Введение
Одной из наиболее сложных проблем в неотложной хирургии является диагностика больных с острым панкреатитом. Острый панкреатит относится к числу наиболее частых хирургических заболеваний. На его долю приходится 5-10 % ургентной патологии органов брюшной полости.
Важными факторами, определяющими это обстоятельство, служит поздняя или ошибочная диагностика, недооценка тяжести состояния больных и, соответственно, неадекватный выбор необходимых консервативных и хирургических мероприятий. В структуре основных нозологических форм хирургических стационаров больные с острым панкреатитом традиционно занимают третье место после острого холецистита и острого аппендицита. По темпам роста заболеваемости острый панкреатит опережает все другие неотложные заболевания органов брюшной полости.
Таким образом, актуальность темы заключается в необходимости разработки методов интеллектуальной поддержки процесса диагностики острого панкреатита.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка моделей и алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности процесса дифференциальной диагностики и лечения острого панкреатита.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
· провести анализ и сформировать исходную матрицу классификационных признаков острого панкреатита на основе статистической информации;
· разработать имитационную модель, которая помогала бы принимать решения при планировании диагностического процесса острого панкреатита, с использованием аппарата сетей Петри;
· разработать систему оценки состояния больных с подозрением на острый панкреатит на основе нейросетевого моделирования;
· реализовать подсистему для диагностики острого панкреатита тяжелой и не тяжелой формы на основе имитационной и нейросетевых моделей;
· провесит расчет основных экономических показателей разработанной подсистемы диагностики острого панкреатита.
Разрабатываемый продукт будет наделен эргономичным интерфейсом, высокой скоростью обработки введенных данных, современной структурой хранения информации, развернутым разделом справочной системы.
Для увеличения общего экономического эффекта от создания и использования программного продукта будут вводиться различные способы уменьшения продажной цены и эксплутационных издержек. Снижение эксплутационных издержек будет достигнуто путем уменьшения время работы в программе, компактного распределение выводимой на печать информации. Эффективные решения позволят достигать цели при минимальных материальных и трудовых затратах.
Для повышения безопасности работы с программным продуктом, будут спроектированы различные способы уменьшения вредных и опасных факторов воздействия персонального компьютера на врача диагноста.
1 Обзор современных методов диагностики острого панкреатита и методов, повышающих точность диагностического процесса
1.1 Заболевания острого панкреатита
Панкреатология — один из важнейших разделов современной гастроэнтерологии. Панкреатит, к сожалению, является одним из самых неприятных заболеваний, возникающих из-за непрерывных стрессов, нервных потрясений, а также неправильного образа жизни.
В организме человека поджелудочная железа находится немного ниже и позади желудка. Основной задачей является выработка панкреатического сока, который используется для переваривания пищи. Заболевание панкреатит, прежде всего, наносит удар по пищеварительной системе.
Острый панкреатит (ОП) – острое асептическое воспаление поджелудочной железы, в основе которого лежит изменение ткани под воздействием ферментов с вовлечением в процесс окружающих ее тканей забрюшинного пространства и брюшной полости, а также комплекса органных систем внебрюшинной локализации.
В поджелудочной железе вырабатываются основные ферменты, полностью расщепляющие белки, жиры и углеводы пищи. В норме в железе эти ферменты находятся в неактивном состоянии, а начинают активироваться только, когда попадают в просвет кишки. Катализаторами (активаторами) панкреатических ферментов служат желчь и кишечный сок.
При остром панкреатите происходит активация ферментов в самой поджелудочной железе. Они-то и повреждают тканевые структуры органа. К развитию острого панкреатита ведут такие патологические процессы, как перевозбуждение секреции железы, расстройства оттока панкреатического сока, а также изменение его химических свойств (повышение вязкости).
Если раньше панкреатит встречался достаточно редко, то сегодня панкреатит уже вышел на третье место среди хирургических заболеваний после аппендицита и холецистита.
Основу современной международной классификации ОП составляют тяжесть и характер поражения поджелудочной железы, органов забрюшинного пространства и брюшной полости, фазовость развития воспалительного и деструктивного процессов.
1) Оценка по степени тяжести:
Выделяют легкую (отечная форма) и тяжелую степени острого панкреатита. Оценка тяжести заболевания строится на анализе ряда клинико-лабораторных шкал балльной оценки параметров физиологического состояния больного.
2) Оценка по масштабу и характеру поражения поджелудочной железы (по данным лапароскопии, УЗИ, КТ, тонкоигольной аспирационной биопсии):
— отечная форма (интерстициальный панкреатит),
— стерильный панкреонекроз,
— инфицированный панкреонекроз,
— панкреатогенный абсцесс,
— псевдокиста (инфицированная псевдокиста).
