Мониторинг состояния организма человека на основе информационной феноменологической модели.

Рассматривается IT - система измерения и автоматизированной обработки интегральных параметров биологических объектов на примере организма человека. Система ориенирована на систематический мониторинг состояния здоровья, выявление патологий на ранних стадиях,  управление весовыми характеристиками, другими параметрами, в том числе, под физической нагрузкой.

 

Здоровый образ жизни – мечта каждого. Но как трудно поддерживать его. Работа, учеба, бизнес, дети. Да разве мало других причин, из-за которых нам не хватает времени на самих себя. Вот уж и вес вышел за пределы нормы. Появилась одышка, быстрая утомляемость, периодически повышается давление, нервы стали сдавать.

Что делать?

Наука дает достаточно точный ответ на многие вопросы, связанные с поддержанием нашего здоровья. Но как применить достижения науки в повседневной жизни?

Большинство проблем со здоровьем не возникают внезапно. Имеется довольно длительный латентный период, когда  происходят изменения в организме, не ощущаемые явно. Обнаружить эти изменения можно только, регулярно измеряя некоторые интегральные характеристики организма и выявляя  с помощью математических методов статистически значимые тренды. Интегральные характеристики – это функции  измеряемых параметров, значения которых связаны непосредственно с жизнедеятельностью организма и  которые зависят от ряда внешних факторов и внутренних процессов организме и могут быть измерены количественно. Например, артериальное давление, вес, различные биоритмы и др. В процессе математической обработки разделяется влияние внешних и внутренних факторов и формируются вероятностные прогнозы и рекомендации по изменению режима питания, физических и эмоциональных нагрузок,  необходимости обращения к врачу соответствующего профиля для проведения более детального обследования на основе специальных медицинских анализов и процедур.

Взгляд со стороны теории информации.

На основе информационной теории взаимодействия разработаны и используются в разных технологических и биологических системах методы и алгоритмы оценки и прогнозирования состояния объектов и систем  по интегральным параметрам получаемым из информации излучаемой во внешний мир. При таком подходе необязательно подробное знание внутренней структуры объекта. Достаточно на феноменологическом уровне статистически оценивать внешние информационные поля, чтобы спрогнозировать значимые изменения в его внутренней структуре. Это принцип, вытекающий из теории информационного взаимодействия, очень полезен на практике и может использоваться в ряде практических приложений. Например, чтобы получить оценку на ранних стадиях изменений, происходящих во внутренних структурах  биологического организма, необходимо с определенным периодом наблюдения осуществлять количественный  мониторинг выходных параметров организма и поступаемых на вход воздействий. Путем обработки методами факторного анализа можно разделить по результатам наблюдений влияние факторов внешней среды  и внутренних факторов и оценить статистически значимые изменения последних (которые наиболее важны для контроля здоровья) и выработать управляющие решения(то есть, реализовать механизм обратной связи).

Важно подчеркнуть, что при рассмотренном подходе для оценки состояния и прогнозирования используются как возможности систем с искусственным интеллектом, так и биологических объектов (человека, животных, растений) , которые включаются в систему оценки в качестве одного из звеньев (эксперты)  при  передаче и анализе сигналов от исследуемого объекта. Так, например, консультант-эксперт и сам наблюдаемый объект включаются в процесс принятия решения, а их решения используются для обучения системы автоматического анализа данных.

 

Концепция построения комплексной системы мониторинга.

 


  • Человек, как биологический объект, с информационной точки зрения является получателем и источником информации одновременно. При этом, исходящая информация формируется на основе получаемых входных сигналов, которые перерабатываются организмом, в соответствии с его внутренней структурой и механизмами переработки.

  • Эта структура и механизмы частично заложены генетически, а частично определяются накопленными и хранящимися в сознании и подсознании (памяти человека) в закодированном виде данными. Тем самым, объединяются данные, полученные при рождении и накопленные опытом взаимодействия с внешней средой и другими объектами).

  • Одинаковые (с определенной точностью) входные воздействия вызывают неодинаковые е реакции у разных объектов за счет различий во внутренних структурах, которые определяются как физиологическими особенностями, так информацией, хранящейся в памяти.  Таким образом, выходной сигнал является функционалом от параметров входных сигналов и внутренних параметров организма.

  • Входная информация поступает через коммуникационные каналы. Если мы рассматриваем человека как биологический объект, то, в первую очередь, целесообразно учитывать информацию, которая поступает в организм вместе с продуктами питания (пищевой канал коммуникаций).

