Опыт 45 лет применения технических средств и математических методов для ИТ 1

Опыт 45 лет применения технических средств и
математических методов для ИТ
1
2
Доклад Партнерства по
биоинженерным исследованиям
(наука+промышленность+медицина):
Массачуссетский технологический
институт (MIT),
Philips Medical Systems и
Израильский медицинский Центр (Beth
Israel Deaconess Medical Center
4
Геннадий
Васильевич
Кнышов
продолжает
его дело
Николай Михайлович Амосов
впервые начал разработку
кибернетических средств для
медицины
5
История. В.И. Бураковский и Д. Кирклин первыми
использовали мониторно-компьютерные системы в
медицине
Впервые ввёл МКС и математические модели в клинику
для лечения тяжёлых и осложнённых больных
Бураковский В.И.
Впервые ввёл МКС и математические модели в клинику
для лечения тяжёлых и осложнённых больных
Бураковский В.И.
8
НОВЫЕ ТРЕБОВАНИЯ Оттиск
К МЕДИЦИНСКИМ ПРИБОРАМ И
ТИПИЧНЫЕ ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Лищук В.А., Блохина О.В. , Газизова Д.Ш.,
Сазыкина Л.В., Неверов С.Л., Леонов Б.И., Бокерия Л.А.
НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, ГУН ВНИИИМТ МЗ и СР РФ, Москва
Сейчас о главном результате, о клинике
The actuality of expert examination of modern measuring clinical methods and
instruments. Bokeria L.A., Leonov B.I., Lischuk V.A.; 2005
9
Материал. В системах «Айболит», «Миррор» и DocVue накоплены данные,
тренды, графики, диаграммы, результаты обработки, рекомендации, оценки
качества более чем по 20 000 больным. По каждому больному в среднем до
миллиона данных (от 100 до 100 млн.), статобобщений и заключений. Среднее
количество измерений для больного 13000 ± 4000; время контроля 14 ± 6
часов (от 4 часов до 7 суток). На основе этого опыта и литературы получены клини-
ческие, математические, кибернетические результаты и рекомендации (Бураковский В.И. и др.
1974 – 1995; Бокерия Л.А., Леонов Б.И., Лищук В.А., 2006, Лищук В.А., Бокерия Л.А., 2006,
2007, Лищук В.А., 1971, 1991, 2008; Эльянов М.М., 2000 - 2008).
Оттиск
10
Методы и техника
За 40 лет мы создали и использовали несколько
поколений мониторно-компьютерных систем,
программных комплексов и клинико-диагностических
решений.
Опыт применения отражён в нескольких монографиях,
многочисленных статьях, пособиях и докладах (1973 2009).
Основное внимание мы уделяли применению средств и
методов информатизации к задачам диагностики и
терапии.
Особое внимание - вопросам создания инфраструктуры
информатизации ЛПУ, которая независимо от целей
и критериев позволяет построить информационную
сеть с приоритетами, разделенными в соответствии с
полномочиями и ответственностью.
Наконец, главный критерий успеха – клинические
результаты.
Условия работы
Общая характеристика
Объективные измерения состояния и функций больного являются в
современной медицине основой диагностики и выбора терапии.
Мониторный контроль используется в отделениях реанимации,
интенсивной терапии, операционных.
Измерители давления крови, ЧСС, ЭКГ, SpO2, температуры, сахара
крови, сопротивления кожи и тканей, шагомеры и т.п. используются
не только в функциональной диагностике, но и в домашних
условиях.
При некорректности измерений возрастает вероятность
диагностических ошибок и неэффективной терапии.
Ошибки измерений имеют особенно большое значение при переходе от
контроля к диагностике, алгоритмическому выбору терапии и
длительному комплексному анализу состояния больного.
Они проявляются в основном в двух приложениях медицинских
измерительных систем:
прикроватных и операционных мониторах для непрерывного контроля
тяжелых больных с возможностью оперативной диагностики, выбора
и коррекции лечения;
средствах и методах для длительного амбулаторного (домашнего)
наблюдения.
