Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Математические модели для выбора рациональных схем лечения и оценки эффективности дистанциолнной литотрипсии и литокинетической терапии при мочекаменной болезни

ВАК РФ 03.01.09, Математическая биология, биоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Математические модели для выбора рациональных схем лечения и оценки эффективности дистанциолнной литотрипсии и литокинетической терапии при мочекаменной болезни"

На правах рукописи

Цуканова Маргарита Николаевна

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ЛЕЧЕНИЯ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛИТОТРИПСИИ И ЛИТОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ ПРИ МОЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНИ

Специальность: 03.01.09 - Математическая биология, биоинформатика (медицинские науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

г 8 НОЯ 2013

Курск-2013

005540963

Работа выполнена в Юго-Западном государственном университете на кафедре биомедицинской инженерии

доктор медицинских наук Серегин Станислав Петрович

Иванов Виктор Афанасьевич

доктор медицинских наук, профессор, Курский государственный университет, заведующий кафедрой медицины и логопедии

Озеров Андрей Александрович

кандидат медицинских наук, Курская городская клиническая больница скорой медицинской помощи, врач-уролог кабинета дистанционной литотрипсии

Ведущая организация Государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Курский государственный медицинский университет»

Защита диссертации состоится «18» декабря 2013 года в часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.105.08 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

Автореферат разослан «16» октября 2013 г.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.105.08 Г\

Снопков Владимир Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мочекаменная болезнь (МКБ) - социально значимое заболевание, затрагивающее значительную часть населения Земного шара. Несмотря на значительный научно-технический прогресс и появление большого количества различных методов дезинтеграции и элиминации конкрементов, заболеваемость мочекаменной болезнью не только не снижается, но имеет явную тенденцию к росту. При всем многообразии методов, выбор оптимальной стратегии лечения для конкретного пациента является нелегкой задачей, требующей научного подхода и учета множества признаков.

Высокоэффективным и наименее ннвазивным методом лечения МКБ является дистанционная литотрипсия (ДЛТ), позволяющая достичь положительного результата в более чем 90% случаев. Однако возможности метода ограничены многими факторами, исключающими возможность самостоятельного отхождения фрагментов дезинтегрированного конкремента и наличием противопоказаний. В данной ситуации необоснованное применение ДЛТ приводит к затягиванию лечебного процесса, травматизации тканей почки или мочеточника, усугублению исходной ситуации, в то время как альтернативные эндоскопические методики могут обеспечить избавление пациента от конкремента.

Одним из путей улучшения результатов литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью вообще и после ДЛТ, в частности, является звуковая стимуляция верхних мочевых путей. Несмотря на то, что она широко и давно применяется в практической урологии (Материалы IV Всесоюзного съезда урологов, 1990 г.), ряд аспектов ее применения, особенно у больных с автономной полинейропатией, у больных сахарным диабетом после ДЛТ, изучен недостаточно. Необоснованны оптимальные режимы звуковой стимуляции, не изучен механизм, приводящий к ускорению отхождения фрагментов конкремента при сочетанном воздействии звуковой стимуляции верхних мочевых путей с другими медикаментозными методами литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью при сахарном диабете.

Повысить качество прогнозирования эффективности ДЛТ и принятия решений по выбору адекватной литокинетической терапии при мочекаменной болезни можно путем внедрения в практику врача-уролога современных информационных и интеллектуальных технологий, реализуемых соответствующей автоматизированной системой поддержки принятия решений (СППР).

Таким образом, актуальность данного исследования заключается в необходимости повышения качества прогнозирования эффективности дистанционной ударно-волновой литотрипсии и литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью с использованием для этой цели современных математических методов и информационных технологий.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 гг.», в рамках реализации мероприятия № 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук», в соответствии с Федеральной целевой программой «Предупреждение и борьба с социально-значимыми заболеваниями» 2007-2011 гг. и с научным направлением Юго-Западного государственного университета «Медико-экологические информационные технологии».

Цель диссертационного исследования: Повышение качества принятия решений по выбору рациональных схем лечения и оценки эффективности дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью за счёт использования современных информационных технологий и адекватного математического аппарата, основывающегося на нечеткой логике принятия решений.

Необходимость достижения указанной цели определила частные задачи диссертационного исследования:

- сформировать компьютерную базу данных о распространенности мочекаменной болезни в городе Курске и выбрать адекватный математический метод для прогнозирования и оценки эффективности результатов дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии;

- сформировать систему информативных признаков, позволяющих строить математические модели выбора рациональных схем лечения и оценки эффективности лечебных процедур больных мочекаменной болезнью;

- получить математические модели выбора корректирующих лечебных процедур после ДЛТ и ЛКТ у больных мочекаменной болезнью, оценки их эффективности и диагностики сочетанных заболеваний, составивших основу базы знаний интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога;

- провести системную оценку оксидантных и антиоксидантных нарушений у больных мочекаменной болезнью с сочетанными заболеваниями до и после дистанционной ударноволновой литотрипсии и предложить алгоритм их коррекции;

- разработать информационное и алгоритмическое обеспечение интеллектуальной системы врача-уролога, поддерживающее решение задач -выбора рациональных схем лечения с учетом индивидуальных особенностей организма и наличия сочетанных заболеваний у больных мочекаменной болезнью, и разработать рекомендации по их практическому применению;

- провести оценку эффективности разработанных моделей и информационно-алгоритмического обеспечения интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с паспортом научной специальности 03.05.09 - математическая биология,

биоинформатика (медицинские науки):

- п.8. Математические модели, численные методы и программные средства применительно к процессам получения, накопления, обработки и систематизации биологических и медицинских данных и знаний,

- п.10. Интеллектуальные системы анализа и прогнозирования свойств биологических объектов на основе специализированных баз и банков данных и знаний (в т.ч. полнотекстовых),

- п.12. Решение задач медицинской диагностики, прогнозирования исходов заболеваний, оценки эффективности медицинских вмешательств и технологий с помощью математического аппарата и вычислительных алгоритмов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математической биологии, биойнформатики, системного анализа, математического моделирования, основные положения теории вероятности, математической статистики и нечеткой логики принятия решения, основы физиологии, методы экспертного оценивания, ультразвукового, рентгенологического и клинико-лабораторного исследования.

Новыми научными результатами и положениями, выносимыми на защиту, являются

- набор информативных признаков и математические модели для решения задачи выбора рациональных схем лечения мочекаменной болезни, отличающиеся использованием разнородных признаков, характеризующих различные стадии течения исследуемого класса заболеваний, которые через частные функции уверенностей агрегируются в интегральные решающие правила выбора способов лечения на основе литокинетической терапии, дистанционной литотрипсии или их комбинаций;

- набор чнформативных признаков и математическая модель диагностики гипотонии мочевыводящей системы, отличающаяся использованием интеграционного правила нечеткого принятия решений, в котором кроме традиционно используемых показателей агрегируются интегральные показатели, характеризующие функционирование оксидантной и антиоксидантной системы организма, что позволяет учитывать наличие сочетанных патологий при выборе рациональных схем лечения мочекаменной болезни;

- математическая модель оценки эффективности дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью, отличающаяся использованием частных функций уровня эффективности агрегирующихся накопительной итерационной формулой с нечеткой классификацией уровней эффективности, позволяющая решать задачи рационального ведения пациентов в условиях нечеткого представления данных с достаточным для медицинской практики качеством;

- математическая модель схем лечения, отличающаяся использованием аппарата нечеткого принятия решений Такаги-Сугено-Канга,

обеспечивающая повышение качества ведения пациентов с мочекаменной болезнью после ДЛТ и ЛКТ за счет использования информации о наличии сочетанных заболеваний и уровня эффективности проводимых лечебных процедур;

- информационно-алгоритмическое обеспечение интеллектуальной системы врача-уролога, поддерживающей решение задач выбора тактики лечения мочекаменной болезни и оценки его эффективности с использованием дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью, позволяющей учитывать наличие сочетанных патологий, индивидуальные особенности организма и формировать научно-обоснованные схемы рационального ведения пациентов с исследуемыми классами заболеваний.