Многообразие клинических форм острого панкреатита целесообразно объединить с выделением основных вариантов, предполагающих сходство лечебно-диагностических программ:
1. Острый интерстициальный панкреатит, или отечная форма (легкий приступ по классификации) — абортивное течение острого панкреатита, обрывающееся на этапе ферментативного отека поджелудочной железы и окружающей клетчатки. Характеризуется отсутствием осложнений и целостностью структуры органа.
2. Некротический панкреатит (тяжелый приступ по классификации) — это более тяжелая форма острого панкреатита, сопровождающаяся некротическими изменениями в поджелудочной железе, окружающей клетчатке, других органах и тканях, системными нарушениями и смертельными осложнениями.
3. Локальная форма — очаговый панкреонекроз (изолированное поражение правых или левых отделов поджелудочной железы), локальные поражения клеточных пространств (перипанкреонекроз), ограниченный перитонит и др.;
I. Формы ОП:
1. Отечный (интерстициальный) панкреатит.
2. Стерильный панкреонекроз:
— по характеру некротического поражения: жировой, геморрагический, смешанный;
— по масштабу (распространенности) поражения: мелкоочаговый, крупноочаговый, субтотальный;
— по локализации: головчатый, хвостовой, с поражением всех отделов ПЖ.
3. Инфицированный панкреонекроз.
II. Осложнения ОП:
1. Парапанкреатический инфильтрат.
2. Парапанкреатический абсцесс.
3. Перитонит: ферментативный (абактериальный), бактериальный.
4. Септическая флегмона забрюшинной клетчатки: парапанкреатической, параколитической, тазовой.
5. Аррозивное кровотечение.
6. Механическая желтуха.
7. Псевдокиста: стерильная, инфицированная.
8. Внутренние и наружные дигестивные свищи.
Большинство больных острым панкреатитом страдают отечной формой заболевания. Они получают лечение в общехирургических отделениях, но в 17-20 % всех наблюдений внезапно и быстро развивается некротическая форма панкреатита, результатом которой могут быть тяжелые местные осложнения и полиорганная недостаточность (ПОН), что требует комплексного лечения уже в отделении интенсивной терапии.
В настоящее время общепринято, что при бактериально инфицированном панкреонекрозе необходима операция. Вопрос о том, какой способ лечения стерильного панкреонекроза (консервативный или оперативный) является предпочтительным остается открытым. Кроме того, общий коэффициент выживаемости пациентов стерильным панкреонекрозом при консервативном лечении составляет 100 %.
Летальный исход при стерильной форме панкреонекроза напрямую зависит от объёма некроза и общего количества системных осложнений у больного. Если зона некроза занимает более 50 % от паренхимы поджелудочной железы и общее количество системных осложнений равно или превышает трём, то такое состояние больного предусматривает неблагоприятный исход заболевания.
Обобщенная классификационная схема, представленная на рисунке 1.1, позволяет выделить основные формы заболевания острый панкреатит.
Рисунок 1.1 – Классификационная схема острого панкреатита
При разработке информационно-программного обеспечения процесса диагностики острого панкреатита мы будем опираться на две клинические формы: тяжелый и нетяжелый острый панкреатит.
1.2 Методы диагностики заболеваний
Диагностика острого панкреатита включает следующие лабораторные и инструментальные методы:
– лабораторные анализы;
– обзорная рентгенография;
– ультразвуковое исследование (УЗИ);
– компьютерная томография(КТ);
– магнитно-резонансная томография(МРТ);
– ангиография;
– лапароскопия;
К лабораторным методам исследования относят общий (ОАК) и биохимический анализ крови (БАК).
До применения специальных методов исследования больному необходимо произвести обзорную рентгенографию. Данный метод исследования может дать много полезной информации для постановки правильного диагноза. Для обзорной рентгенографии применяют пленку размером 24 x 30 мм, на которой должны быть видны изображения правого купола диафрагмы, прилегающих позвонков и гребня правой подвздошной кости. Больной должен находиться в положении стоя или лежа на спине. Для проведения обзорной рентгенографии необходима предварительная подготовка больного, так как возможное наличие газов и каловых масс в кишечнике может привести к неправильной интерпретации данных.
Обзорная рентгенография органов грудной и брюшной полостей при подозрении на острый панкреатит является обязательным, как впрочем, и у всех больных, поступивших в стационар с клинической картиной острого живота. В первую очередь это необходимо при неясной клинической картине болезни для исключения других острых хирургических заболеваний органов брюшной полости, таких как перфорация полого органа или острая механическая кишечная непроходимость.
