Комплексное применение искусственных нейронных сетей в морфологии гемомикроциркуляторного русла и у пожилых больных и долгожителей с послеоперационной

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Россздрава

НОУ ВПО «Самарский медицинский институт «РеаВиЗ» Рособразования ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королёва» Рособразования

А.М. Фомин, А.А. Супильников, С.Е. Кисляев

Комплексное применение искусственных нейронных сетей в морфологии гемомикроциркуляторного русла и у пожилых больных и долгожителей с послеоперационной

вентральной грыжей

Методическое пособие

Самара 2013

УДК 004. 032.26

Рецензенты:

Кузьмин Юрий Сергеевич – доктор медицинских наук, профессор кафедры анатомии человека ГОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Росздрава;

Сараев Леонид Александрович – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой высшей математики и информатики ГОУ ВПО «Самарский государственный университет» Рособразования

Фомин А.М., Супильников А.А., Кисляев С.Е. Комплексное применение искусственных нейронных сетей в морфологии гемомикроциркуляторного русла и у пожилых больных и долгожителей с послеоперационной вентральной грыжей: Методическое пособие – Самара: НОУ ВПО СМИ «РЕАВИЗ», 2009. – 36 с.: ил.11, таблиц 17— опубл. 20.06.2013. — Электрон. версия печ. публ. — Доступ с сайта ЭБС IPRbooks.

Методическое пособие содержит подход к комплексному использованию искусственных нейронных сетей и разносторонние аспекты применения их в морфологии и медицине. В работе представлены расчеты морфологических показателей гемомикроциркуляторного русла эпикарда, миокарда и толстой кишки млекопитающих, интегрального показателя качества жизни больных в отдаленном послеоперационном периоде пожилых и долгожителей.

Пособие предназначено для научных работников, аспирантов и врачей.

УДК 004. 032.26

3

Введение

В настоящее время необходимость применения искусственных нейронных сетей в медицине остается высочайшей.

Судя по обзорам научных работ, посвященных разработке нейросетевых экспертных систем (НСЭС), отмечается широта их применения для диагностики онкологических и терапевтических заболеваний.

Вотечественной литературе мы встречаемся с работами, посвященными биометрии, как научному методу для создания личного криптографического ключа пользователя в открытых информационных системах. Этот подход основан на использовании больших и сверхбольших искусственных нейронных сетей

иалгоритмов их быстрого обучения. А также использованию НСЭС распознавания личности по биометрическим данным, что имеет свое значение и для здравоохранения [11].

Искусственные нейронные сети как метод распознавания образов, способный работать в морфологии, были использованы при характеристике артериального и венозного русла дна глаза человека. До настоящего времени, эти работы не использовались в комплексе с другими методами при создании нейросетевых экспертных систем.

Известны НСЭС позволяющие оценивать гемомикроциркуляторное русло для различного типа скелетных мышц, в том числе и при редуцированном кровотоке. Но результаты их применения могут быть использованы лишь в теоретическом научном заключении, пока что без широкого выноса в практическую хирургию [13].

Вхирургии остается сложный вопрос − вопрос о послеоперационных вентральных грыжах, частота которых растет с каждым годом. Многообразие методов хирургического лечения (более 300 способов) не приводит к уменьшению частоты их рецидивов, особенно после применения традиционных медов пластики. Большое число пациентов с послеоперационными вентральными грыжами являются лицами пожилого и старческого возраста, имеющими большое число сопутствующих заболеваний Прогноз для этих групп больных будет иметь непреходящее значение [40]. В литературе имеются сведения о прогнозе состояния хирургических больных, в том числе о создании НСЭС [6,7].

Вработе использовалось материально-техническое обеспечение:

Компьютер Р III -550.128 ВАМб 20 НВ, 20 Нв НДД, FFD 3.5; Riva TNT-2

Pru (16 Mb) CD ROM – 48 x (Samsung 550S), клавиатура, мышь. ГОСТ Р № 3951 000. Сертификат №№ РОСС RU. АЮ 96 В00035.

