Оценка состояния человека с помощью мобильных устройств и на основе модели гомеостаза

Размещено на http://allbest.ru

Оценка состояния человека с помощью мобильных устройств и на основе модели гомеостаза

Бачериков Г.И.

Модель гомеостаза

Организм человека представляет собой гетерогенную систему и состоит из ряда физиологических подсистем, тесно взаимодействующих друг с другом.

Целеполагание системы направлено на поддержание гомеостаза Гомеостаз -- способность организма поддерживать функционально значимые переменные в пределах, обеспечивающих его оптимальную жизнедеятельность.. Оценку состояния организма человека и прогноз развития этого состояния предполагается проводить на основе модели физиологического гомеостаза.

В рамках данного проекта состояние человека описывается как область многопараметрического пространства:

S={ p₁,p₂…p_n }

К параметрам, описывающим состояние организма человека, относятся физиологические параметры (пол, тип центральной нервной системы, тип периферической нервной системы, температура, давление крови, частота сердечных сокращений, интервал сердечных сокращений, состав крови, эластичность кровеносных сосудов, их диаметр, параметры внутренних органов, плотность тканей и костей, направление основного обмена и т.д.), физические параметры (рост, вес, физическая активность, положение в пространстве и т.д.), сюда же включаем параметры состояния окружающей среды (циркадные ритмы, температура, атмосферное давление, геомагнитная и радиационная обстановка), данные анамнеза и оценку субъективного самоощущения, полученную в ходе опроса.

Таким образом, текущее состояние человека (одномоментная оценка) представляется точкой многопараметрического пространства:

S^t={ p₁^t,p₂^t…p_n^t }

Поскольку значения ряда параметров постоянно меняются в некоторых пределах, то состояние здорового человека за определенный период в обычных условиях его существования описывается некоторым подмножеством многопараметрического пространства:

G^t1_tk={ S^t1,S^t2…S^tk }

Это подмножество охватывается частью многопараметрического пространства, которая представляет собой область гомеостаза. Основное целеполагание организма, как целостной функциональной системы Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. - М.: Медицина, 1975, с. 63, - нахождение в состоянии гомеостаза.

Физические, умственные и эмоциональные нагрузки могут сдвигать текущее состояние за пределы области гомеостаза. После снятия нагрузок все параметры у здорового человека должны за определенное время вернуться в область гомеостаза. При длительном воздействии нагрузки сдвиг может стать постоянным. Это же происходит при нарушении функционирования отдельных систем организма и является достоверным признаком этого нарушения. гомеостаз сердечный здоровье

Мы не можем непосредственно зафиксировать полную совокупность всех возможных параметров в определенные моменты или промежутки времени. Поэтому, одна из решаемых в проекте задач, сводится к тому, чтобы сняв одномоментно или в течение некоторого промежутка времени ограниченное число физических и физиологических параметров, (заведомо меньше максимального числа возможных параметров) и используя данные анамнеза и внешней окружающей среды, а также оценку субъективного самоощущения, полученную в ходе опроса, рассчитать на их основе максимально возможное количество дополнительных параметров. А затем по совокупности этих данных определить состояние человека и тенденции его развития.

Совокупность точек текущего состояния за определенный период времени образует в рассматриваемом многопараметрическом пространстве траекторию состояния,

G^t1_tk={ S^t1,S^t2…S^tk }

которая за рассматриваемый промежуток времени может(см. Рис1.):

a) Не выходить за пределы области гомеостаза, что соответствует состоянию здоровья.

b) На время выходить за пределы области гомеостаза, но затем возвращаться в нее, что может быть следствием воздействия каких-либо нагрузок, либо факторов внешней среды, но может также и рассматриваться как сигнал о возникновении преморбидного состояния.

c) Проходить компактно за пределами старой области гомеостаза, образуя новую сдвинутую область гомеостаза (возможно, пересекающуюся со старой), что является достоверным признаком существования в организме патологического процесса.

Ряд физиологических параметров, таких как пол, тип центральной нервной системы, тип периферической нервной системы изначально присущи данному пользователю и являются постоянными, в то время как значения других испытывают некоторые отклонения в определенных диапазонах. Эти диапазоны и определяют границы области гомеостаза

G={S₁,S₂,…S_k}S_i={ p₁,p₂…p_n }

где p_j[p_jmin, p_jmax], а p_jmin, p_jmax-границы диапазона

Для каждой точки траектории состояний можно определить метрики положения точки состояний относительно области гомеостаза.

MG_ср = (SUM _i=1 ⁿ II (p_i - (p_i max + p_i min) /2) II /((p_i max - p_i min)/2 )) /n,

где II a II означает абсолютный модуль a.

Если все параметры состояния уходят за пределы границы диапазона, то соответствующая метрика > 1.

MG _макс = MAX _i=1 ⁿ II (p_i - (p_i max - p_i min) /2 II

а также направление развития траектории. Если траектория уходит из области гомеостаза, то это свидетельствует о развитии процессов в организме, которые ведут к патологии.

Таким образом, модель гомеостаза описывается совокупностью параметров и характеристиками траектории состояний пользователя.

Алгоритмы системы диагностики

Работа системы диагностики поясняется на рис. 2. Надо отметить, что все действия выполняются самим пользователем по указаниям приложения (программного обеспечения), выполняемого на мобильном устройстве.

1. Пользователь запускает на мобильном устройстве приложение для мониторинга.

2. Производится идентификация пользователя

3. Из базы данных загружается электронная медицинская карта(ЭМК) пользователя.

4. Проводится текущий опрос пользователя с записью результатов в ЭМК.

5. Пользователю предлагается надеть набор датчиков. Процесс поясняется демонстрацией на экране мобильного устройства инструкций и иллюстраций.