Практическая значимость и результаты внедрения работы.

Разработанные математические модели и алгоритм интеллектуального ведения пациентов с мочекаменной болезнью после дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии составили основу построения интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога, использование которой в медицинской практики позволяет:

1. Повысить качество принятия решений о назначении дистанционной литотрипсии за счет использования комбинированных нечетких математических моделей.

2. Повысить эффективность литокинетической терапии и сократить сроки лечения без существенного повышения технико-экономических затрат за счет использования комбинированных методов терапии и интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога с нечеткой базой знаний.

Предложенные в работе методы и средства внедрены в учебный процесс кафедры биомедицинской инженерии Юго-Западного государственного университета, используются в клинической практике Областного бюджетного учреждения здравоохранения «Курская городская клиническая больница скорой медицинской помощи», что подтверждается соответствующими актами. Экономическая и социальная значимость состоит в сокращении сроков лечения и количества осложнений после ДЛТ у больных мочекаменной болезнью с учетом сочетанных заболеваний.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных, всероссийских научных конференциях: «Концептуальные и прикладные аспекты медицины и образования» (Курск, 2007), «Интегративные процессы в науке» (Москва, 2011), «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир-Суздаль, 2012), «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 2012), «Фундаментальные исследования» (Иордания, 'Акаба, 2013), «Актуальные проблемы науки и образования» (Франция, Марсель, 2013), а также на

научных семинарах кафедры «Биомедицинская инженерия» Юго-Западного государственного университета.

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 16 научных работах, из них 9 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, вклад соискателя состоит в следующем: предложены метод синтеза и система нечетких правил для прогнозирования, эффективности ДЛТ, литокинетической, литолитической терапии в [5,7,8,15,16], изучены параметры и определена роль БАТ при МКБ у больных диабетической нейропатией в [13,14], представлен алгоритм управления при МКБ и автоматизированная система диагностики нейрогенной дисфункции, основанный на применении нечеткой логики принятия решений в [6,9,10,11], проведена комплексная оценка применения физических методов коррекции диабетической нейропатии в [1,2,3,4,12].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит список литературы из 228 наименований. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, иллюстрирована 31 рисунками, 21 таблицей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, приведены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы, кратко излагается содержание глав диссертации.

В первой главе рассматриваются возможности и результаты дистанционной литотрипсии в лечении мочекаменной болезни, оценена роль звуковой стимуляции мочевых путей при литолитической терапии. Показывается, что значительного повышения эффективности работы врачей-урологов можно достичь при использовании современных математических методов и информационных технологий. В заключении главы определяются цели и задачи исследования.

Во второй главе проводится клинико-статистический анализ и формирование базы данных больных мочекаменной болезнью в городе Курске, определяются объект, методы и средства исследования. Формируется комбинированное пространство информативных признаков, строятся математические модели для выбора рациональных схем лечения МКБ, диагностики гипотонии мочевыводящей системы и оценки эффективности лечебных процедур.

Объектом исследования выбраны больные, лечившиеся в урологических отделениях областного бюджетного учреждения здравоохранения «Курская городская клиническая больница скорой

&

медицинской помощи». Полученные результаты отражают основные закономерности заболеваемости МКБ. В этой группе больных проводились статистические исследования по распределенности, возрастным и половым признакам, а так же по локализации, возможным осложнениям и сочетанным заболеваниям.

Дистанционная литотрипсия выполнена 162 больным, то есть 22,5% (п=719) от всех поступивших больных с МКБ. Дистанционная литотрипсия проводилась в кабинете дистанционной литотрипсии литотриптером Dornier Compact Sigma под ультразвуковым и рентгеновским наведением. В ходе оценки эффективности этой процедуры предполагаемая отсроченная эффективность ДЛТ составила 87 %.

Анализ причин неэффективности дистанционной литотрипсии показал, что основной причиной является гипотония верхних мочевых путей, которая развивается при длительном нахождении камня в мочеточнике, или первична при автономной нейропатии у больных сахарным диабетом.

Проведенный ретроспективный анализ результатов литокинетической терапии (ЖТ) у больных МКБ и после ДЛТ свидетельствует, что в 65% случаев возможно самостоятельное отхождение камней. В ходе оценки исследуемых методов лечения было установлено, что предварительная оценка эффективности этих процедур носит не тривиальный характер, что не всегда приводит к выбору рациональных схем ведения пациента и не позволяет достигать тех результатов, которые потенциально могут быть получены при внедрении в медицинскую практику современных информативных и интеллектуальных технологий.

С учетом специфики решаемых задач, связанных с нечеткостью и неопределенностью собираемых данных и классифицируемых состояний пациентов, а так же пользуясь рекомендациями, разработанными на кафедре биомедицинской инженерии Юго-Западного государственного университета (БМИ ЮЗГУ), в качестве базового математического аппарата была выбрана нечеткая логика принятия решений в ее адаптации для решения классификационных задач.

В соответствии с этими рекомендациями задача выбора схем лечения между ЛКТ и ДЛТ решается как классификационная задача, в которой объект относится к области многомерного пространства признаков, соответствующей оптимальной схеме лечения сое (I =ЛКТ, ДЛТ), задача диагностики рассматривается как попадание в область заболевания сое, а задача выбора рациональных схем ведения пациента рассматривается как задача нечеткого управления с использованием частного варианта правил нечеткого вывода Такаги-Сугено-Канга (TSK), в котором функция вывода определена как схема лечения.

С учетом этого для решения выбранных классов задач в работе используется три вида базовых математических моделей вида:

Ш£ (; +1 ) = Ше (/) + (дс/+1 )[1 -Ше (/)]. КУа>д 0 + 1) = «Утч Ц) + Ма>д (Г/+1)Р ~КУшд 0')];

(2) (3)

ЕСЛИ Ъ есть Аг ТО М есть С,

т>

где иЬ( (/) - уверенность в выборе схемы лечения сое {(. =ЛКТ, ДЛТ);

/а>е(хг) ' функция уверенности в выборе схемы лечения си, от одного

информативного признака х(+1, г = 1,...,1 (Ц = /т( Сч); кусац (Л -

коэффициент уверенности в диагнозе а>д\ Um(¡(Jj+\) - функция

принадлежности к классу а>д с базовой переменной (информативным

признаком) с номером ] + КУЮ (}) = 1); Ъ - вектор

показателей, характеризующих исследуемые объекты; Аг и Сг — нечеткие переменные, определяемые функциями принадлежности к исследуемым понятиям; г - номер нечеткого продукционного правила; М - заключение (выбираемая схема лечения).

Задача выбора состава информативных признаков и построения соответствующих функций уверенностей и принадлежностей решается группой экспертов-специалистов, имеющих опыт работы в исследуемой предметной области и подготовленных к построению функций выбранного типа. Количество экспертов (8 человек) определялось в соответствии с рекомендациями соответствующего стандарта. Согласованность действия экспертов оценивалось по коэффициенту конкардации лу. Для выбранной группы = 0,83 5 что послужило обоснованием для доверия к решению экспертов.

На первом этапе их работы с использованием технологии уточнения экспертного решения по методу Делфи был сформирован набор информативных признаков для решения задачи выбора первичных методов лечения (ДЛТ и (или) ЛКТ) с согласованной системой градаций и шкал, не противоречащей стандартам оказания медицинской помощи больным с мочекаменной болезнью. Всего отобрано 38 информативных признаков, полученных в результате клинического, рентгенологического и ультразвукового обследования больных с МКБ. При построении соответствующих функций принадлежностей каждый из экспертов для градаций признаков или их точек переключений (границы носителей и максимальных участков на непрерывных шкалах) ставит в соответствие значения уверенности в выборе схемы лечения . Полученные значения по всем градациям (точкам переключений) и всем экспертам усреднялись и полученный результат передавался экспертам. В случае несогласия эксперты вводили коррекцию в усредненные значения Аю^С*/). После четырех итераций были сформированы окончательные величины И сор (-г;) для правил

типа(1).

