Автоматизированная система для комплексной обработки клинико-лабораторных данных с помощью модифицированного метода Прони

Современная медицинская наука в своей значительной части исходит из представления о лечебно-диагностическом процессе как о процессе управления, происходящем в сложной биологической многофакторной развивающейся системе. Полное формальное описание систем и процессов управления в медицине сталкивается с почти не преодолимыми трудностями из-за значительной сложности исследуемых структур и большого количества исходных медико-биологических данных.

Одним из выходов в этой ситуации является привлечение вычислительной техники при обработке информации для выявления структур управления в медицине, уменьшения размерности исходных данных и формирования процедур принятия решений в условиях неопределенности.

Целью представленной в данной статье разработки автоматизированной системы (АС) для комплексной обработки клинико-лабораторных данных являлось создание пакета программ на основе модификаций метода Прони для осуществления обработки медицинских данных, представленных набором клинико-лабораторных данных, которые отражают динамику показателей исследуемой системы организма. Причем существенным для этой динамики является ее релаксационный характер, когда после проведения нагрузочных тестов указанные показатели с течением времени возвращаются к стационарному уровню. Исследование динамики таких показателей является важным диагностическим критерием при оценке функционального состояния гомеостатической системы организма. Метод Прони [1], который положен в основу обработки исходных данных, - это метод экспоненциально-гармонической аппроксимации набора дискретных показателей, заданных на равномерной сетке. Он примыкает к математическому методу, который при исследовании динамики процессов использует аппарат обыкновенных линейных дифференциальных уравнений.

В процессе разработки автоматизированной системы решались следующие задачи:

• 1)    осуществление обработки клинико-лабораторных данных на основе модифицированного метода Прони;

• 2)    оценка качества идентификации АС;

• 3)    выделение информативных показателей релаксационных характеристик системы;

• 4)    использование АС для биосистем с целью прогноза адаптационных возможностей организма.

Автоматизированная система предназначена для комплексной обработки медицинских данных, поэтому ее основными функциями являются следующие:

• -    обработка клинико-лабораторных данных модифицированным методом Прони для наиболее часто встре

чаемых на практике случаев второго и третьего порядка линейных дифференциальных уравнений [2];

• -    обработка исходных данных в случае стабилизации динамических показателей систем к первоначальному уровню и к новому адаптационному уровню, отличному от начального;

• -    обработка методом Прони клинико-лабораторных данных, динамика показателей которых носит волновой характер;

• -    автоматический выбор одного из этих вариантов в зависимости от поступивших исходных клинико-лабораторных данных;

• -    возможность работы с заданными на неравномерной сетке или с частично отсутствующими клинико-лабораторными данными;

• -    получение табличных и графических зависимостей, описывающих экспериментальные данные и прогнозные значения исследуемой гомеостатической системы;

• -    хранение исходного массива данных и полученных результатов.

Автоматизированная система предназначена для эксплуатации пользователями, не являющимися специалистами в сфере информационных технологий, поэтому программа имеет дружественный, интуитивно понятный интерфейс, который не вызывает затруднений у любого, даже неопытного пользователя. Кроме того, не предполагается никаких особенных аппаратных и программных требований, т. е. система должна работать при минимальных аппаратных и программных характеристиках.

При выборе средств реализации вышеперечисленных задач и функций были учтены все требования и нюансы. Изначально рассматривалась возможность реализации заданных функций с помощью пакета программ MathCAD или MathLAB. Однако такой вариант был отвергнут, так как он не соответствовал требованиям к интерфейсу автоматизированной системы, и было принято решение использовать для написания программы один из современных языков программирования.

Для разработки данной автоматизированной системы была выбрана среда программирования Borland C++Builder 5. На выбор повлияли некоторые особенности создания автоматизированной системы, а именно: ее работа с комплексными числами и некоторые другие нюансы. В Borland C++Builder 5 имеется библиотека для работы с комплексными числами, поэтому их обработка не отличается от обработки, например, целых чисел, и не представляет особой сложности. И это, и ряд других преимуществ, таких как объектно-ориентированная среда разработки, быстрый компилятор с естественным кодом, интегрированный отладчик, наличие богатой библиоте- ки визуальных компонентов, и повлияли на выбор в качестве среды разработки AC Borland C++Builder 5. C++Builder - это среда, которая сочетает в себе особенности визуального и объектно-ориентированного программирования, архитектура которой построена на компонентах. Графический интерфейс пользователя представляет более широкие возможности и является более дружественным, чем интерфейс MS-DOS. Среда C++Builder обладает целым набором уже готовых шаблонов форм и приложений, которые можно непосредственно использовать для написания собственных приложений. Также C++Builder имеет множество полезных свойств, среди которых возможность многократного использования компонентов и возможность настройки инструментов, что позволяет регулировать свойства среды в соответствии с потребностями разработчика.

Разработка программы была начата в среде Borland C++Builder 5, однако при появлении более новой версии, благодаря совместимости продукции Borland, продолжалась уже в среде Borland C++Builder 6.

Автоматизированная система предназначена для работы в операционной системе от Windows 95 и выше. Для работы АС дополнительных установок не требуется. Требования к аппаратному обеспечению следующие: процессор Pentium 100 МГц и выше, оперативная память от 16 Мбайт.