Новые требования к методическому и техническому обеспечению
• Современный мониторинг больных в БИТах и операционных,
домашних условиях должен обеспечивать диагностические и
терапевтические решения при болюсном и внутривенном
введении сильнодействующих лекарств, искусственном дыхании,
гемодиализе, операциях на магистральных сосудах, операциях с
МК и МИРМ, ангиопластике, лечении с помощью стволовых
клеток, ТМЛР, глубокой многокомпонентной анестезии,
протезировании органов, кардиостимуляции, лечении гипертонии,
хронической сердечной недостаточности и т.п.
• Эти технологии связаны с выраженными патологическими и
быстротекущими лечебными процессами, когда существенные
изменения функции и состояния происходят в течение нескольких
минут и даже секунд.
• При неточной оценке состояния организма последствия этих
изменений приводят к тяжелым, требующим интенсивного
вмешательства последствиям, вплоть до полиорганной
недостаточности, ДВС синдрому, шоку и т.п.
• Использованию современных медицинских технологий и их
обеспечению эффективной информационной и интеллектуальной
поддержкой мешают некоторые недостатки современной
медицинской контрольно-измерительной и исполнительной
аппаратуры.
Общая характеристика
Проблема некорректного использования клинического и
мониторного контроля обсуждалась неоднократно:
Бокерия Л.А. и др. «Реализация метрологической
оценки контроля сердечно-сосудистой системы», 1997,
2000, 2005; Затевахина М.В. и др., 2000, 2001; Лищук
В.А. и др., 1975, 2007 и др.
Особенно неприятно видеть в 2008 г. монографию с
неверными размерностями (например, размерность дана
как дин*с*см-5/м2 (неверная), величина ИОСС – 1100.
«Инвазивный мониторинг гемодинамики». В. В. Кузьков,
М. Ю. Киров, стр. 209, 211 и др.). Наш этический долг
как ПК и моральный (перед больными) - выявлять и
выносить на обсуждение такие недостатки
рекомендаций.
Предварительная обработка
Обработка, которая проводится внутри монитора (преобразования
аналогового сигнала в цифровой, определение максимумов,
реперных уровней, калибровка, фильтрация, задание времени и
т.п.), не описывается в инструкциях.
Способы фильтрации сигналов, защиты от промышленной частоты
электрического напряжения в 50 или 60 Гц, защиты от
дефибрилляторов и коагуляторов, электромагнитные и
оптические развязки – всё это несущественно влияет на
измерения при контроле медленно изменяющихся сигналов.
При анализе быстрых переходных процессов и сверхмедленных
составляющих при длительном контроле результаты начинают
зависеть от включенных в биомедицинский измеритель
алгоритмов «предварительной обработки».
Нужно стремиться
к минимальному влиянию предварительной обработки на
контролируемый сигнал,
к ясному и полному описанию предварительных манипуляций в
инструкциях, в том числе интерактивных,
к фиксации ограничений, в пределах которых прибор выдерживает
паспортные характеристики (соответствующие характеристики
должны быть даны).
Новые требования к методическому и техническому обеспечению
• Современный мониторинг больных в БИТах и операционных,
домашних условиях должен обеспечивать диагностические и
терапевтические решения при болюсном и внутривенном
введении сильнодействующих лекарств, искусственном дыхании,
гемодиализе, операциях на магистральных сосудах, операциях с
МК и МИРМ, ангиопластике, лечении с помощью стволовых
клеток, ТМЛР, глубокой многокомпонентной анестезии,
протезировании органов, кардиостимуляции, лечении гипертонии,
хронической сердечной недостаточности и т.п.
• Эти технологии связаны с выраженными патологическими и
быстротекущими лечебными процессами, когда существенные
изменения функции и состояния происходят в течение нескольких
минут и даже секунд.
• При неточной оценке состояния организма последствия этих
изменений приводят к тяжелым, требующим интенсивного
вмешательства осложнениям, вплоть до полиорганной
недостаточности, ДВС синдрому, шоку и т.п.
• Использованию современных медицинских технологий и их
обеспечению эффективной информационной и интеллектуальной
поддержкой мешают некоторые недостатки современной
медицинской контрольно-измерительной и исполнительной
аппаратуры.
Усреднение
Например, за какое время современный монитор усредняет АД?
