Мультиагентная технология синтеза эмпирических и теоретических моделей гемодинамики в среде искусственной гипогравитации

Группа специалистов из числа профессоров и доцентов самарских ВУЗов совместно с практическими врачами разработала и апробировала технологию автоматизированного синтеза эмпирических и теоретических моделей гемодинамики человека в условиях искусственной гипогравитации Луны, Марса и невесомости. Актуальность проблемы обусловлена как потребностями пилотируемой космонавтики, так и практического здравоохранения (восстановительная медицина).

В национальных программах, принятых в РФ, США, Китае и ряде других стран, предусматривается переход от орбитальных полётов на Международной космической станции (МКС) к освоению «дальнего Космоса» [1-4, 7]. Под этим понимаются длительные, продолжительностью до 20 – 30 суток, пребывания экипажей на поверхности Луны

и Марса с выполнением значительного объёма научных и прикладных исследований. Необходимо отметить, что освоение дальнего Космоса является качественно новой, причем противоречивой проблемой. Вследствие того, что человек является гравитационно-зависимым субъектом, в условиях гипогравитации планет неизбежны сдвиги физиологических процессов относительно нормы в жизненно важных органах и, прежде всего, в сердечно-сосудистой системе. Наглядным примером служит невесомость, которая вызывает патологическую перестройку организма. Проблематичными становятся процессы возвращения на Землю и последующей адаптации к естественной гравитации [1 -3].

По целому ряду причин, главная из которых отсутствие гипогравитации как на Земле, так и на МКС, опыт пилотируемой космонавтики, а он весьма значителен, становится недостаточным. Предстоят масштабные работы по модернизации процесса подготовки космонавтов, разработке, применению новых тренажеров и новых методик медицинского обеспечения полётов [1] – [5], [7]. Составной частью названных работ является создание и применение высокоэффективных устройств, генерирующих модельную гравитацию. К таким устройствам относятся наклонные стенды (НС, рис. 1). При надлежащем выборе угла наклона плоскости относительно горизонта имитируются факторы, характерные для гипогравитации Луны, Марса и невесомости, в числе которых распределение жидких сред в организме и силовая нагрузка на ступни. Оснащение НС современной информационно -аналитической системой преобразует его в высокоэффективную автоматизированную систему научных исследований (АСНИ).

Рис. 1. Общий вид системы «человек–НС»:

1 – наклонная плоскость,

2 – тонометр (рука),

3 – аппаратура дискретного мониторинга,

4 – пульсоксиметр (рука),

5 – тонометр (лодыжка),

6 – пульсоксиметр (нога), 7 – весы,

8 – быстросъемная опора, определяющая угол наклона плоскости: Луна, Марс

Наряду с «космическими» приложениями модельная гравитация нашла применение в практическом здравоохранении. Речь идет о гравитационной терапии (ГТ), представляющей собой разновидность восстановительной медицины [6]. ГТ основана на применении искусственной силы тяжести, создаваемой короткорадиусной центрифугой, для восстановления кровообращения, нарушенного в результате травм, переломов нижних конечностей и ишемических заболеваний. Процедуры ГТ выполняются в положении «лежа на спине», которое по гемодинамике и другим физиологическим факторам близко к невесомости. Таким образом, задачи целеполагания пилотируемой космонавтики и ГТ в значительной степени идентичны. Их объединяет потребность в новых знаниях о скрытых механизмах периферической гемодинамики в условиях модельной гравитации. Для их выявления и разработана предлагаемая технология.

Цель исследований: разработка и апробация технологии автоматизированного синтеза эмпирических и теоретических моделей гемодинамики человека в условиях искусственной гипогравитации Луны, Марса и невесомости с применением принципов мультиагентности.

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

При разработке технологии и оценке достижимости поставленных целей сформировалась типичная для мультиагентных систем ситуация, обусловленная сложностью, междисциплинар- ностью и противоречивостью проблемы. Для ее разрешения был применен поэтапный подход, основанный на разделении функциональных обязанностей по предметному признаку. Головной разработчик (постановщик задач) выполняет декомпозицию проблемы на отдельные задачи, относящиеся к различным предметным областям, и оперативную координацию работ с учетом их текущего состояния. Дальнейшая детализация, включающая в себя способы и алгоритмы решения поставленных задач, осуществляется специалистами – предметниками. Они же формулируют рекомендации для принятия решений.

В результате декомпозиции была сформирована трехуровневая структура, нижний уровень которой образует объект исследований – система «человек – НС» (рис. 1). Основное требование к объекту – обеспечение полипозиционного обследования. Под этим понимается создание за счет выбора угла наклона НС (позиции его плоскости) четырех разновидностей силовых полей, моделирующих невесомость, гипогравитацию Луны, Марса и норму, за которую принят ортостаз.