Программа имеет модульную структуру, что позволяет легко вносить исправления в ее работу и добавлять новые функции по мере необходимости. На данном этапе работы над системой реализованы все требуемые функции. В настоящее время автоматизированная система имеет следующий файловый состав:

• 1)    main.cpp - файл, содержащий функцию WinMain;

• 2)    Prony.bpr - файл проекта;

• 3)    Prony.exe - исполняемый файл проекта;

• 4)    Prony.cpp - файл исходного текста, содержащий функции, реагирующие на события формы Prony (главный модуль программы, вызывающий остальные формы);

• 5)    Prony_2.cpp - файл исходного текста, реализующий модифицированный метод Прони второго порядка;

• 6)    Prony_3.cpp - файл исходного текста, реализующий модифицированный метод Прони третьего порядка;

• 7)    Prony_new.cpp - файл исходного текста, реализующий модифицированный метод Прони для исходных данных, стабилизирующихся к новому адаптационному уровню;

• 8)    Prony_voln.cpp - файл исходного текста, реализующий модифицированный метод Прони для волновых процессов;

• 9)    Prony_neravnom.cpp - файл исходного текста, реализующий модифицированный метод Прони для неравномерной сетки исходных данных;

• 10)    Prony_avto.cpp - файл исходного текста, реализующий автоматический выбор модифицированного метода Прони в зависимости от исходных данных;

• 11)    data_save_open.cpp - файл исходного текста, содержащий функции, реагирующие на события формы data;

• 12)    res_save.cpp - файл исходного текста, содержащий функции, реагирующие на события формы res;

• 13)    graf.cpp - файл исходного текста, содержащий функции, реагирующие на события формы graf;

• 14)    raschet.cpp - файл исходного текста, содержащий функции выполняющие обработку данных;

• 15)    pogr.cpp - файл исходного текста, содержащий расчет погрешности метода;

• 16)    Prony.dfm - описание внешнего вида главной формы программы Prony;

• 17)    graf.dfm - описание внешнего вида формы graf, представляющей графики кривых;

• 18)    pogr.dfm - описание внешнего вида формы pogr, представляющей расчет погрешности метода;

• 19)    Prony.h - заголовочный файл, содержащий заголовки функций и описание класса TProny;

• 20)    graf.h - заголовочный файл, содержащий заголовки функций и описание класса Tgraf;

• 21    raschet.h - заголовочный файл, содержащий заголовки функций и описание класса Traschet;

• 22)    pogr.h - заголовочный файл, содержащий заголовки функций и описание класса Tpogr.

Для достоверности полученных результатов реализованные функции программы были протестированы с помощью контрольных примеров - с применением тестового набора исходных данных, для которых заранее известен итоговый результат.

Работа программы построена следующим образом:

• -    с помощью программы определяется принадлежность параметров характеристического уравнения к зонам устойчивости модифицированного алгоритма Прони, и в случае попадания вектора расчетных параметров в эти зоны происходит переход к дальнейшим действиям;

• -    программа позволяет произвести расчет неизвестных теоретических коэффициентов и вычислить прогнозные значения исследуемого динамического показателя;

• -    на основе расчетных параметров, характеризующих гомеостатический процесс, осуществляется построение графиков динамических кривых;

• -    в завершение определяется погрешность метода при изменении массива исходных данных.

При вводе клинико-лабораторных данных в программу необходимо заполнить предложенную форму или открыть файл с исходными данными, при этом данные будут представлены на экране следующим образом: в верхнем окне программы отображаются исходные данные без изменений, в нижнем - нормированные исходные данные, непосредственно участвующие в вычислении неизвестных коэффициентов с помощью модифицированного метода Прони.

После этого необходимо выбрать требуемый метод в пункте меню «Действия». Пользователю предлагаются следующие варианты: автоматический выбор метода, метод Прони второго порядка, метод Прони третьего порядка, метод Прони с переходом на новый уровень, метод Прони для волновых процессов и метод Прони для неравномерной сетки исходных данных. Далее появляется диалоговое окно, в котором необходимо задать шаг работы алгоритма и количество прогнозируемых значений для исследуемых показателей системы (рис. 1).

Рабочая область программы состоит из трех закладок: на первой находятся исходные клинико-лаборатор- ные данные, на второй - рассчитанные коэффициенты теоретической кривой исследуемого показателя гомеостатической системы, на третьей - динамика показателей системы в виде графических зависимостей значения показателя от времени. Пример графика гликемической кривой, полученной с помощью обработки клинико-лабораторных данных модифицированным методом Про-ни третьего порядка, представлен на рис. 2.

Пользователь также может выбрать вариант представления графика в пункте меню «Вид». В частности, возможны следующие варианты: показывать / не показывать исходные данные; показывать / не показывать значения теоретической кривой в определенные моменты времени; использовать / не использовать трехмерное изображения графика; показывать / не показывать прогнозные значения исследуемого показателя. На представленном графике (см. рис. 2) продемонстрирован вариант с отображением исходных данных и тремя прогнозными значениями теоретической кривой гликемического гомеостаза.

Разработанная АС была использована при математическом анализе в следующих случаях:

- при количественном анализе клинико-лабораторных данных, полученных при проведении стандартного глюкозо-толерантного теста у новорожденных детей, проживающих в условиях Крайнего Севера. Были представлены кривые прогноза динамики изменения содержания глюкозы и сахаров в крови у исследуемого контингента детей [3]; экспериментальные данные достаточно точно описали построенные теоретические кривые гликемического гомеостаза глюкозы и сахаров крови при нагрузочном тесте; отклонение составило 5-12 % по отношению к начальному уровню гликемии [4].

• -    при количественном анализе процессов адаптации к экологическим условиям Сибири и Крайнего

Севера системы липидных фракций и активных ферментов лимфоцитов крови у здоровых (больных) мужчин 18-27 лет. В результате были выявлены некоторые общие закономерности изменения ряда параметров, характеризующих приспособительные реакции организма на клеточном уровне к экстремальным условиям внешней среды [5].

Рис. 2