Microsoft Office Exel 6.0; Statistica Neural Net Works («StatSoft», USA; «Soft Line» (Russia, Москва). Сертификат № 9062215624 Ф 40. (СМИ «РеаВиЗ»

(1999)).

4

Эффективность использования метода:

В части первой, настоящего пособия, в использовании искусственных нейронных сетей в морфометрии гемомикроциркуляторного русла эпикарда и миокарда млекопитающих использовался нейрокомпьютинг, в сочетании с оценкой отношений углов отхождения сосудов, характеризующих «псевдофрактальность» микроциркуляторного русла сердца. Эта методика имеет теоретическое значение при морфометрическом изучении тканей млекопитающих.

Во второй части представлен подход к разработке НСЭС (в приложении №2 рисунок 3.1), позволяющей войти в основной блок целевого научного обоснования мониторинга о состоянии больных хирургического профиля в геронтологии и гериатрии.

5

Часть первая. Комплексное использование СОК Кохонена и многослойных персептронов в исследование гемомикроциркуляторной системы

сердца млекопитающего

1.1.1 Фракталы в морфологической стереометрии сосудистой системы

Математическое определение фрактала: «Фрактал [32] – это функцио-

нальное отображение или множество, получаемое бесконечным рекурсивным процессом и имеющее следующие свойства: 1. самоподобие или масштабную инвариантность (бесконечный скейлинг), т.е. фракталы в малых масштабах выглядят в среднем так же, как и на больших; их размерность (размерность Хаусдорфа), дробная и строго больше топологической размерности; 3. недифференцируемость и оперирование дробными производными и интегралами».

Физическое определение фрактала следующее: «Фракталы – это геометри-

ческие объекты (линии, поверхности, тела), имеющие сильно изрезанную структуру и обладающие свойством самоподобия в ограниченном масштабе» [20].

Фрактал геометрии сосудистого русла человека и животных, является фракталом Осгуда-Лебега. Практически, всё строение артериального дерева млекопитающего представлено фракталом подобного вида [15]. При оценке подобной

структуры Б. Мандельброт, исходил из значения ∆=2,7, связывающей значения изменения диаметра сосудов и их протяженность [21]. Особо значимым для нас фактом является существование фракталов в восприятии человека как одномерных объектов, но при этом возможность применять их для описания и трехмерных структур. Это особым образом связано с понятиями о фрактальной и топологической размерностями [14,15,17].

Намеченный подход, основанный на некоторых представлениях о фракталах, должен оказаться весьма плодотворным в плане описания особенностей микрососудистой системы органов и тканей [8,9,21,27,28]. В том числе и разработке методов медицинской морфометрии и стериометрии [1,2].

Гемомикроциркуляторное русло изучают достаточно продолжительное время. И к настоящему моменту, детально описаны типы ветвления, углы отхождения, наклоны элементов сосудистого русла и т.д., но в тоже время не все морфометрические параметры осмыслены с математической и физической точек зрения [3,4,5,12,25,26]. Подавляющее большинство морфологических работ, в основном, носит описательный характер. Однако, оправдан и морфофункциональный подход, основывающийся на знании соответствия морфологических данных физиологическим параметрам. Кратко − «функция неотделима от морфологической структуры». В связи с этим, вопрос о функциональном назначении углов отхождения, величин дуг сосудов кровеносного русла эпикарда и миокарда сердца млекопитающих приобретает свое доказательное значение в процессах премиокардиальной гемосепарации [4,5,23].

Эти два классических подхода (морфологический и физиологический) не позволяют достоверно и однозначно решить вопрос о премиокардиальной гемо-

6

сепарации. Суть вопроса заключается в определении места преобладания премиокардиальной гемосепарации крови в микроциркуляторных структурах сердца млекопитающих.

Не вдаваясь в частные особенности морфометрического стереометрического анализа, мы считаем, что необходимо проводить нейросетевой анализ морфометрических данных микроциркуляторного русла сердца. Это обусловлено тем, что сердце относится к органам с «беспорядочным» синтициальным строением миокарда. Морфометрия структур (данные) которого имеют непараметрический характер распределения [24,28].