Для перехода от нечетких величин иЬр к четким врачебным суждениям о целесообразности проведения ДЛТ или ЛКТ (классы содЛТ, алкт) на обучающем статистическом материале были определены пороги «срабатывания» Р( продукционных правил типа: ЕСЛИИГД^ <Р№Г[)}10(К^)

ИГ1АЧЕ{£С/Н/[(^ <Ршг)ЩиЬдп >Рлт[)}}ТО &т)ШАЧЕ{ЕСЛИЩЛт >Рлкг)ЩиЬяп >Рщг)]

"» ИНАЧЕ и Кланевыполняются), (4)

ГДе рд,77 и рлкт ' поР°ги «срабатывания» правил выбора процедур лечения; ^длт «Ялкт ' ^длт лкт последовательное выполнение процедур КдлтиКлкт-

Опыт лечения больных МКБ свидетельствует о том, что наибольшие трудности возникают при литокинетической терапии в случаях осложненных гипотонией верхних мочевых путей, снижением их сократительной способности. Применение различных методик литокинетической терапии у больных МКБ и после ДЛТ показывает низкую эффективность у больных сахарным диабетом, обусловленную диабетической нейропатией и слабым ответом гладкомышечной ткани мочевыделительной системы на лечение. Поэтому для выбора эффективной ЛКТ необходимо выявлять гипотонию мочевыводящей системы (МВС) при диабетической нейропатии и корректировать процесс проведения камнеизгоняющей терапии.

Для диагностики гипотонии верхних мочевых путей эксперты сформировали группу из 8 информативных признаков, из них наиболее значимыми определены: Х1 - длительность сахарного диабета; Х2 -показатели перекисного окисления липидов (1 - высокие, 2 - не высокие); Х3- антиокислительная активность (%); Х4- стадии нарушения уродинамики мочеточника и лоханки по данным УЗИ и экскреторной урографии ( 1-компенсированная, расширение до 1,5 см; 2 - субкомпенсированная, расширение от 1,5 до 2,0 см; 3 - декомпенсированная, расширение более 2 см).

Используя каждый из выделенных признаков, как базовую переменную соответствующих функций принадлежностей, группа высококвалифицированных экспертов - специалистов в области урологии, под руководством инженера по знаниям, определила значения функций принадлежности к классу шг для каждой градации переменной. Полученные функции принадлежности агрегируются с помощью модели (2) (ч=г). Для определения степени уверенности в диапазоне сог были определены лингвистические переменные гипотензия в и отсутствие гипотензии 0, графики функций принадлежности /ц.(КУ&т) и (КУаг) которых

приведены на рисунке 1.

Одним из важнейших показателей для выбора рациональной тактики ведения пациента после проведения ЛКТ и (или) ДЛТ является общая оценка состояния организма, определяемая через показатель эффективности проведенных процедур ЕР.

лвДку Шг)л»<Дку®г)

Опо__г»0(ХУ*г> __________^г(ку„г)___

-1 I | Г—I--1-Г"--1-(-*КУ*Г

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 г

Рис. 1. Графики функции принадлежностей лингвистических переменных «гипотензия» и отсутствие гипотензии

Для определения этого показателя эксперты определили состав признаков, характеризующих состояние пациента после ЛКТ и (или) ДЛТ: X] - фрагментация конкремента после 1 сеанса ДЛТ (1 - фрагментации нет; 2-фрагментация частичная, не более 50%, требуется ДЛТ повторно; 3-фрагментация 75%, фрагменты могут отойти самостоятельно с применением литокинетической терапии; 4-фрагментация 100%, фрагменты самостоятельно отходят); Х2 - время элиминации фрагментов конкремента (1-все фрагменты отошли, в течение недели; 2- все фрагменты отошли, в течение 1 месяца; 3- фрагменты не отошли, в течение 1 месяца); Х3 — образование каменной дорожки (1-каменная дорожка не образовалась, фрагменты отошли самостоятельно; 2-каменная дорожка потребовала вмешательства); Х4- гематурия после ДЛТ (1-гематурия после ДЛТ при 1-2 мочеиспускании; 2-гематурия держится более суток, требуется медикаментозная терапия; 3-гематурия продолжается более 2-Зсуток, при УЗИ определяется подкапсульная гематома); Х5 - отхождение фрагментов и гипотония верхних мочевых путей (1-фрагменты отходят самостоятельно, по данным УЗИ умеренное расширение чашечно-лоханочной системы (ЧЛС) до 1,5 см; 2-фрагменты отходят гипотония от 1,5 до 2 см; 3-фрагменты не отходят гипотония более 2 см; требуется дополнительное дренирование); Х6 - обострение пиелонефрита (1-фрагменты отошли без обострения пиелонефрита; 2-после ДЛТ атака пиелонефрита, который купирован консервативно; 3-возник острый обструктивный пиелонефрит, который потребовал оперативного лечения); Х7 - отдаленные результаты ДЛТ (1-все фрагменты камня отошли; 2-не все фрагменты отошли, остались резидуальные камни в ЧЛС почки).

Для каждого из этих признаков были определены частные функции уровня эффективности <р(х„), агрегирующие аналогично модели (1):

ЕР(р+Ъ = ЕР{р) + <р(ъ+х)[\-ЕР{р)] (5)

Для удобства принятия управленческих решений на общей шкале эффективности были построены три функции принадлежностей рн(ЕР), МС(ЕР)и цв(ЕР), соответствующие лингвистическим переменным Н -низкая, С - средняя и В - высокая эффективность проведенных лечебных процедур. Графики этих функций принадлежностей приведены на рисунке 2.

Выделенные в работе лингвистические переменные в, Н, С и В позволяют строить математические модели рациональных схем лечения пациента после ЖТ и (или) ДЛТ.

й(ЕР)

' Мн(ЕР) Цс(ЕР) цв(ЕР)

--- - А — — 1—^-Ь=—и...

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Рис. 2. Графики функций принадлежностей к понятиям низкая, средняя и высокая эффективность лечебных процедур

В третьей главе проводится математическая оценка прогностической и диагностической информативности параметров перекисного окисления липидов, данных рентгенологического, ультразвукового исследования у больных мочекаменной болезнью и строится математическая модель лечения. Разрабатывается информационно-алгоритмическое обеспечение интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога.

С целью выбора рациональных схем ведения пациентов с МКБ проводилась специальная серия исследований перекисного окисления липидов (ПОЛ) и антиокислительной активности (АОА) в сочетании с рентгенологическими и ультразвуковыми исследованиями больных, которые проходили традиционную схему лечения, дополнительные процедуры звуковой стимуляции по специально разработанной методике с приемом Роватинекса и а-липоевой кислоты. Динамика данных показателей приведена в таблицах 1 и 2. Анализ результатов лечения по различным технологиям больных с различными сочетанными заболеваниями позволил сформировать три схемы лечения Сь С2, С3.

Схема Сь включает общеукрепляющее лечение, особенно витамин «Е», а также специфические медикаментозные и, физиотерапевтические мероприятия: назначают спазмолитики, терпеновые препараты (цистон уролесан и др). Проводится звуковая стимуляция верхних мочевых путей.

Звуковая стимуляция проводится по специально разработанной методике звуковыми волнами в диапазоне 2,5-3,5 кГц, модулированными низкочастотными колебаниями 50 Гц.

Схема С2: обязательна антибактериальная терапия с учетом бактериологического исследования мочи, проводится лечение спазмолитиками, аналгетиками, витамин «Е», по показаниям - дренирование верхних мочевых путей, витаминотерапию. Проводится звуковая стимуляция верхних мочевых путей, учитывая гипотонию и нарушение ПОЛ, звуковую стимуляцию проводят в сочетании с Роватинексом.