  • Важнейшими выходными каналами являются системы вывода продуктов переработки из организма (пищеварительная, мочеполовая, потовыделительная системы).

  • В рассматриваем случае могут быть важны и другие каналы коммуникаций. Например, информация, поступающая через слуховой  и зрительный канал, дыхательную систему и т.п.,влияет на различные параметры организма (через возникновение стрессов, недостаточности кислорода для пеработки продуктов питания и др.). Также могут оказывать влияние и лекарственные препараты, вводимые не только через пищеварительный тракт, но и внутримышечно или внутривенно, так как вводимые вещества участвуют  в различных биохимических реакциях, происходящих в организме.

  • Очень важным достоинством рассматриваемого информационного подхода является то, что, не отрицая важность детального знания о всех каналах взаимодействия с внешней средой и, более или менее, подробного знания внутренней структуры организма и алгоритмов его работы, он позволяет оценивать динамику изменений по интегральным характеристикам и прогнозировать возможные внутренние патологии или вредные внешние воздействия на ранней стадии без сложных медико-биологических процедур.

  • Такой поход можно назвать информационно-феноменологическим и он успешно применяется в различных сложных системах для прогнозирования и оценки состояния (например, в социальных, технических и финансовых системах).

  • Важно не само значение того или иного параметра или характеристики, а изменения во времени.  Например, если артериальное давление или вес все время держатся в течение достаточно длительного времени наблюдения примерно на одинаковом уровне, оцениваемом сначала самим человеком или врачами как нормальный персонально для него, то это значит, что состояние его  организма с высокой вероятностью более или менее стабильно. При этом, естественно, предполагается (и это предположение периодически проверяется), что внешние воздействия за этот период также существенно не менялись и таком случае делается вывод, что организм, как информационная биологическая система ведет себя устойчиво.

  • Как следует из предыдущего, необходимо сначала зафиксировать некоторую “точку отсчета” (начальное состояние). После этого, путем анализа изменений измеряемых параметров на  некотором отрезке времени (должна быть накоплена достаточно представительная выборка), можно прогнозировать состояние объекта на некоторый отрезок времени вперед. При этом, необходимо учитывать изменения параметров внешней среды (из данных мониторинга других объектов, с которыми взаимодействует наблюдаемый объект).

  • Периодически “точку отсчета” необходимо уточнять на основе дополнительных данных, получаемых из более детального (специализированного) исследования.

  • Выбор интегральных параметров для измерения осуществляется путем формирования феноменологической информационной модели объекта. Сначала определяется набор каналов коммуникаций, в которых исследуемая группа проявляется наиболее часто. Не обязательно осуществлять мониторинг всех возможных каналов. Достаточно работать только с наиболее представительными для данной группы и более интенсивно используемыми, так как между данными получаемые от разных каналов практически всегда есть корреляция ( но не полная). В нашем случае это каналы пищеварительной, мочеполовой и середечно-сосудистой систем (они являются источниками данных об измеряемых значениях веса, давления или пульса), 

  • На основе указанных выше параметров могут быть созданы характеристики (индексы), представляющие их некоторую функцию.

  • Количество выбранных параметров в принципе может быть любым. Очевидно также, что выбранные параметры могут быть зависимыми (то есть, корреляционная функция между ними не равна нулю) и их набор всегда будет не полным(то есть, исчерпывающе не описывающим состояние исследуемого объекта). Однако, набор должен быть достаточным, чтобы прогноз, сделанный на его основе, мог использоваться для статистически значимой оценки изменений состояния объекта.

  • Каждый параметр и формируемая на его основе характеристика оцениваются с заданной периодичностью. Для биологических процессов при более или менее долгосрочном прогнозировании обычно достаточно производить измерения один раз в сутки. Значения двух соседних измерений сравниваются для получения дифференциальной оценки, которая характеризует изменение измеряемого параметра во времени.

  • Формирование каждого отсчета измеряемого параметра производится на основе методов “робастной статистики”[4-6], которые позволяют получить устойчивые в вероятностном смысле оценки даже на небольших выборках.

  • Мониторинг начинается с получения так называемых нулевых оценок (начальная оценка состяния исследуемого объекта). На этом этапе используются предварительно имеющиеся данные о взаимодействиях исследуемого объекта с другими объектами, и проводится (как правило,  в течение нескольких недель)  более детальное, чем на последущем этапе, измерение параметров входных и выходных сигналов, с целью выделения наиболее важных для целей постоянного мониторинга  и с целью определения оптимального периода измерений. Если априорная информация об объекте мониторинга достаточно представительна, то этот этап может пропускаться, а достоверность начальных данных дополнительно оценивается в процессе мониторинга.