Сосудистая система сердца в целом и его микроциркуляторное русло также относятся к фракталоподобным структурам или структурам, отдаленно напоминающим фракталы [8,17]. Это позволяет по-новому подойти к рассмотрению количественных параметров звеньев его сосудистой системы [30, 27].

Известные математические модели, связывающие угол отклонения и радиус сосудов (С. Мюррей) [33,34], впоследствии М. Замир [38,39], а также другие модели связывающие соотношения артерий и вен одного диаметра в органе, число ветвей, отходящих от магистральных сосудов, их сечение, расстояние между разветвлениями, не позволяют численно реконструировать сосудистое дерево, выявляя присущие ему функционально значимые черты ангиоархитектоники

[5,12].

В работах отмечено: «Любой портрет фрактала – не более чем условное, выполненное с конечной разрешающей способностью и потому огрубленное изображение основной тенденции – тренда, своего рода карикатура, обладающая портретным сходством с оригиналом, но отличающаяся от портрета, выполненного в реалистической манере» [Цит.10 по 20].

1.1.2 Вурф как отношение углов при описании гемомикроциркуляторного русла млекопитающего

Если учесть, что фрактал, часто трактуется как структура, обладающая самоподобием, определяемая в терминах фрактальной (дробной) размерности, то для сосудистых конструкций человека и животных эти структуры следует рассматривать как фракталоподобные, отношения углов ответвлений которых должны быть равны [14,15,17], чего в морфологичских исследованиях мы не наблюдаем [23]. Мы рекомендуем использовать известное выражение вурфа (W) для изучения углов отхождения микрососудов [18, 29].

При введении в наше исследование данного преобразования (W) мы стремились найти тот прием, который позволит хотя бы «приближенно» указать если не на близость величин углов отхождения дочерних сосудов от материнского ствола, то хотя бы на существование некоторого математического преобразования, позволяющего сравнить их отношения [19,27,28,31].

Материалы и методы: 1. Изучено 77 гистологических препаратов поверхностного слоя миокарда человека 1 и 2 периодов зрелого возраста. Для изучения

7

взаимоотношений сосудистых конструкций применен инъекционный метод с последующей окраской гистологических срезов.

2. Для изучения гемомикроциркуляторных структур глубокого внутреннего отдела подслизистого сплетения поперечной ободочной кишки применялась внутрисосудистая инъекция парижской синей на хлороформе. Изучено 12 гистологических препаратов.

Метрическую информацию получали измерением диаметров, длины сосудов, углов отхождения дочерних сосудов гемомикроциркуляторной составляющей артериального звена модулей с помощью микрометра МОВ х1-15.

Статистический анализ включал в себя: дескриптивные статистики (среднее, min, max значения, медиана, стандартное отклонение). Определение характера распределения морфометрических данных производилось с помощью наложения кривой Гаусса и осуществлялся с использованием универсального статистического пакета «Statistica 5.0 (StatSoft, USA). В процессе изучения данных применялось преобразование W (8), W=(a+b)*(b+c)/b*(a+b+c), где а, в, с

– являлись медианами углов отхождения дочерних сосудов. Преобразование проводили после перевода величины угла отхождения в комплексное число.

Комплексное число − выражение a+bi, где a и b – вещественные числа (действительные числа). Мнимая часть комплексного числа z=a+bi называется также мнимым числом bi, а b тогда называется коэффициентом при мнимом числе.

Сложение, умножение и деление комплексного числа задаётся формулами:

(a+bi) + (x+yi)=(a+x) + (b+y)i, (a+bi)(x+yi) = (ax-by)+(ay+bx)i, a+bi/x+yi = ax+by/x²+y² + (bx-ay/x²+y²)i.

Л. Эйлер комплексное число аксиоматически определил как упорядоченную пару действительных чисел (a, b). Формулы сложения, умножения, деления постулируются так:

(a, b)+(x, y) = (a+x, b+y),

(a, b)·(x, y) = (ax-by, ay+bx),

(a, b)/(x, y) = (ax+by/x²+y², bx-ay/x²+y²).

