Інформаційні засоби підвищення ефективності керування у біотехні-чній гемодіалізній системі (автореферат)

Національний авіаційний університет

Поліщук Сергій Тимофійович

УДК: 681.51: 616.61-78 (043.3)

Інформаційні засоби підвищення ефективності керування у біотехнічній
гемодіалізній системі

Спеціальність 05.13.06 – Автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті електроніки та систем управління
Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки
України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Бойко Іван Федорович,

Національний авіаційний університет, професор кафедри радіоелектроніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

Мірошниченко Сергій Іванович, НВО „Телеоптик”, генеральний директор;

доктор фізико-математичних наук, професор,

Бих Анатолій Іванович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри
фізичної та біомедичної електроніки.

Провідна установа

Інститут кібернетики ім. В. М. Глушкова, відділ „Моделювання
інформаційно-функціональних систем” , НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться: 10.07.2004р. о 14 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д26.062.01 Національного авіаційного
університету за адресою: 03058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова,
1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного авіаційного
університету за адресою: 03058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова,
1.

Автореферат розісланий 31.05.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С. Єременко

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.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі
вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та
додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 168 сторінок, з
яких 129 сторінок займає основний текст, що містить 47 рисунків, 12
таблиць; 8 додатків, а також список використаних джерел з 90
найменувань.

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

,

де K – показник ефективності органа керування, мл/хв;

Vp – інтегральний показник складності об’єкту керування, мл;

t – ефективний час процесу керування, хв,

має суттєві недоліки, які впливають на ефективність керування процесом
заміщення втраченої функції нирки.

Проаналізовано ефективність керування в ГДС у двох клініках Києва.
Результати цього аналізу показали, що, не зважаючи на

(див. рис.1).

Hезультати статистичних розрахунків проведеного аналізу наведено у
табл.1.

У другому розділі для подальшого аналізу причин низької ефективності
процесу керування, розроблено структурно-інформаційну схему існуючої ГДС
(рис.2), на основі якої було розроблено інформаційну модель процесу
гемодіалізу. Розроблена інформаційна модель дала змогу оперувати
інформацій

ними потоками, які циркулюють у ГДС і описати процес керування у системі
як взаємодію масивів інформації в часі:

(1)

– інформаційний масив відхилення поточних біохімічних показників
вектора стану об’єкта керування від оптимальних значень;

– інформаційний масив відхилення поточних фізіологічних показників
об’єкта керування від оптимальних;

– інформаційний масив стану систем АШН;

– інформаційний масив стану технічних засобів контролю і впливу на
параметри вектора стану об’єкта керування;

– інформаційний масив відхилення поточних значень цільової функції
процесу від оптимальних;

– інформаційний масив поточних значень параметрів вектора керування;

– інформаційний масив відхилення поточних значень вектора керування
від оптимальних.

процесу керування у ГДС, яка має вигляд

(2)

(3)

– допустиме відхилення.

Розроблена інформаційна модель процесу керування (1) і цільові функції
(2), (3) дозволили визначити загальний обсяг інформації, яку необхідно
обробляти лікарю-оператору у ГДС :

, (4)

де НСОИ – кількість інформації, яку оператор одержав від системи
відображення у ГДС;

НЗАП – кількість інформації, яку необхідно запам’ятати;

НРОЗ – кількість інформації використовуваної для виконання не складних
розрахунків (наприклад, додавання, множення і т. ін.);

НЛОГ – кількість інформації використовуваної для перевіркі умов
логічного характеру;

НПАМ – кількість інформації потрібної для прийняти рішення з
використанням додаткових даних, які знаходяться в пам’яті оператора;

НДВ – додаткова інформація, яку використовує оператор при залученні
органів керування.

Сумарний час оброблення лікарем-оператором всієї інформації

(5)

де Hi – кількість інформації і-го виду, оброблюваної для розв’язання
задачі;

Ui – швидкість оброблення інформації і-го виду.

Результати розрахунків кількості інформації, яку потрібно обробляти
лікарю-оператору, за формулами (1) – (4) і часу її оброблення, за
формулою (5) наведено у табл.2.

Наведені дані показують, що загальний час ?, потрібний лікарю-оператору
для обчислення параметрів ГДС, длярозрахунку найпростіших алгоритмів
керування, становить близько 400 с, а час виходу параметрів вектора
стану об’єкта керування за граничні значення може становити 300 с і
менше.