Схема С3: состоит из следующих этапов: антибиотерапия с учетом данных бактериологического исследования и антибиограммы, прием спазмолитиков, растительных препаратов, если есть показания к ДЛТ и перед литокинетической терапией больному с сахарным диабетом назначают а-липоевую кислоту по 600 мг в/в кап. №5 с последующей звуковой стимуляцией в сочетании с приемом Роватинекса.

Таблица 1

Состояние ПОЛ и АОА в разные сроки от начала лечения и после отхождения конкремента с использованием звуковой стимуляции в сочетании с Роватинексом

Показатели

Гидроперекиси (мг/дл)

Малоновый диальдегид (мг/дл)

АОА (%)

Исходные данные

1)0,082*0,008

2)0,095*0,06

3)0,098*0,008

1)2,65±0,26

2)2,80*0,22

3)2,95±0,25

1)37,5*1,85

2)39,5*1,78

3)42,25*1,55

Сроки до отхождения конкремента

1 сутки

1)0,083*0,006

2)0,98*0,008

3)0,12±0,006

1)2,65*0,025

2)2,80*0,22

3)2,90*0,2

1)38,5*1,:

2)39,8*1,55

3)40,25*1,55

5 сутки

1)0,081*0,008

2)0,088*0,006

3)0,090±0,004

1)2,62±0,22

2)2,75*0,25

3)2,70±0,22

1)40,2*1,6

2)41,5*1,5

3)43,4*1,55

10 сутки

1)0,078*0,008

2)0,082±0,006

3)0,084±0,002

1)2,55*0,025

2)2,52*0,25

3)2,70±0,22

1)37,5±1,2

2)39,2*1,7

3)39,8*1.22

Сроки после огхозедения камня

5 сутки

1)0,075*0,006

2)0,081*0,003

3)0,082±0,003

1)2,52±0,022

2)2,50*0,15

3)2,70*0,17

1)35,4±1,2

2)38,7*1,7

3)38,8*1,22

10 сутки

1)0,075*0,006

2)0,082±0,003

3)0,078*0,002

1)2,48*0,020

2)2,50*0,15

3)2,55*0,22

1)35,6*1,3

2)37,2*1,5

3)38,8*1,20

1) - Больные МКБ, 2)- Больные МКБ с СД, 3) - Больные МКБ СД после ДЛТ

Как видно из таблицы 1, несмотря на то, что еще камень не отошел, показатели перекисного окисления липидов достоверно (р<0,005) снижаются, становятся к 5-10 суткам лечения ниже исходных показателей, но выше, чем у здоровых. К 5 суткам возрастает АОА, особенно у больных с сахарным диабетом и после ДЛТ. На наш взгляд, это обусловлено антиокислительным действием Роватинекса. После отхождения конкремента и его фрагментов после ДЛТ у всех больных отмечено прогрессирование снижения перекисных процессов и стабилизация антиоксидантной активности.

К 10 суткам после отхождения камня во всех группах зафиксировано снижение показаний ПОЛ и АОА ниже исходной, но выше, чем у здоровых пациентов. Из таблицы 2 достоверно следует (р<0,005), что после звуковой стимуляции в сочетании с Роватинексом чашечно-лоханочная система

сократилась у основной массы пациентов, что свидетельствует о восстановлении уродинамики.

Таблица 2

Состояние чашечно-лоханочной системы и мочеточника по данным УЗИ после звуковой стимуляции верхних мочевых путей в сочетании с

Роватинексом_

Состояние ЧЛС и мочеточника Норма Расширение до 1,5 ем Расширение до 2 см Расширение более 2 см Всего

Количество больных до лечения звуковой стимуляций в сочетании с Роватинексом (%) 5 35 25 35 100

Количество больных с СД до лечения звуковой стимуляции в сочетании с Роватинексом после ДЛТ(%) 0 25 30 45 100

Количество больных через 1 сутки после звуковой стимуляции в сочетании с Роватинексом (%) 50 30 20 100

- через 3 суток 60 25 15 0 100

- через 5 суток 70 15 15 . 0 100

Количество больных с сахарным диабетом и после ДЛТ через 1 сутки после звуковой стимуляции в сочетании с Роватинексом (%) 40 30 20 10 100

- через 3 суток 60 15 20 д 100

- через 5 суток 60 15 15 10 100

Для выбора рациональных схем лечения предлагается математическая модель выбора корректирующего лечения, построенная на основе системы нечетких продукционных правил (3).

При использовании в качестве входных лингвистические переменные гипотензия О и уровни эффективности лечения Н,С и В в соответствии с (3) получаем систему продукционных правил выбора схем лечения: ' П1: ЕСЛИ (ЕР есть В) И (КУаг есть 0) ТО М есть С,;

П2: ЕСЛИ (ЕР есть С) И (КУт есть 0) ТО М есть С2;

ПЗ: ЕСЛИ (ЕР есть С) И (КУат есть в) ТО М есть С2; (6)

П4: ЕСЛИ (ЕР есть Н) И {КУ№ есть 0) ТО М есть С2;

П5: ЕСЛИ (ЕР есть Н) И (КУФГ есть О ТО М есть С3.

Полученные правила позволяют оптимизировать процесс ведения пациентов с учетом наличия сочетанных заболеваний МКБ и эффективности

проведенных лечебных процедур. При наличии осложнений сахарным диабетом лечебная процедура С2 проводится перед ЖТ и (или) ДЛТ с последующим подключением оптимизационных моделей (6).

Организация взаимодействия элементов программного обеспечения системы поддержки принятия решений между собой и лицом принимающим решение обеспечивается алгоритмом, структурная схема которого приведена на рисунке 3.

С —)

Сбор дг,-

2 А •

Расче иц

____

Рис. 3. Алгоритм взаимодействия элементов СППР

Работает алгоритм следующим образом. О пациентах собираются сведения, необходимые для работы математической модели (1) (блок 1) и осуществляется расчет 11Ьр (формула 1, блок 2). Далее блоки 3, 4 и 5 обеспечивают реализацию модели 4 с формированием рекомендаций по проведению первичной терапии (блоки 6, 7 и 8). Далее собирается информация, необходимая для диагностики гипотонии верхних мочевыводящих путей с расчетом КУтт (формула 2, блок 9). При наличии гипотонии в сочетании с сахарным диабетом (блок 10) реализуется схема лечения С2, после чего проводится первичная терапия (ЛКТ и (или) ДЛТ (блок 12)). После проведения первичной терапии осуществляется сбор данных необходимых для оценки эффективности проведенного лечения и рассчитывается показатель ЕР (блок 13). Далее, используя математическую модель (6) выбора схем корректирующей терапии (блок 14), выбирается схема лечения Сг или лечение останавливается (блок 15). При необходимости проводятся корректирующие мероприятия (блок 16) и решается вопрос о дальнейшем ведении пациента (блок 17).

Предложенные в работе модели и алгоритм составляют основу построения интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога, состоящей из следующих основ программных модулей: интерфейса пользователя; базы данных; фаззификатора базы знаний, поддерживающей реализацию всех разработанных математических моделей; дефазификатора и блока объяснений.

В ходе эксплуатации программного обеспечения системы поддержки принятия решений предусмотрена возможность корректировки параметров решающих правил с целью повышения их точности.

В четвертой главе проводится оценка эффективности работы полученных математических моделей и алгоритма. Причем эффективность работы элементов системы поддержки принятия решений оценивалась как по данным статистического исследования, так и с помощью специально разработанной модели, определяющей интегральный показатель, характеризующий различные составляющие здоровья организма.

Статистическая проверка качества срабатывания математических моделей проверялась на репрезентативных выборках, объем которых рассчитывался по общепринятым в медицинской практике методикам. Определялись такие показатели качества, как диагностическая чувствительность, диагностическая эффективность (ДЭ), прогностическая значимость положительных (П3+), отрицательных (ПЗ) результатов и диагностическая эффективность.