Комплексное число записывается и в тригонометрической форме: a+bi = ρ(cosφ+i sinφ),

для a>0 и φ=π+arctg b/a для а>0; если в<0. Число ρ называется модулем комплексного числа, а φ – его аргументом [16].

Переходя к рассмотрению сосудистой составляющей эпикарда млекопитающего, в таблице 1.1 (артериальное звено) мы приводим значения углов отхож-

8

дения структурных компонентов гемомикроциркуляторного артериального русла эпикарда сердца и значение преобразования W.

1 – микрососудистое русло эпикарда сердца человека. Внутрисосудистая инъекция берлинской лазури. Об.10, ок.10. 2 – Микрогемоциркуляторный модуль миокарда сердца человека. Внутрисосудистая инъекция парижской синей на хлороформе, окраска по Ван-Гизону. Об.10, ок.40.

На микрофото 1.1 и 1.2 представлено гемомикроциркуляторное русло эпикарда и миокарда сердца человека. В таблице 1.2 мы приводим значение углов отхождения структурных компонентов гемомикроциркуляторного русла эпикарда сердца (венозное звено).

Таблица 1.1

Значения углов отхождения структурных компонентов гемомикроциркуляторного русла (артериальное звено) эпикарда сердца и преобразования

W

9

Таблица 1.2

Значения углов отхождения структурных компонентов гемомикроциркуляторного русла (венозное звено) эпикарда сердца и преобразования W

При сравнении углов отхождения сосудов различного диаметра и различных по морфологическому строению и функции в эпикарде и поверхностном слое миокарда можно видеть их различие с разницей более 20 градусов. Следует обратить внимание на значение W, взятого по его модулю и сравнить между собой. Нетрудно заметить численную близость.

В таблице 1.3 представлены дескриптивные статистики структурных компонентов микроциркуляторной составляющей гемомикроциркуляторных модулей подслизистого сплетения поперечной ободочной кишки.

Рисунок 2.1 Глубокое подслизистое сплетение поперечной ободочной кишки человека. Инъекция парижской синей на хлороформе. Ув.х56. (Микрофото из архива Б.Б. Галахова).

1 – плексиформное образование; 2 – артериола; 3 – прекапилляр; 4 - капилляры; 5 – посткапилляр; 6 – венула.

На микрофото 2.1 представлен глубокий внутренний отдел подслизистого сплетения, который образован артериальными ветвями, направляющимися в сторону слизистой оболочки. Диаметр этих ветвей (min., max.) равен 30-45 мкм. Сплетение является мелкоячеистым и густым. Ветви артерий глубокого отдела подслизистого сплетения проходят в слизистую оболочку между пучками ее мышечной пластинки. Под основаниями крипт артериальные ветви древовидно

10

ветвятся и окружают донышки крипт, образуя артериальную базальную сеть. Ее составляют артериолы, которые делятся на прекапилляры. Отдельные длинные прекапилляры идут вдоль крипт от дна их к устью. От них отходят капилляры, которые окружают крипты. Каждый прекапилляр, достигнув устья крипт, делится на два капилляра диаметром 6,3 мкм, они образуют подэпителиальную капиллярную сеть. Каждые два капилляра соединяясь формируют разной длины посткапилляры. Сливаясь (чаще в количестве трех) посткапилляры образуют венулы диаметром (min., max.) 20-25 мкм. Формирование их из нескольких посткапилляров происходит в более широких межкриптовых зонах. Эти венулы отвесно спускаются между криптами и составляют притоки венозной базальной сети. Отдельные вены этой сети проходят между пучками гладких мышечных клеток и впадают в вены подслизистой основы. Вены центрального отдела подслизистого сплетения собираются от слизистой и мышечной оболочек и из микроциркуляторных путей подслизистой основы составляют главные истоки прямых кишечных вен. Они следуют по ходу артерий через мышечную оболочку до входных сосудистых ворот.

В таблицах 1.3 и 1.4 приведены дескриптивные значения диаметров этих структурных элементов микроциркуляторного русла.

Таблица 1.3

Дескриптивные статистики структурных компонентов гемомикроциркуляторного модуля глубокого внутреннего отдела подслизистого сплете-

ния поперечной ободочной кишки

11