  • На следующем этапе исследуются корреляционные связи между входными информационными потоками и выходными реакциями и корректируется предварительно имеющаяся у исследователя феноменологическая модель объекта и его окружения. 

  • Процесс получения нулевых оценок периодически может повторяться. На основании данных мониторинга могут прогнозироваться различные параметры состояния объектов, которые так или иначе известны из других источников к текущему моменту.

 

Приложение

Мониторинг по весовым характеристикам.


  1. Исходные данные (для каждого пациента) вводятся в таблицу 1.

 

Таблица 1

 





Параметр



Источник первоначальных данных



1



Таблица стандартных продуктов, которыми питается пациент



Анкета


 



2



Таблицы гликемических индексов и содержания жира в стандартных продуктах



 [8]



3



Стартовый вес


 



измерение



4



Пол


 



анкета



5



Возраст


 



анкета



6



Среднее количество приемов пищи в день



анкета



7



Время приемов пищи



анкета



8



Дата начала первой стадии (тестирования)



договор



9



Дата начала второй стадии(мониторинг под внешним контролем)



Договор, заключение по первой стадии



10



Дата начала третьей стадии (самостоятельное наблюдение с ограниченным контролем)



Договор, заключение по второй стадии




























































 

 


  1. Мы предполагаем, что относительно нормально функционирующий организм обеспечивает практически полный ежедневный оборот воды при потреблении в пределах 2,0 -2,5 литров. Мы также предполагаем, что клетчатка, белки и минеральные вещества в первом приближении влияют на изменения веса пренебрежимо мало по сравнению с жирами. Углеводы влияют косвенно через процесс переработки жиров [ 9-10 ].

  2. Влияние белков, которые влияют на вес при регулярных физических нагрузках, развивающих мышечную массу, учитываются только для пациентов, постоянно занимающихся физическими тренировками.

  3. Текущие параметры (ИЗМЕРЯЕМЫЕ ИЛИ РАСЧЕТНЫЕ).

 



    • В (утро) и В (вечер) – утренний и вечерний вес соответственно.

    • В(n) – вес в n-й день от начала.

    • C (к) – суммарный вес всех жиров, съеденных в момент к-го приема пищи.

    • У (к) – суммарный эквивалент всех углеводов, съеденных в момент к-го приема пищи.

    • Ф (n ) – ежедневное изменение веса за счет выведения или накопления в организме жиров.

  1. Вычисляемые параметры:

 

D(n) = B (утро,n) – B (вечер,n-1).

 

G( n) = B (утро, n) – B ( утро, n-1).                             (*)

 

F (n ) = B (вечер,n) – B ( вечер,n-1).

 

Признак нормальности процесса :  G(n)=F(n).        (**)

 

У ( к ) = SUM у(k,I), где у(k,I) – эквивалент одного (I-го) из съеденных в момент к-го приема пищи углевода. Вычисляется путем умножения веса данного продукта на его гликемический индекс, берущийся из таблицы продуктов.

 

С(k) равен суммарному весу всех съеденных в момент к-го приема пищи продуктов, умноженному  на процентное содержание жира в каждом из них.

 


  1. Дополнительные предположения:

 


  • Продукты питания включают следующие основные компоненты:

Жиры,Углеводы,Белки,Клетчатка,Вода,Минеральные вещества.


  • Существует некоторое критическое количество углеводов Укрит, при котором  жир вообще не перерабатывается (полностью идет на увеличение веса) в момент одновременного приема, так как поджелудочная железа вырабатывает достаточное количество инсулина лишь для стабилизации сахара в крови, но не для переработки жира.

  • Существует максимально допустимое количество углеводов Умакс, после приема которого одновременно наступает диабетический шок. Но это патологическое состояние, которое не должно возникать на практике при правильно выработанных рекомендациях.

  • Существует пороговый для каждого значения количества принятых углеводов У и разницы t времен приема жиров и углеводов Спор(У,t). Употребление большего количества, по сравнению с пороговым, ведет всегда к накоплению жиров в организме, так как недостает инсулина и других веществ (из-за ограниченных функциональных возможностей поджелудочной железы и др.).