Второй, средний уровень, образует информационно-аналитическая система, отвечающая следующим требованиям: а) высокая информативность и достоверность; б) неинвазивность (бескровность); в) формализация периферического русла в форме распределенного четырехполюсника (начальное и конечное сечения, регистрация давления и скорости кровотока в каждом из них); г) автоматизированная обработка информации в темпе экспериментов с построением эмпирических и теоретических моделей отклика гемодинамики на вариацию гравитационной нагрузки; д) многозадачность, определяемая потребностями космонавтики и ГТ; е) доступность для учреждений практического здравоохранения; ж) открытость, т. е. простота модернизации и функционального расширения.

Третий, верхний уровень, образует междисциплинарный коллектив (техника – медицина), состоящий из специалистов по системному анализу; планированию экспериментов; физическому, математическому и компьютерному моделированию; врачей восстановительной медицины, ультразвуковой (УЗ) - диагностики, кардиологов; испытуемых и потребителей информации.

Формализация периферической гемодинамики в форме распределенного четырехполюсника потребовала сочетанного применения методов кардиологии (распределение давления) и УЗ - диагностики (распределение скоростей кровотока). Артериальное давления (АД) измерялось в двух точках доступа: «рука» - вход, «лодыжка» - выход с определением САД, ДАД, АДср

Таблица 1. Перечень измеряемых параметров в модели четырехполюсника

№, №	Условное обозначение параметра	Наименование параметра
Распределение давления в артериальном русле
1	АД	Артериальное давление
2	САД	Систолическое артериальное давление
3	ДАД	Диастолическое артериальное давление
4	АДср	Среднее артериальное давление АДср
5	ЛПИ	Лодыжечно-плечевой индекс ЛПИ
6	ЧСС	Частота сердечных сокращений
Распределение скоростей кровотока
7	RI	Индекс резистентности. RI = (PS - ED) / PS.
8	PS	Максимальная систолическая скорость
9	ED	Конечная диастолическая скорость
10	AT	Период собственных колебаний скорости кровотока

и ЛПИ (перечень и расшифровка параметров приведены в табл. 1 и на рис. 2).

АДср и ЛПИ (позиции 4, 5 таблицы 1) вычислялись автоматически по формулам

АДср = ДАД + ( САД - ДАД )/3,      (1)

ЛПИ = САДн / САДр ,           (2)

где индексы «н», «р» - нога и рука, соответственно. Формула (1) характеризует общие тенденции изменения давления на вариации гравитационной нагрузки, причем с учетом динамической составляющей (выражение в скобках), а (2) – перепад давления в периферических артериях. Отметим, что несмотря на высокую информативность, в силу ряда причин такая схема не получила распространения в кардиологии и космической медицине. В автоматизированном эксперименте, как это предусмотрено в предлагаемой технологии, применение формул (1), (2) не вызывает затруднений.

Что касается скоростной составляющей четырехполюсника, то для ее измерения применены методы УЗДГ. С целью совместимости и удобства трактовки полученных результатов измерялись стандартные для медицины параметры (позиции 7 – 9 табл. 1, рис. 2). Кроме того, в отличие от стандартных методик, выполнялись более подробные исследования пульсовой волны с применением методов, принятых в теории автоматического управления. Для этого измерялся период собственных колебаний кровотока ∆T (позиция 10 табл. 1, рис. 2).

Рис. 2. Типовая допплерограмма периферических сосудов: T – время, V – мгновенная скорость. Показаны два сокращения сердца

Важным моментом исследований является полипозиционность как средство управления величиной и направлением воздействия со стороны модельной гравитации. Она обеспечивалась соответствующим выбором угла установки НС ( α ) относительно горизонта (табл. 2). В соответствии с положениями, принятыми в мировой космической медицине, невесомость моделировалась при отрицательном значении α . Углы установки, необходимые для моделирования гипогравитации Луны и Марса, рассчитывались по формулам, известным в теоретической механике как разложение вектора силы тяжести наклонной плоскостью на компоненты [5].

Таблица 2. Основные режимы моделирования (полипозиционность)

Объект моделирования	Угол наклона плоскости относительно горизонта (а), град
1. Невесомость	- 6
2. Гипогравитация Луны	+ 10
3. Гипогравитация Марса	+ 22
4. Гравитация Земли	+ 90

ИНФОРМАЦИОННО–АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Проблемно-ориентированная информационно-аналитическая система (ИАС), являющаяся составным компонентом предлагаемой технологии, выполняет две функции. Во-первых, она обеспечивает измерения параметров согласно перечню (таблица 1), а во-вторых, – автоматизированную обработку информации с построением эмпирических и теоретических моделей периферической гемодинамики.

