Ключові слова: біотехнічна система, оптимальне керування, ефективність гемодіалізу, цільова функція гемодіалізу, математична модель об'єкта керування, екстракорпоральна корекція гомеостазу.

Полищук С.Т. Информационные методы повышения эффективности управления в биотехнической гемодиализной системе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии,

Национальный авиационный университет, г. Киев, 2004.

Диссертация посвящена вопросу повышение эффективности использования гемодиализной системы, в контуре управления которой для достижения целевой функции взаимодействуют технические и биологические объекты.

Техническим комплексом в контуре управления является аппарат “искусственная почка”, объектом управления - пациент, оптимизирующим звеном в цепи обратной связи - врач-оператор.

На основе уточнения целевой функции, математического и компьютерного моделирования эффективности управления в гемодиализной системе разработан алгоритм оптимизации процесса экстракорпоральной коррекции гомеостаза по критерию максимального удаления токсичных веществ.

Ключевые слова: биотехническая система, оптимальное управление, эффективность гемодиализа, целевая функция гемодиализа, математическая модель объекта управления, экстракорпоральная коррекция гомеостаза.

Abstract

Polischuk S.T. Information Method of Economization of Control in the Biotechnical Hemodialysis System.

Manuscript. Thesis for Candidate of Technical Sciences degree by specialty 05.13.06 - Automated Control Systems and Progressive information Technologies, National Aviation University, Kiev, 2004.

Techogenic and ecological catastrophes, variety of life cases such as poisonings, frostbites, drowning as well as natural illnesses of the people can be resulted by end-stages renal disease (ESRD).

In case of ESRD the life of the man can be prolonged by the transplantation of kidney, but the impossibility of providing for each patient by the donor organ pose a problem of designing and making of artificial kidney in number of priority directions of modern scientific researchs. In modern understanding, the artificial kidney equipment (AKE) is the constituent of a haemodialysis system (HDS) and there is an intermediate joint between by donor and artificial implant of kidney.

On the one hand the hemodialysis is the most effective tools of support of the homeostasis of man organism in case of ESRD, and can prolong the people life for many years. However, quality and life expectancy, cost of treatment is in direct dependence from effectiveness of hemodialysis realization.

On the other hand, the effectiveness of hemodialysis realization is defined by maximization of hemodialysis purpose function (HPF), which depends from regime of AKE which physician-operator has installed and can change in process of hemodialysis, depending on his experience and intuition.

As shows the statistics of our researches, even using most modern AKEs isn't guaranteed the possibility to the doctor of carrying out hemodialysis without beginning of destructive condition of the patients (bigger 25%), and doesn't enable reach extremum of HPF (which today is defined as ) for the set time.

The reasons to this can be clear if we consider hemodialysis as a process control in biotechnical system (BTS). In this case the patient with renal failure can be considered as the control object, AKE - as the control device, the doctor - operator as module of feedback circuit. And by the objective function of technological process is correction of the patient homeostasis up to a level of healthy organism.

From the point of view of automatic control theory, the frame of such system can be considered as an open-loop system, because in HDS

there aren't the direct information connections between object control and calculator of AKE. And consequently, not stipulated algorithms of retaining parameters of the state vector of the control object in boundaries, which are defined by singularities of the physiological system of the patient's organism.

Also, the frame of such HDS could be presented as closed loop control. In feedback circuit of which there is a doctor - operator having the information connections with the control object and AKE. And he fulfills functions of optimizer, which reduces the following errors between parameters of the state vector and control vector.

At such approach it would be possible to consider a possibility of optimal control in HDS. However, calculations show that the time constant of the feedback block is commensurable with time of control the state vector of object. And it's the reason of deviation of state vector beyond the limits of allowable variation.

Therefore in most cases, the attempt of increase of hemodialysis doze may results in violation of organism homeostasis and apparent as hypertension, hypotension, hipovolemic, and others.

In summary, it is possible to say, that the actuality and novelty of thesis consist in following.

The method of the quantitative analysis of HDS's regime is developed. On the basis of this method the regularity of low effectiveness of the hemodialysis for the patients with ESRD is proved.

Statistically is shown, that the majority of patient's dysfunction status can arise because of misplacement of AKE's regimes at attempt to increase a dose of hemodialysis.

On the basis of system analysis of HDS is shown, that the imperfection of modern AKE does not allow maximize HPF, as demands from the doctor - operator of handling of the large information arrays in on-line regime.