З погляду теорії автоматичного регулювання ці результати можна
інтерпретувати таким чином. Сучасні ГДС не можна розглядати як систему
замкнутого типу, в якій взаємодіють три функціональні блоки: пацієнт –
об’єкт керування (ОК); АШН – прилад керування (ПК); лікар-оператор –
оптимізуюча ланка кола зворотного зв’язку (ЛЗЗ). Дійсно, якщо
розглядати кожен

.

У третьому розділі розроблено математичну модель об’єкта керування.
Побудова математичної моделі ґрунтується на двох сучасних поняттях:
гомеостазу біологічної системи і трикомпартментного розподілу рідини в
організмі людини.

Порушення діяльності нирки передусім стосується змін у метаболічній
системі організму і кількісне уявлення про стан системи
(гомеостазу)можна записати у вигляді

де xi – кількість речовини в і-му компартменті;

yij – швидкість переміщення речовини з j-го компартменту у і-ий ;

yio, yoi – швидкість переміщення речовин із навколишнього середовища у
і-й компартмент та із компартмента в навколишнє середовище відповідно;

gі , di – швидкість виникнення та зникнення речовини у і-му
компартменті.

, які визначаються параметрами вектора керування vi та qi. Коефіцієнти
kі визначають властивості мембран компартментів і діалізатора.

За таких умов з урахуванням указаних вище позначень рівняння системи
для дифузійної складової можна записати так

Схема моделювання процесу зображено на рис. 3.

Позначимо вектор стану системи через х , вектор входів через v,:

де С = [1 0 0]; D = 0.

E oe v

x

o

L

N

` b E oe ?

?

°

?

„@

^„@

„@

^„@

?

o

??A

???????

??

?Й?Й??

— Наведена математична модель дозволяє враховувати фізіологічні
особливості пацієнта за рахунок підбору коефіцієнтів, а також
розраховувати осмотичний тиск у трьох об’ємах розподілу рідини в
організмі: внутрішньоклітинному, внутрішньосудинному та
інтерстенціальному. Такий підхід дає змогу прогнозувати стан гомеостазу
системи і коригувати параметри вектора вхідних впливів у реальному часі.

У четвертому розділі розроблено структурну схему та алгоритм керування
у гемодіалізній БТС на основі біонічного підходу, тобто БТС із
можливістю адаптації параметрів вектора керування до фізіологічних
особливостей конкретного пацієнта.

Структурну схему розробленої БТС показана на рис. 4. На відміну від ГДС
розімкнутого типу (див. рис.2) у БТС лікар-оператор не є оптимізуючою
ланкою у процесі гемодіалізу, а лише виступає як експерт. Функції
експерта, за цих умов у БТС такі:

попередній розрахунок даних для математичної моделі об’єкта керування;

уведення розрахованих вихідних даних у прилад керування БТС;

контроль ефективності керування на етапі адаптації математичної
моделі для конкретного індивіду (індивідуалізація математичної моделі
об’єкта керування);

корекція початкових даних у випадку невідповідності ефективності
процесу;

втручання в роботу БТС у разі виникнення нештатної ситуації.

з стану x(t0) = x0 в станx(t1) = t1 з максимальним значенням критерію
якості Q і визначається як

де Xij, Vij – значення концентрації і-ї токсичної речовини та об’єму
рідини компартментів, розрахованих за допомогою математичної моделі;

Xij, Rij – значення концентрації токсичної речовини та об’єму рідини
компартментів, отримані за результатами вимірювання.

Основні результати роботи та висновки

У дисертаційній роботі наведено теоретичне обґрунтування і нове
вирішення наукової задачі, яка полягає в обґрунтуванні можливості
створення гемодіалізної БТС, що здійснює керування технологічним
процесом видалення токсичних речовин з організму людини з метою
підвищення ефективності лікування. Підвищення ефективності процесу у БТС
за умов обмеження часу досягається за рахунок застосування розробленої
адаптивної математичної моделі об’єкта керування та введенням алгоритму,
який усуває неузгодженість між модельними та виміряними значеннями
параметрів вектору стану за критерієм максимального видалення токсичних
речовин. Такий підхід дозволяє виконувати адаптацію математичної моделі
до конкретного пацієнта, прогнозувати значення параметрів вектора стану
об’єкта керування в реальному часі та коригувати параметри вектора
вхідних впливів для досягнення максимального значення цільової функції.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному.