Давление измерялось полуавтоматическими тонометрами Omron, которые обладают достаточной для многократных измерений памятью (до 60 отсчетов) и встроенными часами, необходимыми для синхронизации показаний. Управление тонометрами осуществлялось по радиоканалу, для чего была выполнена соответствующая доработка.

Измерение скоростей кровотока и их распределение вдоль артерий осуществлялось портативным УЗ - сканером LogicBook. Исследования выполнялись на обеих конечностях по трехточечной схеме доступа: бедренная артерия, подколенная артерия и задняя большеберцовая артерия. Результаты исследований, отражающие отклик параметров на вариацию гравитационной нагрузки, представлялись в табличной и графической формах.

В качестве аргумента, характеризующего гравитационную нагрузку, был выбран Sin α по следующим основаниям. Прежде всего, он не зависит от массы испытуемого, что немаловажно, т. к. исключает процедуру нормировки аргумента. Кроме того, он однозначно определяется объектом моделирования (табл. 2). В частности, ортостазу (норма) соответствует значение Sin90^o = 1, гипогравитации Марса Sin 22^o = 0,374, а невесомости Sin(– 6^o) = - 0,104. Ординатами зависимостей являлись соответствующие параметры (таблица 1). При обработке вычислялись средние значения (М) и стандартные отклонения ( σ ). Результаты представлялись в виде зависимостей М, М ± σ от Sin α .

Наряду с эмпирическими моделями были построены теоретические модели применительно к М в форме уравнений регрессий для всех измеряемых и вычисляемых параметров. На основе предварительных оценок, выполненных с учётом законов гидродинамики, в качестве уравнений регрессий были выбраны полиномы второго порядка. Кроме того, выполнялись исследование пульсовой волны методами автоматического управления (черного ящика), что является спецификой технологии. Пульсовая волна (рис. 2) моделировалась аппроксимациями вида

• V = ( PS ) e - ^e t Cos ( to t ),

где V – текущая скорость кровотока, PS – пико- вая систолическая скорость (табл. 1, позиция 7), β – коэффициент затухания, t – текущее время, ω – круговая частота колебаний.

Как следует из рис. 2, в артериях, гидравлическое сопротивление которых незначительно (несколько мм. рт. ст.), происходит интенсивное затухание колебаний. В связи с этим, вычислялся коэффициента β по формуле (3), которая следует из предыдущей формулы после подстановки t = ∆T и логарифмирования n 1 1 PS в = In ■ (3) ΔT ED ()

Что касается автоматизации научных исследований (ИАС в режиме АСНИ), в качестве программной среды был выбран электронный процессор Excel. Он получил распространение в медицинских учреждениях, доступен, оснащен встроенными средствами (таблицы, графики, математические и статистические формулы), достаточными для решения поставленных задач и открытости, т. е. последующей модернизации. Интерфейс сформирован как трехмерная (постраничная) структура. Действия пользователя сводятся к заполнению таблиц исходных данных и получению результатов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Апробация технологии выполнялась в условиях типового кабинета УЗ-диагностики. В экспериментах приняли участие четыре добровольца мужского пола в возрасте 21 – 23 года, ростом 164-175 см, весом от 60 до 68 кг, что соответствовало весу на планете Марс 24 – 27 кг. Результаты апробации положительные. Технология показала высокую эффективность по выявлению скрытых закономерностей периферической гемодинамики. В качестве подтверждения на рис. 3 – 5 приведены примеры зависимостей ЛПИ, RI и ∆Т от гравитационной нагрузки (Sin α ).

Как следует из рис. 3, изменение гравитационной нагрузки, вызванное переходом от состояния «норма» к «невесомости» (–0,104 ≤ Sin α ≤ 1) сопровождался уменьшением перепада давления в артериальном русле (ЛПИ) от значений 1,86 до 1,02, что весьма существенно¹. Гипогравитации Марса соответствовало значение 1,35, т.е. почти 30% отклонения от нормы в патологическом направлении, каковым является невесомость. Эффект объясняется снижением АДср в выходном сечении (лодыжка), которое с учетом динамической составляющей достигло 90 мм. рт. ст., что соизмеримо с системным давлением. Столь существенные перестройки гемодинамики требуют всесторонней оценки со стороны соответствующих специалистов. В целях уточнения данных, полученных

• ¹    В целях сокращения изложения далее анализируются только средние значения параметров (М).

  

  • лпи -е-м + а -*-м-о

  Рис. 3. Зависимость ЛПИ от величины гравитационной нагрузки. Пример уравнения регрессии

  
  

в модельных условиях НС, целесообразно выполнить прямые измерения ЛПИ на МКС.