Подробный разбор ошибок контроля и измерения дан в публикации
Л.А. Бокерия, Б.И. Леонова и В.А. Лищука «Актуальность экспертизы
современных измерительных медицинских методик и приборов…»,
2005.
Сейчас используются следующие показатели.
МОК – минутный объём крови за минуту.
ЧСС – частота сердечных сокращений. То же – в среднем за
минуту.
И т.д.
Рис. показывает разницу в контроле при наиболее детальном
отображении данных одним из лучших современных мониторов
и при контроле и отображении каждого сокращения сердца.
Запись показателей кровообращения во время операции прямой реваскуляризации
миокарда на работающем сердце. Сравнение лучшего обычного мониторного
контроля (слева) с поцикловым (справа). Количество получаемой информации
повышается примерно на 2 порядка, что не делает ни одна из известных
технологий
Сравнение трендов, полученных при поцикловом контроле по технологии
«Миррор», с трендами при обычном мониторном контроле. Итак, в практике и в
научных работах считается, что показатели давления, пульса, кровотока и т.п., как правило,
относятся к минуте. В действительности имеем существенную неопределённость
Аналогичная ситуация имеет место почти для всех
клинических и физиологических оценок сердечнососудистой системы, сердца, дыхания и др.
Разброс, Вариация функций
Венозное (ЦВД) и лёгочное артериальное
давление (ЛАДС, ЛАДД, ЛАД).
Изменение периода сокращения (Т)
сердца и артериального давления в
ответ на пережатие аорты (метка 1).
Виды усреднения
tк
1
АДС (t ) 
АД ( )d , t  t0 , t k

t k  t0 t0
Переходя к поцикловому контролю, мы
устраняем ошибки, привносимые:
неизвестностью периода времени,
за который вычисляются
репрезентативные оценки,
экстраполяцией неизвестного или
известного времени контроля на
минуту,
отнесением полученного результата к
2, 5, 15 и 30 минутам, в зависимости от
заданного режима.
F (n) 
t0 n Tn
1
Tn
 F ( )d ,
t0 n
F ( n, n  m ) 
Это относится к большому классу показателей:
ЧСС, частоте дыхания,
артериальному и
венозному давлениям в
большом и лёгочном
кругах кровообращения,
давлениям в полостях
сердца, лёгких (при вдохе
и выдохе), мощностям
(работе) левого и правого
желудочков, ОПС, ОЛС,
падению мощностей в
большом и малом кругах
кровообращения, рО2 и
многим другим.
i n  m
1
m
 F (i )
i n
Здесь t – время,  - время внутри цикла, АДС – среднее артериальное
давление, to – время начала измерения, tк – время окончания, F – оценка
физиологического процесса (например, артериального давления, кровотока и
т.п.), Tn – период n-го физиологического цикла, t0n - время начала и -время
внутри цикла, n – первый цикл измерения.
Ошибки определения ЧСС
Установлено, что значение ЧСС, выводимое монитором, отличалось на 14 уд/мин от ЧСС, усредненной
за минуту, и на 25 уд/мин - от мгновенной ЧСС в наиболее критические периоды лечения.
Длины RR-интервалов (запись 1), рассчитанные по
длинам интервалов (кривая 1), рассчитанные за
минуту (кривая 2), рассчитанные монитором (кривая 3).
Длины RR-интервалов (запись 2), рассчитанные по длинам
интервалов (кривая 1), рассчитанные за минуту (кривая 2),
рассчитанные монитором (кривая 3).
Ошибки первой записи длин RR-интервалов, определенных монитором, относительно длин RR-интервалов,
усредненных за минуту (кривая 1), и относительно
мгновенных значений длин RR-интервалов (кривая 2).
Ошибки во второй записи длин RR-интервалов, определенных монитором, относительно длин RR-интервалов, усредненных за минуту (кривая 1) и относительно мгновенных
значений длин RR-интервалов (кривая 2).
Усреднение не согласовано с физиологическими и клинико-физиологическими процессами.
Предварительное условие – профессионализм
Что не так?