Для оценки качества срабатывания правила, рекомендующего назначение ДЛТ (иЬдЛТ) были сформированы 2 группы больных: 1 группа -больные МКБ, у которых ДЛТ была эффективна (300 больных), 2 группа -больные МКБ, которым применены другие методы лечения МКБ. Аналогично для проверки решающего правила назначения ЛТП (ЦЬлтп) две

группы больных распределились следующим образом: 1 группа больных — пациенты с МКБ, которым успешно проведена камнеизгоняющая терапия (400 больных), 2 группа — больные уретеролитиазом, у которых литокинетическая терапия была неэффективной (100 больных).

Результаты контрольной проверки решающих правил (1) для Ьд1 [ и иЬдт приведены в таблице 3.

Таблица 3

Сводная таблица показателей качества работы решающих правил по выбору

ДЛТ и ЛТП

Правило ДЧ ДС П3+ пз- ДЭ

иЬдлт 0,9 0,93 0,93 0,9 0,92

и!'Лтп 0,9 0,9 0,9 0,9 | 0,93

Аналогичные результаты были получены для диагностического решающего правила диагностики гипотонии (правило 2), для которого диагностическая эффективность составила 0,94.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о приемлемых для практической медицины показателях качества работы предложенных в работе моделей.

Для оценки качества работы математической модели выбора корректирующего лечения и системы поддержки принятия решений в целом разработана математическая модель оценки эффективности ведения пациентов с мочекаменной болезнью. В основу построения этой модели положена система признаков, характеризующих функционирование мочевыделительной системы для которых аналогично модели (5) строятся частные функции <р/ (г,), агрегирующиеся для расчета интегрального показателя Е1 с помощью линейной формулы:

= (7)

1 1=1

где а( - весовые коэффициенты характеризующие вклад признака в общий интегральный показатель Е1; 0< а1 <1.

Введение нормирующего множителя 1/Т позволяет нормировать значение Е1 в диапазоне от 0 до 1.

В ходе оценки эффективности работы модель (6) и системы поддержки принятия решений в целом исследовалось три группы пациентов. В первую группу Г1 вошли пациенты (100 человек), проходящие общепринятое лечение. Во вторую группу Г2 вошли пациенты (134 человека), для которых исследовалась эффективность работы математической модели (6) и в третью группу ГЗ были включены пациенты, которые проходили курс лечения в соответствии с полным перечнем рекомендаций СППР. Результаты контрольной оценки эффективности проводимой терапии представлены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты интегральной оценки проводимых лечебных процедур различных групп пациентов

Группа Г1 Г2 ГЗ

Показатель Е1 0,75 | 0,86 0,93

Из таблицы 4 следует, что использование разработанной СППР позволяет повысить эффективность ведения пациентов с МКБ, в 1,24 раза.

В ходе проводимых исследований использование «советов» СППР позволило получать следующую картину клинических наблюдений.

В результате традиционного камнеизгоняющего лечения камни мочеточника отошли с мочой у 80 (80%) больных в сроки до 4 мес.

Чаще отходили камни, локализованные в нижней трети мочеточника, реже - при локализации камня в верхней трети мочеточника и почке (при размерах камня до 6 мм).

Средняя продолжительность лечения в этой группе больных составила 31,6 ±1,8 дня, нетрудоспособности - 15,4±2,1 дня.

Среди причин недостаточной эффективности традиционной терапии важное место принадлежит сравнительно быстро развивающейся гипотонии и атонии верхних мочевых путей и активации пиелонефрита, особенно у больных сахарным диабетом. Таким образом, широко применяемая традиционная литокинетическая терапия, по нашим наблюдениям, недостаточно эффективна, при использовании ее отхождение конкрементов всегда сопровождается усилением болевого синдрома вплоть до приступа почечной колики. Кроме того, в анализируемой группе у 20 (20%) человек из 100 в процессе лечения возникала атака острого пиелонефрита, что потребовало перехода на альтернативные методы лечения.

Имеются основания полагать, что- рассматриваемый способ лечения может расцениваться как симптоматический, так как при его использовании не предусматривается целенаправленное и контролируемое воздействие ни на величину диуреза, ни на тонус верхних мочевых путей, ни на показатели ПОЛ и АО А.

В связи с изложенным, свои исследования мы спланировали таким образом, чтобы изучить эффективность стимуляции диуреза, тонуса верхних мочевых путей, а также сочетанного влияния на оксидантный и антиоксидантный статус и тонус почечных лоханок и мочеточников. Материалы по изучению показателей функции почек и верхних мочевых путей при применении указанных воздействий представлены в третьей главе диссертации.

В результате литокинетической терапии 134 больным с применением звуковой стимуляции верхних мочевых путей в сочетании с Роватинексом камни в сроки от 3 до 14 дней отошли у 79 (59%) больных, в сроки до 1 мес -у 129 (96,3%). Средняя продолжительность лечения составила 18,05 дней, нетрудоспособности -10,9 дня.

У пяти больных положительного результата от проводимого лечения не отмечено и им применены другие способы лечения. У всех больных камни длительное время находились в верхней трети мочеточника, что сопровождалось атонией верхних мочевых путей. Можно допустить, что лечение оказалось не эффективным в связи с большой давностью заболевания и более выраженным нарушением уродинамики. Положительный результат от сочетанного воздействия звуковыми колебаниями качающейся частотой и Роватинексом нами получен у 96,3% больных уролитиазом.

При звуковой стимуляции в сочетании с Роватинексом верхних мочевых путей чашечно-лоханочная система и мочеточник реагируют таким образом, что при дискинезии, гиперкинезии тонус ее снижается до нормального, а при гипокинезии, гипотонии и атонии повышается до нормального уровня, т.е. происходит не стимуляция, а восстановление утраченной функции. Таким образом, звуковая стимуляция в качающемся режиме является наиболее физиологическим способом лечения, эффект ее усиливается на фоне приема Роватинекса, который обладает спазмолитическим действием, способствует отхождению фрагментов после ДЛТ, оказывает регуляцию оксидантного и антиоксидантного статуса.

Однако, применив данный метод литокинетической терапии после ДЛТ у больных МКБ с сахарным диабетом высоких результатов мы не добились. Мы объясняем это тем, что у больных сахарным диабетом имеется диабетическая нейропатия, которая проявляется гипотонией и атонией органов мочевыделения. При ней процессы ПОЛ усиливаются, АОА уменьшаются. ДЛТ является причиной усиления нарушения оксидантной и антиоксидантной системы. Поэтому, в этой группе больных с МКБ при планируемом ДЛТ необходимо проводить коррекцию и лечение диабетической автономной нейропатии препаратами а-липоевой кислоты. На фоне применения а-липоевой кислоты уменьшаются процессы ПОЛ, повышается АОА и возрастает эффект литолитической терапии от звуковой стимуляции.

Как показали данные ультразвукового исследования верхних мочевых путей, при конкрементах чашечек нарушение уродинамики минимальны, сохранен тонус чашечно-лоханочной системы.

С целью повышения эффективности изгнания фрагментов после ДЛТ камней чашечек почек и мочеточника и у больных сахарным диабетом нами предложено звуковую стимуляцию верхних мочевых путей с Роватинексом перед ДЛТ проводить с курсом лечения а-липоевой кислотой по выше описанной методике, что стабилизирует процессы ПОЛ и АОА, уменьшает симптомы нейропатии и приводит к повышению чувствительности гладкомышечной ткани к звуковой стимуляции. Таким сочетанием звуковой стимуляции верхних мочевых путей частотой 2,5-3,5 кГц, модулированной низкочастотными колебаниями, мы добились положительных результатов при лечении камней чашечки и лоханки. Предложенный способ литокинетической терапии у больных с сахарным диабетом с локализацией

конкремента в чашечно-лоханочной системе проведен 34 больным. Из них у 10 (29,8%) больных камни находились в верхней чашечке, у 18 (38,2%) больных — в средней чашечке, у И (32,3%) - в нижней чашечке. Размеры конкремента не превышали 1,0 см в диаметре.