The frame and algorithm of optimal control had designed on the basis of the approach to HDS as BTS of extracorporeal homeostasis correction. It has allowed increasing of the hemodialysis effectiveness and consequently the quality of treatment for the patients with ESRD.

Key words: biotechnical system, optimal control, hemodialysis effectiveness, hemodialysis purpose function, mathematical model of control object, extracorporeal correction of homeostasis.

гемодіаліз біотехнічний токсичний керування

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Апарат “штучна нирка” (АШН) є технічною складовою гемодіалізної системи (ГДС), яку, виходячи із сучасних уявлень, можна розглядати як автоматизовану систему керування технологічним процесом екстракорпорального заміщення втраченої функції нирки хворої людини - гемодіалізом.

У разі виникнення термінальних стадій хвороб нирки (ТСХН), гемодіаліз може подовжувати життя людини на десятки років. Однак тривалість життя та кошторис лікування залежать безпосередньо від ефективності виконання гемодіалізу.

Ефективність виконання гемодіалізу, в свою чергу, визначається ступенем досягнення екстремуму цільової функції гемодіалізу (ЦФГ), який залежить від параметрів АШН, які встановлює, і може змінювати у процесі проведення гемодіалізу лікар-оператор в залежності від стану пацієнта.

Світовий досвід показує, що спроба досягнення максимально можливих значень ЦФГ в умовах обмеження часу, навіть з використання найсучасніших АШН, не дає змоги уникнути порушення гомеостазу пацієнтів на різних етапах проведення процедури.

З технічної точки зору порушення гомеостазу організму людини можна пояснити, якщо розглядати ГДС як біотехнічну систему (БТС) автоматизованого керування об'єктом керування якої є пацієнт із ТСХН, приладом керування - АШН, ланкою оптимізації у колі зворотного зв'язку є лікар-оператор, а ЦФГ- корекція гомеостазу організму пацієнта.

Біонічний підхід до аналізу і синтезу складних медичних технологій викладено в працях видатних учених України та Росії: В.М. Глушкова, Н.М. Амосова, П.К. Анохіна, В.Н. Новосельцева, В.М. Ахутіна, Ю.М. Онопчука, А.І. Биха.

З точки зору теорії автоматичного керування сучасна ГДС є системою розімкнутого типу, оскільки в ній немає прямих інформаційних зв'язків між об'єктом керування і обчислювачем АШН, а отже, і не передбачено алгоритму утримання параметрів вектора стану об'єкта керування у допустимих межах, які визначаються особливостями фізіологічної системи організму пацієнта.

Cтруктуру ГДС також можна розглядати і як систему замкненого типу, у колі зворотного зв'язку якої знаходиться лікар-оператор, який має інформаційні зв'язки з об'єктом керування та органами керування АШН і виконує функції ланки оптимізації, яка усуває неузгодженість між параметрами вектора стану і вектора керування у процесі досягнення ЦФГ.

Але в цьому випадку постійна часу ланки зворотного зв'язку порівнянна із часом виходу параметрів вектора стану об'єкта керування за межі допустимих значень. Тому зміна параметрів у ГДС після встановлення їх початкових значень, виконується лікарем-оператором лише за умови появи сигналів аварійного стану об'єкта керування, що подовжує час необхідний для досягнення потрібногозначення ЦФГ і погіршує якість лікування.

Аналіз медичних систем подібного класу, таких як апарати штучного дихання, апарати штучного кровообігу і інших, також підтверджує їх побудову за розімкненою схемою керування.

Отже, можна стверджувати, що дослідження у напрямі поліпшення ефективності процесу керування у ГДС є актуальними, оскільки спрямовані на розроблення адаптивної системи керування. Це дає змогу продовжити тривалість життя людей с ТСХН та зменшити економічні витрати на лікування. Крім того, без розроблення алгоритмів оптимального керування надалі буде неможливе функціонування штучних імплантатів нирки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертаційної отримано за період 1995-2002 рр., за тематичними планами науково-дослідних робіт:

- НДР №950-ДБ2000 „Синтез та аналіз оптимальних алгоритмів виявлення-вимірювання доплерівських сигналів з використанням ортогональних перетворень, держреєстраційний № 0100U004201. Замовник Міністерство освіти та науки України;

- НДР №2514 „Исследование методов и разработка электронных средств определения и мониторинга функционального состояния человека. Замовник - Міністерство освіти та науки України.

Мета роботи полягає у підвищенні ефективності керування процесом гемодіалізу у автоматизованій системі управління технологічним процесом лікування.

Об'єктом дослідження є процес керування у ГДС, який спрямовано на узгодження параметрів вектора вхідних впливів та вектора стану об'єкту керування для досягнення максимально можливих значень ЦФГ за умови обмеження часу.