  • Ежедневное увеличение веса происходит за счет неполной переработки жиров, обусловленных недостаточным количеством инсулина и других веществ, участвующих в процессе их переработки.

  • Уменьшение веса возможно, если имеется избыток инсулина ( и других веществ), которые обеспечивают переработку и выведение из организма накопленных ранее жиров. Если в течение дня не употреблять углеводов, существует значение G(-), индивидуальное для каждого человека.

  • При употреблении углеводов, влияющих на уровень сахара в крови, количество выводимых жиров может уменьшаться. Однако процесс нелинейный и   различный для каждого человека. Дело в том, что отсутствие углеводов в принимаемой в течение дня пище может вызвать снижение сахара и для стабилизации его уровня все равно потребуется активность поджелудочной железы. Поэтому существует некоторый минимальный суточный уровень углеводов, при котором можно предположить отсутствие дополнительных нагрузок на поджелудочную железу  и обеспечить эффективную переработку накопленных в организме жиров. Описанный процесс позволяет объяснить на фенологическом уровне тот факт, что выведение накопленных жиров менее эффективно, чем переработка только что полученных. В нашей модели в первом приближении будет принята симметричная зависимость переработки накопленных и только что принятых жиров.      

 

 


  1. Расчет суммарного изменения веса за день

7.1. Увеличение веса.


  • V (+,n) = SUM Q (k,n), где

Q(k,n) = 0, если С(k,n) <= Cпор; Q(k,n)=C(k,n)- Cпор, если С(k,n) > Cпор;


  • Если углеводы не употреблялись с жирами в течение времени Т, то Спор=Спор.макс. Т составляет обычно 2,5-3 часа.

  • Спор = 0, если принято такое количество углеводов или так плохо работает поджелудочная железа, что весь инсулин ушел на стабилизацию сахара в крови и весь принятый жир накапливается в организме. Спор всегда больше 0, так как отрицательная величина будет означать патологическое нарушение функции поджелудочной железы (практически это означает инсулиново-зависимый диабет, при этом данная методика не может применяться с целью стабилизации веса). Таким образом, ожидаемые значения Спор лежат в пределах 0-Спор.макс и зависят от разницы t во временах приема жиров и углеводов и эквивалента количеству принятых углеводов У.

  • Если принять, что зависимость от разницы времен имеет линейный характер (что в будущем по результатам статистики может быть уточнено) и также линейный характер в пределах определенного диапазона имеет зависимость от У,то можно принять:

 


  • При  Укрит>У>0: Спор= Со - K(Т-t)/У-Укрит, где К -постоянный размерный коэффициент(индивидуальный). При этом при t=T : Cпор=Со и при К=0: Спор=Со.

  • Спор = 0, при У> =Укрит

 


  • Полученные соотношения соответствуют следующим утверждениям:

    • Если углеводы не принимаются вообще (К=0), то существует количество жиров Со, которое организм может полностью переработать.

    • Большее количество не может быть переработано из-за ограниченных возможностей поджелудочной железы (весь инсулин уходит на стабилизацию сахара или просто его вырабатывается недостаточно).

    • Также существует такое значение t>=Т, при котором действие принятых углеводов уже не сказывается  и опять можно потребить Со, которое будет переработано, но не больше.

    • Существует также такое значение эквивалента принятых углеводов (Ккрит), при котором при любом количестве принятых жиров они накапливаются в организме. Возможна ситуация Ккрит=0, т.е. в силу патологии поджелудочной железы, при любом приеме жира последний не перерабатывается.


 


  • Параметры Со, Кмакс и Т определяются в процессе тестирования. Методика их определения основана на выдаче рекомендаций по приему определенной пищи в определенные моменты времени. По реакции организма, проявляемой в весе (который измеряется), вычисляются         указанные    параметры.

  • Если углеводы употреблялись в течение времени Т, то Q(k) определяется с учетом влияния этого употребления на пороговое значение Спор, которое в этом случае не равно Смакс, а меньше его на величину, зависящую от разницы во времени между приемом жиров и углеводов, а также от параметра Укрит.

  • Чем выше Укрит (то есть чем больше нужно принять углеводов, чтобы жир вообще не перерабатывался), тем, вообще говоря, лучше функция поджелудочной железы.

 

7.2. Уменьшение веса.

V(-,n) может быть рассчитано следующим образом.

 

V(-,n) = SUM P (k,n), где P(k,n) = C(k,n)-Cпор, если С(k,n) <= Cпор;

                                          P(k,n) = 0, если С(k,n) > Cпор.