После проведения лечения 5-10 сеансами звуковой стимуляции верхних мочевых путей звуковой частотой 2,5-3,5 кГц, модулированной низкочастотными колебаниями 6-50 Гц, на фоне Роватинекса после приема а-липоевой кислоты камни отошли в течение месяца у 27 (79,4%) из 34 больных. Из верхней чашечки камни отошли у 9 больных, из средней чашечки - у 10, из нижней чашечки камни отошли у 8 больных. У 7 больных камни не отошли. Они потребовали дополнительной фрагментации камня.

Таким образом, применение звуковой стимуляции верхних мочевых путей по разработанной нами программе может быть оценено как эффективный способ консервативной терапии при камнях чашечно-лоханочной системы и после ДУВЛ для ускорения эвакуации фрагментов. Предложенным способом лечения удается достигнуть отхождения камней чашечек у 77% больных и сократить сроки отхождения фрагментов конкремента после ДЛТ до 15-30 дней, вместо 3-х месяцев. Результаты лечения тем лучше, чем раньше начато лечение. Особенного внимания заслуживает тот факт, что при использовании звуковых колебаний у больных с сахарным диабетом после лечения а-липоевой кислотой чаще стали отходить конкременты из системы нижней чашечки, отхождение которых особенно затруднено.

Проведенная сравнительная клиническая оценка наблюдений различных показателей, характеризующих эффективность ДЛТ и ЖТ, без применения разработанных методов и средств и с их применением (работа с использованием интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога) свидетельствует, что применение СППР при определении эффективности ДЛТ и КЛТ приводит к повышению качества оказания медицинской помощи больным мочекаменной болезнью по всем показателям. Эффективность ДЛТ повысилась за счет правильной оценки показаний к ней, что привело к уменьшению количества сеансов ДЛТ с 1,5-2 сеансов до 1-1,5 сеансов. Правильный отбор пациентов к ДЛТ привел к снижению количества осложнений, таких как обострение пиелонефрита, с 2% до 0,4%, уменьшилось количество пациентов, требующих перехода на другую тактику лечения, с 12,8% до 5,6%. Количество оперированных больных «открытым методом» снизилось более, чем в два раза (с 5,2% до 2,4%). После проведения ЖТ по рекомендуемым СППР схемам сократились сроки отхождения конкремента и его фрагментов после ДЛТ с 14-20 суток до 10-15 суток. Стали чаще отходить камни и фрагменты из чашечно-лоханочной системы, повысилась эффективность ДЛТ и ЖТ у больных МКБ при сахарном диабете. Уменьшилось количество повторных госпитализаций с 6,3% до 2%, уменьшился срок пребывания больного в стационаре с 15-21 дня до 10-15дней. При этом автоматизированная система

не требует больших экономических затрат на эксплуатацию, а принятие решений осуществляется беспристрастно, обоснованно и в короткие сроки (5±1,5 минуты).

Таким образом, применение автоматизированной системы поддержки принятия решений позволяет доступно и приемлемо для врача и пациента при снижении временных и экономических затрат статистически и клинически значимо повышать качество оказания медицинской помощи больным мочекаменной болезнью, проводить адекватный отбор пациентов для ДЛТ и проведения рациональной эффективной литолитической терапии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе проведенных исследований в работе получены следующие основные результаты.

1. Исследована распространенность и специфика мочекаменной болезни в городе Курске, проведен разведочный анализ структуры данных больных мочекаменной болезнью, на основе которого был выбран адекватный математический аппарат исследования, основанный на нечеткой логике.

2. Сформирована система информативных признаков, позволяющих строить математические модели выбора рациональных схем лечения и оценки эффективности лечебных процедур больных мочекаменной болезнью.

3. Получены математические модели выбора схем лечения после ДЛТ и ЖТ, позволяющие повысить качество ведения пациентов с мочекаменной болезнью за счет использования комбинированного пространства информативных признаков и технологий на основе нечеткой логики принятия решений.

4. Получены математические модели оценки эффективности проводимых лечебных процедур и диагностики сочетанных заболеваний, использование которых позволяет обеспечить уверенность в принимаемых решениях на уровне 0,9 и выше в зависимости от количества и качества регистрируемой информации.

5. Произведена системная оценка оксидантных и антиоксидантных нарушений у больных мочекаменной болезнью с сочетанными заболеваниями, что позволило разработать механизм их коррекции с применением звуковой стимуляции в сочетании с Роватинексом и а-липоевой кислотой на алгоритмическом уровне.

6. Разработано информационно-алгоритмическое обеспечение интеллектуальной системы врача-уролога, поддерживающей решение задач выбора тактики лечения мочекаменной болезни и оценки его эффективности, позволяющее учитывать наличие сочетанных патологий, индивидуальные особенности организма и формировать научно-обоснованное схемы

рационального ведения пациентов с исследуемыми классами заболеваний.

7. Произведена оценка эффективности разработанных моделей и информационно-алгоритмического обеспечения интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога, показавшая, что внедрение в медицинскую практику предложенных разработок позволяет увеличить эффективность обслуживания исследуемой категории больных в 1,24 раза по сравнению с традиционными технологиями.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Полученные математические модели принятия решений по прогнозированию эффективности ДЛТ и ЛКТ целесообразно использовать при построении систем информационного обеспечения и поддержки медицинских исследований в области урологии при лечении больных с

мочекаменной болезнью.

2. Рекомендуется провести дальнейшие клинические испытания по разработанному информационному и алгоритмическому обеспечению интеллектуальной системы врача-уролога с целью широкого внедрения их в практическое здравоохранении.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах 1. Цуканова, М.Н. Особенности применения магнитотерапии при диабетической нейропатии [Текст] / A.C. Чуев, A.B. Новиков, М.Н. Цуканова// Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. - №4. - С.27-31. 2 Цуканова, М.Н. Особенности применения вибротерапии при лечении эректильной дисфункции. [Текст] / A.C. Чуев, М.Н. Цуканова // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. -2012.-№2. - 4.2 - С. 226-229.

3. Цуканова, М.Н. Особенности применения магнитотерапии возбудимых тканей. [Текст] /A.C. Чуев, М.Н. Цуканова // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2012 - №2. - Ч.З - С. 302306.

4. Цуканова, М.Н. Автоматизированная система поддержки принятия решения врача-уролога для диагностики эректильной дисфункции [Текст] / A.C. Чуев, A.B. Шашков, М.Н. Цуканова // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия управление, вычислительная техника, информатик. Медицинское приборостроение. - 2012-№2. - Ч.З - С. 332-336.

5. Цуканова, М.Н. Способ прогнозирования эффективности литолитической терапии при конкрементах мочеточника [Текст] / А.Г. Коцарь, С.П.Серегин, М.Н. Цуканова // Известия Юго-Западного государственного университета.

Серия Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2012. - №2. - 4.1. - С. 248-251.

6. Цуканова, М.Н. Математическое прогнозирование возникновения послеоперационных грыж [Текст] / С.П.Серегин, С.Д. Долженков, М.Н. Цуканова // Известия Юго-Западного государственного университета - 2012 -№2.-4.3.-С. 279-282.

7. Цуканова, М.Н. Математическое и компьютерное моделирование ультразвуковых исследований при диагностике гнойного пиелонефрита у больных мочекаменной болезнью с сахарным диабетом [Текст] / С.П. Серегин, М.Н. Цуканова // Известия Юго-Западного государственного "университета. - 2012. - №2. -Ч.З. - С. 293-297.

8. Цуканова, М.Н. Прогнозирование эффективности дистанционной ударно-волновой литотрипсии при уролитиазе с помощью нечеткой логики [Текст] / А.Г. Коцарь, М.Н. Цуканова // Фундаментальные исследования. - 2013 - №3 — С.325-328.