6. Приложение проводит контроль датчиков.

7. Начинается мониторинг состояния пользователя. В ходе этого пользователю может быть предложено выполнение некоторых действий (напр. сесть, лечь, встать, присесть).

8. В процессе мониторинга производится запись в ЭМК параметров, полученных с датчиков.

9. Рассчитываются недостающие параметры.

10. Оценивается текущее состояние.

11. Оценивается развитие траектории состояний.

12. По результатам оценок в случае необходимости производится оповещение доверенных лиц, экспертов или самого пользователя.

Алгоритмы оценки текущего состояния

Оценка текущего состояния производится несколькими путями.

1. Анализируется вариабельность сердечного ритма с использованием записи R-R интервалов.

Вычисляется Баевский P.M., Иванов Г.Г. Вариабельность сердечного ритма: теоретические аспекты и возможности клинического применения // Ультразвуковая функциональная диагностика. 2001. № 3. С.108-127.

Баевский P.M. и др.Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем «Вестник аритмологии» от 02/03/2002, стр. 65 :

· Индекс напряжения (стресс-индекс)

· Спектральная мощность трех частотных диапазонов кардиоинтервалограммы и соотношение этих мощностей:

HF диапазон отражает процессы парасимпатической активности. LF диапазон связан с симпатической активностью. VLF диапазон отражает гуморально-метаболические влияния.

Это позволяет оценить процессы мобилизации и расслабления организма, а также расхода и восстановления энергии.

Вычисляются основные статистические характеристики вариабельности сердечного ритма (ВСР):

· СКО - среднее квадратическое отклонение (выражается в мс);

· SDNN - стандартное отклонение NN интервалов (аналог СКО);

· NN5O - количество пар последовательных интервалов NN, различающихся более, чем на 50 миллисекунд, полученное за весь период записи

Эти данные позволяют оценить наличие аритмий.

Для измерения давления предполагается использование метода объемной компрессионной осциллометрии http://gemodinamika.ru/index.php?page=method, что дает возможность:

· оценить основные показатели гемодинамики: ударный и минутный объем, систолический индекс, общее и периферическое сосудистое сопротивление и др.

· а также получить дополнительные параметры работы сердца: сердечный выброс, ударный (систолический) объем сердца, сердечный индекс (СИ) и др.

Эти параметры имеют самостоятельную диагностическую ценность. В случае их выхода за пределы нормальных значений может производиться оповещение доверенных лиц, экспертов или самого пользователя.

Кроме того, эти параметры также учитываются при определении положении текущего состояния относительно области гомеостаза.

Определение положения текущего состояния относительно области гомеостаза.

· Определяются все параметры, описывающие текущеее состояние: из ЭМК, получаемые в процессе мониторинга, а также рассчитываемые.

· Определяется величина смещения каждого параметра относительно центра диапазона его изменений:

p_i p_i = II (p_i - (p_i max + p_i min) /2) II

· Если параметр выходит за диапазон, то это помечается.

· Подсчитывается число вышедших за диапазон параметров

· Если несколько параметров лежат за границами диапазона или внутри диапазона, но вблизи его границ, то признаком начала патологического процесса, и приложение может попросить пользователя провести дополнительные измерения через некоторое время.

· После этого приложение переходит к алгоритму оценки развития траектории состояний.

Алгоритм оценки развития траектории состояний (алгоритм прогноза)

· Из ЭМК получаем точки траектории состояний.

· Пусть число точек - k, а число параметров в каждой точке состояний - n.

G^t1_tk={ S^t1,S^t2…S^tk } определяет траекторию состояний.

· Для каждой точки состояний рассчитываем метрику

M S^tj_ср = (SUM _i=1 ⁿ II (p_ij - (p_ij max + p_ij min)/2)II/((p_ij max - p_ij min)/2)) /n

· Среди множества метрик находим максимум

MAX { M S^tj_ср }

Выделяем подмножество точек траектории расположенных после точки с максимальной метрикой

G^t(j+1)_tk ={S^t(j+1) …S^tk }

· Находим точки локальных максимумов и локальных минимумов метрик для G^t(j+1)_tk

· Если последовательности локальных максимумов и локальных минимумов являются убывающими, то развитие траектории направлено в сторону области гомеостаза. В этом случае можно говорить о затухании патологического процесса, если траектория состоит из точек, принадлежащих достаточно длительному временному отрезку(как правило, не менее нескольких суток), либо (в случае малых временных отрезков) организм успешно восстанавливается после нагрузок. Если траектория уходит из области гомеостаза, то это свидетельствует о развитии процессов в организме, которые ведут к патологии.

Алгоритмы системы диагностики

Работа системы диагностики поясняется на рис. 2. Надо отметить, что все действия выполняются самим пользователем по указаниям приложения (программного обеспечения), выполняемого на мобильном устройстве.

1. Пользователь запускает на мобильном устройстве приложение для мониторинга.

2. Производится идентификация пользователя

3. Из базы данных загружается электронная медицинская карта(ЭМК) пользователя.

4. Проводится текущий опрос пользователя с записью результатов в ЭМК.

5. Пользователю предлагается одеть набор датчиков. Процесс поясняется демонстрацией на экране мобильного устройства инструкций и иллюстраций.

6. Приложение проводит контроль датчиков.

7. Начинается мониторинг состояния пользователя. В ходе этого пользователю может быть предложено выполнение некоторых действий (напр. сесть, лечь, встать, присесть).

8. В процессе мониторинга производится запись параметров полученных с датчиков

9. Рассчитываются недостающие параметры.

10. Оценивается состояние организма.

Размещено на Allbest.ru