Предметом дослідження є технічні та біологічні компоненти

ГДС, які функціонують у єдиному контурі керування процесом гемодіалізу, та взаємодія цих компонентів у БТС.

Завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

– виконати системний аналіз ГДС та обґрунтувати можливість розроблення БТС керування технологічним процесом корекції гомеостазу організму людини;

– формалізувати цільову функцію процесу керування у БТС;

– розробити математичну модель об'єкта керування;

– розробити структурну схему та алгоритм керування процесом корекції гомеостазу у БТС за критерієм максимального видалення токсичних речовин з організму людини за умови обмеження часу.

Методи дослідження. У роботі для аналізу ефективності керування у сучасних ГДС та синтезу БТС використані методи:

– статистичного аналізу даних;

– інформаційного аналізу фізіологічних можливостей людини-оператора у процесі роботи зі складними технічними комплексами;

– простору станів для розроблення математичної моделі об'єкта керування.

Застосовувались також інформаційні технології: комп'ютерне і математичне моделювання ефективності процесу керування для визначення діапазону оптимальних значень параметрів вектора стану та вектора керування.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

– уперше обґрунтовано можливість розгляду гемодіалізу як технологічного процесу керування корекцією гомеостазу людини з нирковою недостатністю в автоматизованій БТС;

– обґрунтовано означення цільової функції процесу керування у ГДС;

– розроблено математичну модель об'єкта керування, яка дозволяє прогнозувати параметри вектора стану об'єкта керування у реальному часі;

– розроблено алгоритм оптимального керування процесом гемодіалізу в замкненій БТС.

Практична значимість роботи полягає у зменшенні впливу суб'єктивних факторів на ефективність керування у ГДС, що, в свою чергу, поліпшує її техніко-економічні показники.

Особистий внесок здобувача. У роботах, виконаних у співавторстві [1] - [3], [10] - [13], обґрунтовано підхід до гемодіалізу як технологічного процесу в автоматизованій БТС. У роботах, виконаних самостійно [4], [5], розроблено методи кількісного аналізу ефективності керування у БТС. Частину рішень, використаних у дисертаційному дослідженні, запатентовано в Україні [6] - [8].

Апробація результатів дисертації. Концепція підвищення ефективності керування у БТС екстракорпоральної корекції гомеостазу хворої людини, яку сформульовано в дисертації, доповідалася і отримала позитивну оцінку на міжнародних конференціях “АВІА-2001”, “АВІА-2002” в секції “Біотехнічні системи та медичні технології” (м. Київ), “АСТРОЭКО” у 2002 р. (м. Терскол, Росія), “Токсикологія отруєнь і профпаталогія хімічної етіології. Медичні аспекти надзвичайних ситуацій” (м. Київ 2003 р.). Значущість медичних аспектів дослідження підтверджено публікаціями у медичних виданнях “Харківська хірургічна школа”, “Здоровье Украины”. Декілька публікацій розміщено на російському сайті www.hd13.narod.ru “Гемодиализ для специалистов”. сновні результати роботи опубліковано в 12 наукових працях за темою дисертації (в тому числі 5 без співавторів), з них 5 опубліковано у виданнях, які затверджено ВАК України як фахові, 4 у матеріалах конференцій, 3 - підтверджено патентами України на винахід.

2. Зміст дисертаційної роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи з погляду сучасного технічного стану в галузі гемодіалізної технології.

Проаналізовано стан України порівняно зі східноєвропейськими країнами щодо ефективності процесу гемодіалізу.

Сформульовано мету і завдання дослідження, а також методи їх досягнення, показано наукову новизну роботи. Наведено відомості про апробацію та структуру дисертаційної роботи, про кількість наукових публікацій і особистий внесок здобувача.

У першому розділі дисертаційної роботи подано загальну характеристику динаміки поширення гемодіалізної технології у ХХ столітті. Показано, що ефективне заміщення втраченої функції нирки за допомогою технічних засобів неможливе без точного кількісного розрахунку параметрів процесу керування у ГДС та оптимізації параметрів керування в автоматизованій БТС.

Наведено принципи побудови ГДС, основні структурні схеми і технічні характеристики найсучасніших АШН .

Доведено, що сучасна концепція оцінки ефективності гемодіалізу, яка грунтується на понятті індексу дози гемодіалізу D і визначається нерівністю має суттєві недоліки, які впливають на ефективність керування процесом заміщення втраченої функції нирки.

 ,