Более чем у половины больных острым панкреатитом можно определить локальное вздутие поперечной ободочной кишки или же распространённый пневматоз тонкой и толстой кишки, что обычно наблюдается при деструктивных формах заболевания, в частности при ферментативном перитоните, обусловленном геморрагическим панкреонекрозом. У этих больных отмечается ограничение подвижности правого и левого купола диафрагмы. Указанные рентгенологические признаки являются неспецифичными и могут наблюдаться при других острых заболеваниях органов брюшной полости. Тем не менее, даже эти косвенные признаки часто могут служить дополнительным подспорьем в диагностике острого панкреатита, разумеется в сочетании с данными клинической картины и других инструментальных и лабораторных методов исследования. При обзорной рентгенографии органов грудной полости можно выявить ателектазы в базальных отделах лёгких и плевральный выпот, что наиболее часто наблюдается при панкреонекрозе.
Ультразвуковое исследование предназначено для получения изображение внутренних органов.
Ультразвук – это звук очень высокой частоты, не обладающий ионизирующим действием, поэтому при необходимости УЗИ может повторяться многократно в течение непродолжительного времени. В основе метода лежит взаимодействие ультразвука с тканями человека, который при прохождении через разные биологические среды поглощается, рассеивается и отражается в различной степени. Это свойство учитывается компьютером ультразвукового сканера. В процессе диагностики на экране монитора появляется черно-белое изображение объектов, которые отличаются друг от друга по оттенку и яркости.
УЗИ является первым диагностическим малоинвазивным методом исследования в диагностике острого панкреатита. Для отёчной формы панкреатита характерны увеличение железы в размерах, повышение её гидрофильности, признаки умеренного отёка окружающей парапанкреатической клетчатки при сохранении чёткости контуров самого органа. При панкреонекрозе контуры железы становятся размытыми, а её структура неоднородной с гипоэхогенными участками в зонах некроза. Нередко определяется скопление жидкости в сальниковой сумке или в свободной брюшной полости. Следует подчеркнуть, что при остром панкреатите поджелудочная железа чётко определяется при УЗИ примерно у 50-75% больных. В остальных случаях её бывает достаточно сложно обнаружить вследствие выраженного метеоризма.
Фиброгастроскопия – это метод обследования внутренних органов при помощи эндоскопа, состоящего из длинной трубки с камерой на конце и объектива.
Фиброгастроскопия предназначена для определения вовлеченности желудка и двенадцатиперстной кишки в воспалительный процесс. С помощью гастроскопа врач может исследовать желудочно-кишечный тракт, а также взять материал для биопсии. Данная процедура производится под местным обезболиванием, но возможно применение и общего наркоза. В день проведения исследования необходимо отказаться от пищи
Компьютерная томография (КТ) – это метод лучевой рентгеновской диагностики, который позволяет получать послойные изображения любой области организма. Пациенту необходимо лечь на специальный стол, совмещенный со сканером в виде большого кольца. Специальной подготовки к проведению исследования не требуется. Продолжительность данного исследования занимает несколько минут. Для улучшения качества изображений внутривенно вводят контрастное вещество..
Противопоказанием является вес у поциента более 130 кг, беременность, аллергия на препараты с йодом и некоторые заболевания при контрастировании. А также КТ не рекомендуется детям до 12 лет. При компьютерной томографии железы рентгеновскому облучению подвергают верхнюю часть живота, а на экран монитора выводится изображение, образовавшееся в процессе прохождения Х-лучей сквозь разные органы, которые ослабевают в зависимости от плотности тканей. Сделав несколько КТ снимков в разных плоскостях, можно дать оценку состояния поджелудочной железы. Обычно между органами в области брюшной полости находится жировая прослойка, которая и позволяет, воспользовавшись методом КТ, отличать границы органов, включая и поджелудочную от смежных органов с ней Для улучшения качества изображений внутривенно вводят контрастное вещество..
КТ схоже с УЗИ, является более дорогим и более опасной процедурой для больного. С помощью компьютерной томографии распознают отёки тканей, присущих панкреатиту, а также выявляются отложения кальция, скрытые для обычного рентгена.