9. Цуканова, М.Н. Алгоритм управления профилактическими мероприятиями при уролитиазе на основании нечеткой логики принятия решений [Текст] / А.Г. Коцарь, М.Н. Цуканова // Современные проблемы науки и образования -2013.-№2.-С. 52.

Научные работы в других изданиях

10. Использование методов нечеткой логики принятия решений для диагностики эректильной дисфункции у больных сахарным диабетом [Текст] / С.П. Серегин, Л.А. Серегина, М.Н. Цуканова и др.// Концептуальные и прикладные аспекты медицины и образования: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. - Курск- КГУ 2007 -С. 80-85.

11. Прогнозирование урогенитальных нарушений у больных мужчин сахарным диабетом [Текст] / A.B. Шашков, Л.А.Серегина, М.Н. Цуканова и др. // Интегративные процессы в науке-2011: сборник материалов

международной научно-практической конференции. - Москва 2011 -С 8287.

12. Особенности совместного применения вибротеррапии и магнитотерапии при диабетической нейпатии [Текст] / A.C. Чуев, A.B. Шашков, С.П. Серегин, М.Н. Цуканова и др. // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание - 2012: материалы X междунар. Научно-технической конференции. Курке: ЮЗГУ, 2012. - С.313-315.

13. Цуканова, М.Н. Роль энергетических характеристик биологически активных точек в диагностике эректильной дисфункции у больных сахарным диабетом [Текст] / А,С. Чуев, A.B. Шашков, М.Н. Цуканова // Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии: сборник статей X Международной

научно-технической конференции, - Владимир-Суздаль: Изд-во ФРЭМЭ, 2012.-С.

14. Цуканова, М.Н. О возможности применения показателей биологически активных точек для прогнозирования мочекаменной болезни [Текст] / А.Г. Коцарь, С.П. Серегин, М.Н. Цуканова, С.И. Криковцов// Успехи современного естествознания. - 2013. - №5. - С. 146.

15. Цуканова, М.Н. Прогнозирование эффективности литолиза уратных камней почек [Текст] / А.Г. Коцарь, С.П. Серегин, М.Н. Цуканова, С.И. Криковцов // Успехи современного естествознания. - 2013. - №5. - С. 146-147.

16. Цуканова, М.Н. Прогнозирование эффективности литокинетической терапии при уретеролитиазе с помощью нечеткой логики. [Текст] / А.Г. Коцарь, С.П. Серегин, М.Н. Цуканова, С.И. Криковцов // Успехи современного естествознания. - 2013. — №5. - С.147.

Подписано в печать_2013г. Формат 60x84 1/16 .

Печатных листов 1,1. Тираж 100 экз. Заказ

Юго-Западный государственный университет, 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата медицинских наук, Цуканова, Маргарита Николаевна, Курск

Юго-Западный государственный университет

04201451828 На правах рукописи

Цуканова Маргарита Николаевна

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ЛЕЧЕНИЯ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛИТОТРИПСИИ И ЛИТОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ ПРИ МОЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНИ

Специальность 03.01.09 - Математическая биология, биоинформатика.

(медицинские науки)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор Серегин С.П.

Курск 2013

Список сокращений

АОА - антиокислительная активность

ДАН - диабетическая автономная нейропатия

ДК - диеновые конъюгаты

ДЛТ - дистанционная литотрипсия

ЛКТ - литокинетическая терапия

МВС - мочевыделительная система

МДА - малоновый диальдегид

МКБ - мочекаменная болезнь

ПОЛ - перекисное окисление липидов

СД - сахарный диабет

СГТПР - система поддержки принятия решений ЧПНС - чрескожная пункционная нефростомия

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................5

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................15

1.1. Дистанционная литотрипсия.................................................................15

1.2. Звуковая стимуляция при литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью.........................................................................................20

1.3. Использование аппарата нечеткой логики принятия решений в медицине...................................................................................................................23

1.4. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений врача... 31

1.5. Цель и задачи исследования..................................................................38

2. РАЗРАБОТКА НЕЧЕТКИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛИТОТРИПСИИ И ЛИТОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ У БОЛЬНЫХ МОЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНЬЮ..................................................40

2.1. Клинико-статистический анализ и формирование компьютерной базы данных больных мочекаменной болезнью в городе Курске.....................40

2.2. Методы и средства исследования.........................................................46

2.3. Выбор математического аппарата исследования................................49

2.4. Синтез нечетких математических моделей для решения задач выбора рациональных схем лечения мочекаменной болезни..........................................55

2.4.1. Формирование комбинированного пространства информативных признаков для выбора рациональных схем лечения...................................................55

2.4.2. Построение функций уверенности к классу «схема лечения методом дистанционной литотрипсии оптимальна»...................................................61

2.4.3 Определение функций уверенности для выбора литокинетической терапии.........................................................................................................................................72

2.5. Построение математических моделей диагностики гипотонии мочевыделительной системы при мочекаменной болезни и показателей эффективности лечения...........................................................................................84

2.6. Выводы второй главы.............................................................................92

3. РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ВРАЧА УРОЛОГА ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛИТОТРИПСИИ И РАЦИОНАЛЬНОЙ ЛИТОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗВУКОВЫХ ВОЛН У БОЛЬНЫХ МОЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНЬЮ..............94

3.1 Математическая оценка прогностической и диагностической информативности параметров перекисного окисления липидов, данных рентгенологического, ультразвукового исследования у больных мочекаменной болезнью и выбор схем литокинетической терапии............................................94

3.2. Структура интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача уролога..........................................................................................................119

3.3. Выводы третьей главы.........................................................................122

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ...................................................123

4.1. Оценка эффективности работы прогностических решающих правил по обоснованности дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии 123

4.2. Исследование эффективности алгоритма принятия решений и математических моделей по выбору рациональных схем литокинетической терапии при мочекаменной болезни и после дистанционной литотрипсии ... 126

4.3. Выводы четвертой главы.....................................................................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................143

Практические рекомендации......................................................................145

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Актуальность данного исследования заключается в необходимости повышения качества прогнозирования эффективности дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью с использованием для этой цели современных математических методов и информационных технологий.

Мочекаменная болезнь (МКБ) - социально значимое заболевание, затрагивающее значительную часть населения Земного шара. Так, в

I

Европе уролитиазом страдает в среднем 5-9% населения, 1-5% в Азии, 13% в Северной Америке и до 20% в Саудовской Аравии [214, 224]. В России этот показатель в 2009 г. составлял 0,52% [13]. У 68% пациентов МКБ диагностируется в трудоспособном возрасте (20-60 лет) [50]. Несмотря на значительный научно-технический прогресс и появление богатого ассортимента экстракорпоральных и малоинвазивных методов дезинтеграции и элиминации конкрементов, заболеваемость мочекаменной болезнью не только не снижается, но имеет явную тенденцию к росту [13, 66, 77, 196]. При всем многообразии методов, выбор оптимальной стратегии лечения для конкретного пациента является нелегкой задачей, требующей научного подхода и учета множества признаков.

Высокоэффективным и наименее инвазивным методом лечения МКБ является дистанционная литотрипсия (ДЛТ), позволяющая достичь положительного результата в более чем 90% случаев [50, 226]. Однако возможности метода ограничены: техническими характеристиками аппарата; трудностью адекватной фокусировки на камень; химической структурой камня; анатомо-физиологическими особенностями мочевых путей, исключающих возможность самостоятельного отхождения фрагментов дезинтегрированного конкремента; наличием противопоказаний. В данной ситуации, необоснованное применение ДЛТ

приводит к затягиванию лечебного процесса, бессмысленной травматизации тканей почки или мочеточника, усугублению или усложнению исходной ситуации, в то время как альтернативные эндоскопические методики могут обеспечить избавление пациента от конкремента [78, 81, 82, 84, 85, 106, 107, 108, 202].