Проведено порівняльний аналіз технічних характеристик існуючих АШН,
методів керування у ГДС та аналітичних підходів до оцінки ефективності
гемодіалізу. На підставі такого аналізу встановлено:

гемодіаліз потрібно розглядати як технологічний процес нормалізації
рідинно-електролітного стану біологічного об’єкта в автоматизованій БТС;

існуючі АШН є структурними компонентами ГДС, мають ідентичні технічні
характеристики, достатні для формування необхідного діапазону
параметрів вектора керування.

існуючі аналітичні методи розрахунку ефективності процесу керування
недостатньо точні для використання їх в автоматизованій системі;

досягнення максимальної ефективності процесу у ГДС можливе лише у разі
визначення кількісного співвідношення параметрів вектора стану і
вектора керування у реальному масштабі часу.

Результати проведеного статистичного аналізу ефективності керування у
ГДС дозволяють стверджувати, що, незважаючи на використання
найсучасніших АШН, спроби підвищити ефективність керування у ГДС
призводять до порушення рівноважного стану об’єкта керування. Доведено,
що причинами цього порушення є:

недостатньо точне математичне подання об’єкта керування;

не чітке кількісне уявлення про кінцеву мету процесу;

фізіологічні обмеження оператора щодо спроби домогтися максимальних
значень цільової функції у реальному часі.

На основі методу простору станів розроблено трикомпартментну математичну
модель об’єкта керування з можливістю адаптації її параметрів до
фізіологічних особливостей індивіда. Це дозволяє формувати індивідуальні
значення вхідних впливів у реальному часі та зменшує імовірність
відхилення параметрів вектора стану об’єкта керування від гранично
допустимих значень.

Результати теоретичних досліджень дисертаційної роботи знайшли
застосування:

у навчальному процесі кафедри радіоелектроніки Національного
авіаційного університету під час проведення лабораторних робіт з курсів
“Комп’ютерна обробка медико-біологічної інформації”, „Моделювання
біомедичних процесів”;

у лікувальному процесі відділення токсикології Української дитячої
спеціалізованої лікарні „ОХМАТДИТ” для моделювання процесу гемодіалізу
та розрахунку його ефективності.

Перевірка запропонованого методу керування у ГДС у клінічних умовах
підтверджує достовірність отриманих у роботі результатів і забезпечує
зростання ефективності процесу гемодіалізу до 50%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ

ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Бойко І. Ф., Поліщук С. Т. Аналітичні методи оцінки ефективності
гемодіалізу // Вісник НАУ . 2001.– №3(10). – С. 185–200 .

Бойко І. Ф., Поліщук С.Т. Біотехнічні системи та екстракорпоральна
корекція гомеостазу // Вісник НАУ.- 2001.- №4(11). – С. 132–137.

Бойко І. Ф. , Поліщук С. Т., Шейман Б. С., Ключко О. М., Білик
С. Д. Моделювання процесу гемодіалізу та інтегральна оцінка його
ефективності // Вісник НАУ. – 2003. – № 3 – 4. –

С. 8 – 12.

Поліщук С. Т. Інформаційні взаємозв’язки структурних компонентів в
біотехнічній системі корекції гомеостазу// Вісник НАУ. – 2002. – №1(12).
– С. 48 – 52.

Полищук С. Т. Планирование и оценка эффективности гемодиализа при
лечении пациентов с острой почечной недостаточностью // Харківська
хірургічна школа. – 2002. – № 1. –

С. 44 – 47.

Пат. 2000074316 Україна, МКІ А61М1/14. Гемодіалізна система зі
зменшеним об’ємом екстракорпорального контуру/

С. Т. Поліщук (Україна) – №853; Заявл. 18.07.2000; Опубл. 16.07.2001,
Бюл. №6.

Пат. 2001053142 Україна, МКІ А61М1/14. Спосіб збільшення елімінації
токсичних речовин через мембрану діалізатора /С. Т. Поліщук
(Україна) – 46256А; Заявл. 08.05.2001; Опубл. 15.05. 2002, Бюл. №5.