КТ является одним из наиболее точных неинвазивных инструментальных методов диагностики острого панкреатита. По сравнению с УЗИ степень метеоризма не оказывает существенного влияния на качество изображения. При остром отёчном панкреатите сохраняются чёткие контуры железы в случае увеличения размеров её паренхимы. При панкреонекрозе определяются негомогенность структуры железы с очагами низкой рентгеновской плотности, выраженная нечёткость и неровность её контуров. Нередко определяется скопление жидкости в сальниковой сумке или в брюшной полости. Особенно отчётливо определяются участки гнойного расплавления поджелудочной железы и забрюшинной клетчатки.
Магнитно-резонансная томография – один из самых перспективных и быстро совершенствующихся методов современной диагностики. МРТ позволяет за несколько минут получить изображения. При проведении данного исследования врач получает возможность не только исследовать структурные и патологические изменения, но и оценить физико-химические, патофизиологические процессы всего обследуемого органа или его отдельной структуры, проводить функциональные исследования и т.
МРТ позволяет получить серию тонких срезов, построить трехмерную реконструкцию исследуемой области, выделить сосудистую сеть и даже отдельные нервные стволы. Такая реконструкция оказывает неоценимую помощь врачу. Ранняя постановка диагноза позволяет своевременно начать лечение заболевания
С помощью МРТ возможно определить тканевый метаболизм, ишемию и некроз панкреатоцитов, что позволяет диагностировать поражение поджелудочной железы при остром панкреатите на клеточном уровне, до развития тяжелых состояний и клиники тяжелого острого панкреатита, но в целом метод дорог, мало распространён и требует своего дальнейшего изучения.
Метод Ангиография – это рентгенологического исследования кровеносных сосудов различных органов с введением в них контрастных веществ. В диагностике панкреатита ангиография используется для исследования снабжения поджелудочной железы кровью и выявления заболеваний сосудов и окружающих их тканей органа.
В прошлом метод применялся довольно широко. Однако в настоящее время более информативными исследованиями являются УЗИ, компьютерная томография и МРТ. Однако ангиографию продолжают проводить для диагностики различных заболеваний, в том числе и поджелудочной железы.
Последним диагностическим методом является лапароскопия. Прежде всего, она применяется для дифференциальной диагностики острого панкреатита с другими неотложными заболеваниями органов брюшной полости. Лапароскопия малоэффективна при отёчном панкреатите. При деструктивном панкреатите можно определить ряд прямых признаков. Так при геморрагическом панкреонекрозе обычно обнаруживается выпот тёмно-красного или бурого цвета в сальниковой сумке или в свободной брюшной полости. Активность ферментов в данном экссудате значительно повышена. При жировом панкреонекрозе выявляются бляшки стеатонекроза желтовато-белого цвета на большом и малом сальниках, брыжейках кишок или на их стенках. Выпот в животе при этом скудный, серозный, хотя активность в нём липазы существенно повышена.
Лапароскопия – это метод диагностики брюшной полости и ее органов через прокол брюшной стенки с помощью оптического прибора – лапароскопа.
Данный метод помогает определить наличие или отсутствие метастазов рака поджелудочной железы еще до операции, что позволяет подобрать эффективный план лечения заболевания. А также Метод лапароскопии дает возможность уточнить вид, форму заболевания поджелудочной железы, выявить явные и косвенные признаки панкреатита.
В отличие от открытых операций, нет необходимости делать большой лапаротомный разрез и сильно манипулировать с органами брюшной полости для получения доступа к области операции. Лапароскопия дает хорошую анатомическую картину, что является важным при панкреатической хирургии из-за крупных сосудов в операбельной зоне и забрюшинного местоположения поджелудочной железы.
В результате проведенного анализа методов исследования острого панкреатита предлагается схема применения клинических и специальных методов обследования пациентов с подозрением на острый панкреатит. Схема представлена на рисунке 1.2
Рисунок 1.2- Схема применения методов исследований при заболевании острый панкреатит.
1.3 Обзор математических методов моделирования и анализа систем
Математические методы применяют для описания биомедицинских процессов. Описание проводят в двух основных направлениях. Для обработки биомедицинских данных используют различные методы математической статистики, выбор одного из которых в каждом конкретном случае основывается на характере распределения анализируемых данных. Эти методы предназначены для выявления закономерностей, свойственных биомедицинским объектам, поиска сходства и различий между отдельными группами объектов, оценки влияния на них разнообразных внешних факторов и т.п. На основе определенной гипотезы о типе распределения изучаемых данных в серии наблюдений и использования соответствующего математического аппарата с той или иной достоверностью устанавливаются свойства биомедицинских объектов, делаются практические выводы, даются рекомендации. Описания свойств объектов, получаемые с помощью методов математической статистики, называют иногда моделями данных. Модели данных не содержат какой-либо информации или гипотез о внутренней структуре реального объекта и опираются только на результаты инструментальных измерений.