В большинстве работ,
кровопотеря не индексируется,
как здесь (первая строка, второй и
третий столбцы), соответственно,
иногда (вернее, как правило ) не верны
выводы. Список литературы дан в приложении.
25
В диссертации на учёную степень к.м.н. (М.)
(уважаемый Центр) индекс общего периферического сопротивления рекомендуется поддерживать в пределах, 600 - 1000: дин/(с
см5)/м2.
Автор использует эту размерность
для вычислений и анализа.
Последние для рекомендаций.
Лищук В.А. Еще раз о типичных ошибках при обработке данных
клинического и мониторного контроля. // Седьмой Всероссийский
съезд кардиохирургов (10-13 ноября 2001 г.). Тезисы докладов и
сообщений. Т. 3. № 5. Ноябрь 2001.– М.: Издательство НЦССХ им.
А.Н. Бакулева РАМН, 2001 г. - С.183;
26
Абсолютные величины.
Нет ЧСС.
По УИ ПЖ ЛЖ нет объяснений.
СИ с 2,8 до 3,1.? Нет
объяснения.
27
Это поцикловой контроль
Что можно
понять,
используя
одно
значение для
АД?
Судят о
состоянии по
одному
измерению
за этап,
иногда об
операции.
28
Обобщение. Бокерия Л.А., Леонов Б.И., Лищук В.А. «Актуальность экспертизы…», 2005;
В.А. Лищук «Типичные ошибки…», 1996, 2001, 2007.
Виды ошибок
•
Неверно вычисленные показатели, например УИ, МОК, ЧСС
•
Неверные размерности, например, ИОПСС
•
Ссылаются на термодилюцию, мониторинг, но данные не дают
•
Не показывают совместность данных статистических выборок
•
Судят о состоянии (измеряемой величине) по одному замеру
•
Допускают непроверяемость данных, например, не дают
ЧСС или Т, вариацию вводимых препаратов и жидкостей…
•
Используют для статобработки абсолютные величины вместо
индексов
•
Не используют относительных величин
•
Не учитывают требования системности
•
Выводы не следуют из данных
•
Не учитывают предварительную обработку данных тех.
измерителями
2008 г.
29
Задача: лечение ОСН
Рекомендации ВНОК.
Анализ и имитация с помощью модели.
Синтез терапии.
Лищук В.А. Специфика применения математических моделей в лечении больных после
операций на сердце // В кн.: Применение математических моделей в клинике сердечнососудистой хирургии. – М.: Машиностроение, 1980. - С.155-170
Lischouk V.A. (Лищук В.А.) Clinical results with computer support of the decisions (in the
cardiosurgical intensive care unit) // Databases for cardiology; ed by Meester G.T., Pinchiroli F. Dortrecht: Kluwer academic publishers, 1991. - pp. 239-259;
30
Рекомендации Всероссийского научного общества кардиологов*
Секция неотложной кардиологии
Москва 2006. Составлены с учетом Рекомендаций Европейского кардиологического общества
по диагностике и лечению острой сердечной недостаточности. Eur Heart J 2005; 26: 384-416.
www.escardio.org
Нет: ВД,
ЧСС, ЛАД,
САД, ДАД,
…
Лищук В.А. Специфика применения математических моделей в лечении больных
после операций на сердце // В кн.: Применение математических моделей в клинике
сердечно-сосудистой хирургии. – М.: Машиностроение, 1980. - С.155-170
31
Минимальная система закономерностей кровообращения
Гетерометрическая зависимость, с учётом инерционности в динамике. Для
левого и правого желудочков.
Гомеометрическая зависимость для АД и ЧСС, с учётом инерционности в
динамике. Для левого и правого желудочков.
Закон Пуазейля для участка сосудистого русла, иногда с учётом сил
инерции. Для АСС, ВСС, ЛАР, периферического сосудистого ложа, …
Модель Франка для сосудистого резервуара. Для АСР, ВСР, ЛАР, …
Баланс объема крови в сердечно-сосудистой системе. Включая диурез,
кровопотерю и крововосполнение.
Закон изменения объема крови в сосудистом участке, иногда с учётом
фильтрации.
Саморегуляция тканевого кровотока.
Гомеостаз кровяного давления
Уравновешивание автономных функциональных систем центральной
нейрогуморальной организацией ССЦ.
Центральная команда.
Условия статики.
Эти закономерности определяют взаимоотношения между свойствами ССС,
оценками функции и регуляцией кровообращения.
В.А. Лищук «Математическая теория кровообращения», 1981,1991, Медицина, М.,32
256с.
В зависимости от доступного контроля модель может быть
упрощена или расширена до любого количества элементов
,
V = RТ[Е(VU)+Т+G]+Q
P = Е(V U)+Т+G
Q = ПRRТП,
0
жирным шрифтом обозначены матрицы,
V, R, Е, U, Т, G, Q - матрицы, соответственно, объемов,
проводимостей, эластичностей, ненапряженных
объемов, тканевых давлений, сил тяжести и
кровотоков;
P, Q0- n-мерные столбцы давлений и кровопотерь
(восполнений); П=diag [P1,…, Pn]- матрица nn.
В.А. Лищук «Математическая теория кровообращения», 1981,1991, Медицина, М., 256с.
33
Задача: лечение ОСН
Часто при левожелудочковой недостаточности
назначается кардиотоник или кардиотоник и
вазодилататор (иногда вазоконстриктор) одновременно.
Такая тактика может приводить к временному
улучшению с последующим нарастанием сердечной
недостаточности.
Бокерия Л.А., Лищук В.А,
Цховребов С.В. и др. Оценка
полезности действия
адреналина и снижение
давления во время и после
операций аорто-коронарного
шунтирования // 4 ежегодная
сессия НЦССХ им. А.Н.
Бакулева с Всероссийской
конференцией молодых
учёных. Тезисы и доклады. 2000 г. С.271
Сменить!
34
Выполнен непрерывный мониторно-компьютерный анализ 502-х больных
во время АКШ. У 82 из 502 больных в течение операции и/или в раннем
послеоперационном периоде вводился в/в адреналин. Средняя доза
0,06 от 0,2 до 0,35 мг/(кг в мин). Среднее время введения 125 мин, от 5
мин. до нескольких суток. Среднее время контроля 25±6 часов.
Эффект от введения адреналина в отношении АД почти что
немедленно проявлялся в ~ (89±6)% от всех наблюдений. В ~
(49±8)% от всех наблюдений насосные кэффициенты сердца
через (30±3) минуты уменьшались не менее, чем на (12±5)%.
Индивидуальное наблюдение. Больной Я. ИБ 3742. АКШ-3 (пка, втк, збв ов)
35
В наибольшей степени изменено лёгочное венозное давление (1,86). Наибольшее влияние на
лёгочное венозное давление оказывает снижение в 2,44 раза насосного коэффициента левого
желудочка сердца. Насосный коэффициент левого желудочка сердца – наиболее слабое звено.
Воздействовать кардиотониками на сердце нельзя, так как это поведёт к резкой перегрузке и
через небольшое время - падению функционального состояния и необходимости увеличить
дозу. ОПС повышено в 1,6 раза, что приводит к повышению АД на 20% по сравнению с
нозологической нормой, несмотря на 30% падение СИ. Перерегулирование естественно для
таких многофункциональных гомеостатических процессов. Поэтому уменьшим нагрузку на
36
левый желудочек, снизив ОПС до нозологической нормы.
Образ типичной левожелудочковой недостаточности после нормализации ОПС.
Основное изменение - АД снизилось на 26% от нозологической нормы. На 56%
от исходного состояния. Имеем существенную разгрузку левого желудочка
37
сердца. ОЛС снижено на 30%. Нормализуем его.
Образ после нормализации ОПС и ОЛС.
Нормализация ОЛС не изменила существенно ситуацию. Все изменения функций
находятся в рамках погрешностей измерений. ЛВД по прежнему наиболее
изменённая функция, а КЛ – свойство, в наибольшей степени на него влияющее.
Но, поскольку мы сняли нагрузку, можно попытаться поднять функциональное
состояние левого желудочка кардиотоником. Допустим, мы поднимем КЛ до 38
нозологической нормы.
Образ после нормализации ОПС, ОЛС и КЛ
Основное изменение: ЛВД упало на 10% ниже нормы. На 96% от
исходного состояния. АД и СИ лишь немногим ниже нозологической
нормы. Венозное давление повышено на 22%. Снижение эластичности
вен (1,22 до 1) не может снизить ЦВД. К этому может повести
39
нормализация КП. Поэтому нормализуем теперь КП.
Нормализация КП. Ранее нормализованы ОПС, ОЛС и КЛ.
Нормализация КП приводит к небольшой (14%), на грани допустимой погрешности
измерений (15%), перегрузке. От ЭВ все функции зависят линейно. ЭА хотя
изменена значительно, но в данной ситуации не влияет на функции, поскольку
объём артериального резервуара мал. Не будем нормализовать и ЭВ, так как40её
отклонение от нозологической нормы также меньше погрешности измерения.
Айболит выдаст диагноз состояния
Чтобы поддержать СИ.
Предотвращает перегрузку левого желудочка сердца.
Сохраняет гомеостатический уровень АД
41
Имитация действия допамина на сердечно-сосудистую систему, без
предварительной разгрузки левого желудочка сердца
Чтобы повысить насосную способность сердца так, чтобы КЛ нормализовалось,
КЛ нужно увеличить в 2,44 раза. По нашим данным (подтверждается не всеми)
почти во столько же раз возрастёт и функциональное состояние правого
желудочка сердца. Увеличим КП в 2.44 раза с 6.2 до 15.13 (норма 8.3). Это
приведет к гиперфункции ССС, см. диаграмму и табл. Неверны ОПС и ОЛС.
42
Очень важно! Прежде, чем назначить кардиотоник, нужно снять спазм.
Тяжёлая левожелудочковая недостаточность. НКЛЖ снижен в 3 раза. Только мониторные данные и анализ
с помощью модели. Функции. Свойства. Эта тяжёлая недостаточность сопровождается увеличением ОПС
в 2 раза. Рост ОПС предотвращает падение АД. Емкостные сосуды вен дилатированы в 1,4 раза. Веозное
давление упало на 80%. Что имеет защитный характер, т.к. снижает преднагрузку правого желудочка.
Нормальная преднагрузка правого желудочка приведёт к перегрузке левого желудочка и к
прогрессирующему падению его функционального состояния. Вывод (к лечению адреналином), анализ
наших данных показывает, что нельзя назначить кардиотоник, предварительно не сняв
спазм (требуется отдельное обсуждение, в приложении есть ссылки на литературу).
Вазодилататор и
кардиотоник
должны
вводиться
рекуррентно.
Лищук В.А. Опыт применения математических моделей в лечении больных после операций на сердце // Вестник АМН СССР. – 1978. № 11. – С. 33-49; Бураковский В.И., Лищук В.А. Первые результаты индивидуальной диагностики и терапии больных с острыми
расстройствами кровообращения на основе математических моделей. – М.: ПК ВНИИМИ МЗ СССР. – 1985. – 66 с.;
Бураковский В.И., Лищук В.А. Анализ гемодинамической нагрузки миокарда после операций на открытом сердце // Грудная
хирургия. - 1977. - N 4. - С. 177-192
43
Введение в практическую
медицину
интеллектуальных средств
и методов, безусловно,
необходимо и перспективно
Потребует
серьёзное обучение
Чтобы матобеспечение и техсредства стали не вспомогательными, а
ведущими, они должны перейти к интеллектуальному обеспечению
математике
и технике в медвузах и
медицины в нетехнических
университетах и инженерных вузах
44
Введение в практическую
медицину интеллектуальных
средств и методов безусловно
необходимо
и
перспективно
Потребует серьёзного обучения
математике и технике в медвузах
и обучения медицине в
инженерных вузах
45
АСОР НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН
Мониторинг ( УЗИ, КТ)
больной
врач
исполнение, инфузоматы
операционные, реанимации, БИТ
модель и индивидуализация
решение, слабое звено
структура и система законов
46
Это технология, которую мы начинали делать в Киеве
Будем делать «Med-Soft» за рубежом и для
них, или всё же сумеем объединиться и
выпускать «Мед-Мат» у нас для нас и для них
C 18 YII по 27 YIII