Нередко, даже при полной дезинтеграции конкремента при дистанционной литотрипсии, возникают затруднения отхождения фрагментов конкремента, что вызывает необходимость проведения литокинетической терапии для ускорения элиминации фрагментов конкремента. Затруднения отхождения фрагментов конкремента после ДЛТ чаще всего обусловлено гипотонией верхних мочевых путей, снижением их сократительной способности [163]. Наиболее выраженные нарушения встречаются у больных с автономной полинейропатией у больных сахарным диабетом. При этом продвижение фрагмента конкремента по мочеточнику прекращается, а угроза развития гидронефроза и пиелонефрита вынуждает прибегать к инвазивным методам лечения.

Одним из путей улучшения результатов литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью вообще и после ДЛТ в частности является звуковая стимуляция верхних мочевых путей. Несмотря на то, что она широко и давно применяется в практической урологии (Материалы IV Всесоюзного съезда урологов, 1990 г.) ряд аспектов ее применения, особенно у больных с автономной полинейропатией у больных сахарным диабетом после ДЛТ изучен недостаточно. Необоснованны оптимальные режимы звуковой стимуляции, не изучен механизм, приводящий к ускорению отхождения фрагментов конкремента при сочетанном воздействии звуковой стимуляции верхних мочевых путей с другими медикаментозными методами литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью при сахарном диабете.

Таким образом, дистанционная литотрипсия и адекватная литокинетическая терапия у большинства пациентов, особенно при сахарном диабете является не только лечебным фактором, но и профилактическим мероприятием, предохраняющим почку от дальнейшего разрушения.

Повысить качество прогнозирования эффективности ДЛТ и принятия решений по выбору адекватной литокинетической терапии при мочекаменной болезни у больных сахарным диабетом можно путем внедрения в практику врача-уролога автоматизированной системы поддержки принятия решений (СППР). Медицинские автоматизированные системы позволяют врачу не только проверить собственные диагностические и прогностические предположения, но и обратиться к компьютеру за консультацией в трудных случаях и применяются для решения неформализованных проблем в слабоструктурированных и неструктурированных областях.

Актуальность данного исследования заключается в необходимости повышения качества прогнозирования эффективности дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью с использованием для этой цели современных математических методов и информационных технологий.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.», в рамках реализации мероприятия № 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук», в соответствии с Федеральной целевой программой «Предупреждение и борьба с социально-значимыми заболеваниями» 2007-2011 гг. и с научным направлением Юго-Западного государственного университета «Медико-экологические информационные технологии».

Цель диссертационного исследования: Повышение качества принятия решений по выбору рациональных схем лечения и оценки эффективности дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии за счёт использования современных информационных технологий и адекватного математического аппарата, основывающегося на нечеткой логике принятия решений у больных мочекаменной болезнью.

Необходимость достижения указанной цели определила частные задачи диссертационного исследования:

- сформировать компьютерную базу данных о распространенности мочекаменной болезни в городе Курске и выбрать адекватный математический метод для прогнозирования и оценки эффективности результатов дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии;

- сформировать систему информативных признаков, позволяющих строить математические модели для выбора рациональных схем лечения и оценки эффективности лечебных процедур больных мочекаменной болезнью;

- получить математические модели для выбора корректирующих лечебных процедур после ДЛТ и ЛКТ больных мочекаменной болезнью, оценки их эффективности и диагностики сочетанных заболеваний, составивших основу базы знаний интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача уролога;

- провести системную оценку оксидантных и антиоксидантных нарушений у больных мочекаменной болезнью с сочетанными заболеваниями до и после дистанционной литотрипсии и предложить алгоритм их коррекции;

- разработать информационное и алгоритмическое обеспечение интеллектуальной системы врача уролога, поддерживающей решение

задач выбора рациональных схем лечения с учетом индивидуальных особенностей организма и наличия сочетанных заболеваний у больных мочекаменной болезнью, и разработать рекомендации по их практическому применению;

- провести оценку эффективности разработанных моделей и информационно-алгоритмического обеспечения интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача уролога.

Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с паспортом научной специальности 03.01.09. -математическая биология, биоинформатика (медицинские науки):

- п.8. Математические модели, численные методы и программные средства применительно к процессам получения, накопления, обработки и систематизации биологических и медицинских данных и знаний.

- п. 10. Интеллектуальные системы анализа и прогнозирования свойств биологических объектов на основе специализированных баз и банков данных и знаний (в т.ч. полнотекстовых).

- п. 12. Решение задач медицинской диагностики, прогнозирования исходов заболеваний, оценки эффективности медицинских вмешательств и технологий с помощью математического аппарата и вычислительных алгоритмов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математической биологии, биоинформатики, системного анализа, математического моделирования, основные положения теории вероятности, математической статистики и нечеткой логики принятия решения, основы физиологии, методы экспертного оценивания, ультразвукового, рентгенологического и клинико-лабораторного исследования.

Научная новизна исследования: В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту:

- набор информативных признаков и математические модели для решения задачи выбора рациональных схем лечения мочекаменной болезни, отличающиеся использованием разнородных признаков, характеризующих различные стадии течения исследуемого класса заболеваний, которые через частные функции уверенностей агрегируются в интегральные решающие правила выбора способов лечения на основе литокинетической терапии, дистанционной литотрипсии или их комбинаций;

- набор информативных признаков и математическая модель диагностики гипотонии мочевыводящей системы отличающаяся использованием интеграционного правила нечеткого принятия решений, в котором кроме традиционно используемых показателей агрегируются интегральные показатели, характеризующие функционирование оксидантной и антиоксидантной системы организма, что позволяет учитывать наличие сочетанных патологий при выборе рациональных схем лечения мочекаменной болезни;

- математическая модель оценки эффективности дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью, отличающаяся использованием частных функций уровня эффективности агрегирующихся накопительной итерационной формулой с нечеткой классификацией уровней эффективности, позволяющая решать задачи рационального ведения пациентов в условиях нечеткого представления данных с достаточным для медицинской практики качеством;

- математическая модель выбора схем лечения, отличающаяся

использованием аппарата нечеткого принятия решений Такаги-Сугено-Канага, обеспечивающая повышение качества ведения пациентов с мочекаменной болезнью после ДЛТ и ЛКТ за счет использования информации о наличии сочетанных заболеваний и уровня эффективности проводимых лечебных процедур;

- информационно-алгоритмическое обеспечение интеллектуальной системы врача уролога, поддерживающей решение задач выбора тактики лечения мочекаменной болезни и оценки его эффективности с использованием дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии у больных мочекаменной болезнью, позволяющей учитывать наличие сочетанных патологий, индивидуальные особенности организма и формировать научно-обоснованные схемы рационального ведения пациентов с исследуемыми классами заболеваний.

Практическая значимость и результаты внедрения работы.

Разработанные математические модели и алгоритмы интеллектуального ведения пациентов с мочекаменной болезнью после дистанционной литотрипсии и литокинетической терапии составили основу построения интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача уролога, использование которой в медицинской практики позволяет:

1. Повысить качество принятия решений о назначении дистанционной литотрипсии за счет использования комбинированных нечетких математических моделей.

2. Повысить эффективность литокинетической терапии и сократить сроки лечения без существенного повышения технико-экономических затрат за счет использования комбинированных методов терапии и интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача-уролога с нечеткой базой знаний.

Предложенные в работе методы и средства внедрены в учебный процесс кафедры биомедицинской инженерии ЮЗГУ, используются в клинической практике Областного бюджетного учреждения здравоохранения «Курская городская клиническая больница скорой медицинской помощи». Экономическая и социальная значимость состоит в сокращении сроков лечения, и количества осложнений после ДЛТ у больных мочекаменной болезнью с учетом сочетанных заболеваний.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались: на Всероссийской научно-практичес