Другое направление связано с моделями систем и основывается на математическом описании объектов и явлений, содержательно использующих сведения о структуре изучаемых систем, механизмах взаимодействия их отдельных элементов. Разработка и практическое использование математических моделей систем (математическое моделирование) составляют перспективное направление применения математические методы в биологии и медицине.
1.3.1 Статистические методы обработки медицинской информации
Статистические методы обработки стали привычным и широко распространенным аппаратом для работников медицины и здравоохранения, например диагностические таблицы, пакеты прикладных программ для статистической обработки данных на ЭВМ. Однако использование этой группы математических моделей вызвало ряд проблем принципиального характера, связанных с выбором адекватного задаче метода статистической обработки и содержательно обоснованного его применения. Эти факторы послужили причиной роста требований к качеству статистической обработки экспериментальных и клинических данных, в том числе для публикации результатов исследований в научных журналах.
Дисперсионный анализ применяется для обнаружения влияния выделенного (контролируемого) набора факторов на результативный признак. Факторы обычно измеряются в неколичественной шкале, а результативный признак выражается числом или вектором с числовыми компонентами.
Идея дисперсионного анализа состоит в разложении общей дисперсии результативного признака на части, обусловленная влиянием контролируемых факторов, на результат проводятся путем сравнения частей общей дисперсии при выполнении требования нормальности распределения результативного признака и не зависимости контролируемых факторов.
Существует несколько видов моделей дисперсионного анализа. Они классифицируются:
1) по математической природе факторов:
· детерминируемые
· случайные
· смешанные
2) по числу контролируемых факторов:
· однофакторные
· многофакторные
Модели с более чем одним фактором дают возможность исследовать влияние на результат не только отдельных контролируемых факторов (главное влияние), но и их положение (взаимодействие).
Проверка значимости в дисперсионном анализе основана на сравнении компоненты дисперсии обусловленной межгрупповым разбросом, называемым средним квадратом эффекта (MS-эффект) и компоненты дисперсии обусловленной внутригрупповым разбросом, называемым средним квадратом ошибки (MS-ошибки).
Корреляционная связь проявляется только в массиве наблюдений. Установление корреляционной связи между признаками позволяет ставить вопрос о поиске их причинной связи. Корреляционный анализ заключается в определении степени вероятностных связей между двумя и более случайными величинами. Позволяет отобрать факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на результирующий признак и обнаружить заранее неизвестные связи между переменными. Сопряженности между переменными х и у можно установить, сопоставляя числовые значения одной переменной с соответствующими значениями другой. Если возрастание значений х вызывает рост переменной у то – положительная связь. В противном случае – отрицательная.
Регрессионный анализ изучает связь и определяет количественную зависимость между зависимой переменной у и одной или несколькими независимыми переменными хi.
Факторный анализ (ФА) состоит в том, что внешние корреляционные факторы модели можно заменить другими менее многочисленными внутренними факторами, которые трудно измерить, но которые определяют поведение внешних факторов.
Задача ФА не имеет однозначного решения. Представление корреляционной матрицы факторами (факторизация) можно произвести бесконечно большим количеством способов.
Кластерный анализ – это математическая процедура многомерного анализа, предназначенная для разбиения множества объектов на заданное или неизвестное число классов (кластеров), на основании некоторого критерия качества классификации.
Дискриминантный анализ – раздел вычислительной математики, представляющий набор методов статистического анализа для решения задач распознавания образов, который используется для принятия решения о том, какие переменные разделяют (т.е. «дискриминируют») возникающие наборы данных (так называемые «группы»).
Дискриминантный анализ используется:
1) для поиска переменных позволяющих относить наблюдаемые объекты в одну или несколько наблюдаемых групп;
2) для классификации объектов в разные группы.
1.3.2 Имитационное моделирование системы
Сети Петри (СП) представляют собой математический аппарат для моделирования динамических дискретных систем. Впервые описаны Карлом Петри в 1962 году.
Во многих областях исследований явление изучается не непосредственно, а косвенно, через модель. Сеть Петри представляет собой двудольный ориентированный граф, состоящий из вершин двух типов — позиций и переходов, соединённых между собой дугами. Вершины одного типа не могут быть соединены непосредственно.
Событием называют срабатывание перехода, при котором метки из входных позиций этого перехода перемещаются в выходные позиции. События происходят мгновенно, либо разновременно, при выполнении некоторых условий.
Сети Петри могут быть представлены в аналитическом и графическом виде.
В аналитическом виде СП – это четверка элементов: N=<B, D, I, O>,