Существенно изменился индекс резистентности (RI), который относится к числу важнейших гемодинамических показателей (рис. 4). Переход от позы «ортостаз» к позе, имитирующей невесомость, сопровождался возрастанием значения RI от 0,636 до 0,77. Режиму «Марс» соответствовало значение RI = 0,685, что, как и в случае ЛПИ, существенно отличается от нормы.

Представляет интерес сравнение данных, полученных при имитации невесомости и в позе «лежа», которая применяется при стандартных УЗДГ – обследованиях (Sin α = 0). Как следует из рис. 4, данные по RI практически совпадают. Полученные закономерности отклика гемодинамики на вариации гравитационной нагрузки требуют тщательного анализа и обоснованного объяснения со стороны специалистов по УЗДГ, пилотируемой космонавтике и ГТ.

Результаты измерения периода пульсовой волны (∆Т), которые относятся к специфике технологии, представлены на рис. 5. Получены очередные подтверждения того, что человек является гравитационно-зависимым субъектом и что акустические свойства системы кровообращения зависят от гравитационной нагрузки. Переход от нормы к невесомости сопровождался увеличением периода колебаний пульсовой волны от значения 335 мсек до 401 мсек, т.е. более, чем на 20%. При этом гравитации Марса соответствовало значение 364 мсек. Значимость результата состоит в том, что установлены количественные соотношения, связывающие акустический параметр ∆Т, а, следовательно и частоту колебаний с внешней нагрузкой. Что касается механизма явления, то он обусловлен изменениями упруго-инерционных свойств системы кровообращения в целом. Однако имеющихся знаний недостаточно и необходимы более де-

Рис. 5. Зависимость периода пульсовой волны от величины гравитационной нагрузки. Пример уравнения регрессии

Рис. 4. Пример зависимости индекса резистентности от величины гравитационной нагрузки. Пример уравнения регрессии

тальные исследования механизма колебаний, в том числе, с применением предлагаемых подходов. Аналогичные зависимости (эмпирические модели) получены для остальных измеряемых и вычисляемых параметров.

Что касается регрессий, то их примеры приведены на рис. 3 – 5. Установлено, что полиномы второй степени адекватно отражают экспериментальные зависимости, что важно с практической точки зрения. Кроме того, регрессии позволяют сократить число испытаний, а они несмотря на автоматизацию достаточно трудоемки. Примером служит вычисления показателей гемодинамики в условиях Луны или в позе «лёжа», наиболее распространённой в практической медицине. В частности, расчетное значения ЛПИ в позе «лёжа» (уравнение приведено на рис. 3) составляет 1,12, что практически совпадает с ЛПИ при невесомости (1,02). Обобщая изложенное следует особо отметить, что высокая эффективность предлагаемой технологии в значительной степени обусловлена применением мультиагентных принципов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Разработана технология с элементами муль-тиагентности, обеспечивающая автоматизированный синтез эмпирических и теоретических моделей периферической гемодинамики в задачах космонавтики и восстановительной медицины. Артериальное русло формализовано в форме распределенного четырехполюсника, что является спецификой технологии и потребовало сочетанного применения методов кардиологии и ультразвуковой допплерографии.

В результате применения предлагаемой технологии установлены новые закономерности, характеризующие реакцию периферической гемодинамики на величину и направление воздействия со стороны модельной гравитации. Получено новое подтверждение того, что человек является гравитационно-зависимым субъектом. Во-первых, распределения давления и кровотока в количественном отношении претерпевают значительные изменения. Так, например, переход от состояния «ортостаз» (норма) к гипогравитации планет и невесомости сопровождается существенными отклонениями от нормы, проявляющимися в снижении перепада давления в артериальном русле, возрастании индекса резистентности, периода пульсовой волны и других показателей на десятки процентов. Во-вторых, несмотря на количественные изменения, сохраняются классификационные (качественные)

признаки динамики кровообращения, в числе которых выраженная колебательность кровотока с двумя антеградными и одним ретроградным пиком (магистральный тип), высокие значения коэффициента сопротивления.

Следует продолжить исследования с применением предлагаемой технологии. Необходимо накопить статистический материал в расширенном составе испытуемых, отличающихся полом, ростом и массой. Необходимо также решить особо значимою задачу по установлению и обоснованию механизмов выявленных закономерностей для последующего управления ими с целью снижения негативных последствий гипогравитации, а также для модернизации существующих и разработке новых тренажеров для космонавтов.

Представляется целесообразным измерение ЛПИ и периода пульсовой волны в условиях невесомости на МКС.