Пат. 2001085515 Україна, МКІ А61М1/14. Гемодіалізна система зі
збільшеним кліренсом діалізатора/ С. Т. Поліщук (Україна) – Заявл.
02.08.2001; Опубл.15.07.2002, Бюл.№7.

Бойко І. Ф., Поліщук С. Т. Біотехнічна система корекції гомеостазу
пацієнтів із деструкцією нирок // Матеріали ІІІ міжнародної
науково-технічної конференції “АВІА-2001”. – Том 3. – К.: –2001. – С. 15
– 19.

Бойко І. Ф., Поліщук С. Т. Біотехнічна гемодіалізна система як
автоматизована система управління технологічним процесом лікування//
Матеріали VІ міжнародної науково-технічної конференції “АВІА-2002”. –
Том 1. – К.:-2002. – С. 11 – 14.

Бойко І. Ф., Ключко Е. М., Кичигин Р. А., Полищук С. Т. Оптимальное
управление в биотехнической системе эксракорпоральной коррекции
гомеостаза пациентов с дисфункциею почек// Материалыи Международной
конференции “АСТРОЭКО-2002”. – Терскол: Россия. – 2002. – С. 114.

S. Polischuk, I. Boyko, O. Klychko. – Optimal Control in Biotechnical
System for Homeostasis Correction in Patient with Kidney Dysfanction
//Матеріали IV міжнародної конференції “Сучасні проблеми науки та
освіти” . – Харків 2003. – С. 101.

Анотації

Поліщук С. Т. Інформаційні засоби підвищення ефективності керування у
біотехнічній гемодіалізній системі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за
спеціальністю 05.13.06 – Автоматизовані системи управління та
прогресивні інформаційні технології, Національний авіаційний
університет, м. Київ, 2004.

Дисертацію присвячено питанню підвищення ефективності використання
гемодіалізної системи, в контурі управління якої для досягнення цільової
функції взаємодіють технічні та біологічні компоненти. Керуючим
комплексом в контурі управління є апарат “штучна нирка”, об’єктом
керування – пацієнт, ланкою оптимізації у колі зворотного зв’язку –
лікар-оператор.

На основі уточнення цільової функції, математичного та комп’ютерного
моделювання ефективності управління у гемодіалізній системі розроблено
алгоритм оптимізації процесу екстракорпоральної корекції гомеостазу за
критерієм максимального видалення токсичних речовин.

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 кото —

рой 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.

) 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.

PAGE 1

а

б

Рис.1. Оцінка ефективності керуван

ня у ГДС:

а) КОКЛ №1 м. Києва;

б) Лікарня №3 м. Києва;

1– розрахункове значення D;

2 – реально отримане значення D;

3 – відносне відхилення D від

граничного значення 1,2

Таблиця 1

Статистичні дані ефективності керування у ГДС

Порівняльні параметри Лікарня №3 КОКЛ №1

Довірчий інтервал

Довірчий інтервал

271,5

Швидкість ультрафільтрації

0,109

Кореляційний аналіз

Коефіцієнт кореляції розрахун-

ковий між VР і (Kt/V)R -0,785 -0,565

Коефіцієнт кореляції лабора-

торний між VР і (Kt/V)L -0,263 -0,565

Коефіцієнт кореляції між (Kt/V)R і (Kt/V)L. 0,139 0,278

Таблиця 2

Ентропія інформаційних масивів у ГДС

№ пп Джерело ентропії Кількість елементів масиву Кількість матема-

тичних операцій Кількість логічних операцій Запам’ятовування значень
елементів масиву Вилучення значень елементів масиву з пам’яті Загальний
час оброблення інформації для зміни

режиму керування, с

1 П1(t) 30 15 30 15 15

2 П2(t) 44 7 14 7 7

3 П3(t) 9

9 9 9

4 П4(t) 5

5

5

5 П5(t) 22

6 6 6

6 П6(t) 18 9 18 9 9

7 П7(t) 52 104 104 26 26

Загальна кількість операцій 135 186 78 77

Ентропія

елементу масиву, біт НРОЗ=26,5 НЛОГ=1,6 НПАМ=13,2 НПАМ1=9,5

Загальна ентропія масиву, біт 3577,5 297,6 1029,6 731,5

Час оброблення масиву, с 298,1 19,7 42,02 29,8 389,6

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *