,44].

ЯНАО образует Северо-Обский медико-экологический район. Пятнадцать лет назад он характеризовался низким уровнем здоровья населения, изолированными высоко урбанизированными очагами расселения на фоне общей низкой плотности населения округа [31, 43, 44]. Отмечалась сложная эколого-гигиеническая ситуация в зонах нефте- и газодобычи, вдоль трасс нефтепроводов, а также недостаточное развитие социально-бытовой инфраструктуры.

Почти все вышеуказанные признаки наблюдаются и сейчас, с той лишь разницей, что социально-бытовая инфраструктура существенно улучшилась, а уровень экологического резерва заметно снизился. В настоящее время в ЯНАО интенсивно развиваются малые и средние города. Растущее население этих городов испытывает на себе влияние комплекса климатогеографических, медико-экологических и социокультурных факторов, объединенных понятием урбанизированный Сибирский Север [43, 44].

--Если рассматриватьприродно-климатические факторы, действующие

на человека в высоких широтах, то наиболее важными можно считать космические и геомагнитные возмущ