 

Замечание: Мы специально разделили формулы для расчета уменьшения  и увеличения веса, хотя они симметричны и могли бы быть объединены. Но в будущем, при получении большего количества статистически достоверных  данных, можно будет учесть нелинейности и различия в процессах прибавления и уменьшения веса. Тогда будет удобнее вносить изменения именно при таком рассмотрении.

 

8. Таким образом, при употреблении в день при каждом приеме пищи жиров в количестве равном Впор, изменения веса в течение дня не происходит. Как видно, полученные формулы нелинейны, так как в них присутствует операция порогового ограничения и дискретного суммирования. Этим, на феноменологическом уровне, объясняется, что при потреблении одних и тех же продуктов в разном сочетании и в разном разделении по времени, может быть достигнут различный и, даже прямо противоположный с точки зрения веса, эффект.

 

Существует несколько факторов, влияющих на точность модели. В первую очередь влияние белков  на формирование мышечной массы и, соответственно, изменение веса. Другим фактором может быть неполное выведение на определенных отрезках времени воды при ее чрезмерном употреблении. Но все эти факторы усредняются и на определенном достаточно значительном отрезке времени не влияют существенно на основные результаты, хотя изменение веса за счет мускулатуры может быть дополнительно введено в модель после накопления достаточных статистических данных.

 

Важным для работы модели является определение зависимости Смакс, Т, и других параметров( Укрит) . Все индивидуальные параметры определяются на стадии тестирования и затем используются при дальнейших расчетах и выработке рекомендации по оптимальному режиму питания. При тестировании задаются такие режимы питания, при которых непосредственно по результатам утренних и вечерних взвешиваний однозначно определяются значения требуемых параметров (другими словами составляется система уравнений достаточных для их однозначного определения с учетом, необходимой для статистической обработки с целью уменьшения погрешности, избыточности).

 

Существуют также контрольные критерии, по которым можно судить о практическом соответствии результатов ожидаемым. К таким критериям относится соотношение (**), а также некоторые другие соотношения.

Рассчитанное на основании рекомендаций по питанию ожидаемое изменение веса за текущий день равно:

 

G (n,расч) = V(+,n)+V(-,N) ( V(+,n) – всегда положительна,V(-,n) – всегда отрицательна).

G (n,изм)  определяется формулой (*) или усреднением G(n) и F(n) (если (**) соблюдается, то это все равно).

Расчетное и измеренное значения не должны отличаться более, чем на 20-25%, но точнее будет проверить стабильность этих отличий за несколько дней. То есть, надо вычислять скользящее среднее и сравнивать результаты, так при измерениях и расчетах могут быть некоторые систематические погрешности, которые могут быть таким образом учтены. Если погрешность будет стабильна, но тенденция сохраняться, можно будет сделать вывод о управляемости процесса и пригодности модели для данного человека. В противном случае, необходимо вводить уточнения. Например, учитывать для женщин период менструального цикла. Другим фактором может быть сексуальная активность, которая, как оказывается, может существенно влиять на результаты, вследствие возникающего резкого изменения гормонального фона при половом акте. Физические перегрузки, стрессовые ситуации, заболевания – также должны выявляться и анализироваться в случае стабильного несовпадения контрольных данных. Однако указанные выше факторы – временные и после их прекращения корректность модели восстанавливается. Если этого не происходит или временные факторы не выявляются, причиной может быть неизвестное хроническое заболевание или патология, что является сигналом к необходимости медицинской диагностики и обращения к врачу.

9. Проведенные эксперименты показали соответствие прогнозируемых результатов измеренным на 90% у мужчин и 70% у женщин из контрольной группы (10 мужчин и 10 женщин). Одна из наиболее вероятных выявленных причин ошибок – нестабильность параметров, определяющих циклическое изменение гормональных процессов (практически для всех женщин между 40 – 50 годами с нестабильным месячным циклом).

10. Результатом первой стадии является формирование таблицы рекомендуемых продуктов и режимов питания, которая корректируется на основе наблюдений, проводящихся в полуавтоматическом режиме на второй стадии. На третьей стадии пользователь самостоятельно корректирует таблицу в пределах понимания особенностей собственного организма, которое сформировалось на предыдущих стадиях.

Способ,описанный в данной работе запатентован [Патент на изобретение №:2209582,Автор:Горелик С.Л.,Дата публикации:10 Августа, 2003,Классификация по МПК: A61B]