CC BY
24
УДК 519.876.5
EXCEL - ИНТЕРФЕЙС ПО ПРОБЛЕМАМ ГРАВИТАЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ
Акулов Владислав Алексеевич, д-р. техн. наук, доцент, профессор кафедры ИТ
e-mail: [email protected],
Кузнеченкова Е.В., студентка e-mail: [email protected]
Судакова О.А., студентка e-mail: [email protected] Самарский государственный технический университет https://www.samgtu.ru
Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ № 17 - 48 - 630834_17
Разработан Excel - интерфейс, предназначенный для исследования закономерностей отклика периферической гемодинамики на вариацию гравитационной нагрузки, что актуально в задачах перспективной космонавтики и восстановительной медицины. В темпе испытаний осуществляется синтез эмпирических и теоретических моделей артериального кровообращения на основе методов статистического и регрессионного анализа
Ключевые слова: перспективная космонавтика, гипогравитация Марса, гемодинамика, автоматизированный эксперимент, эмпирические и теоретические модели
Введение
«Федеральная космическая программа на 2016 - 2025 годы» предусматривает переход от орбитальных полётов, выполняемых на Международной космической станции
(МКС), к межпланетным экспедициям, получившим наименование «Дальний Космос». В программе ставится задача длительного пребывания экипажей на поверхности Луны и Марса с выполнением значительного объёма научных исследований. Аналогичные программы приняты в США, Китае и ряде других стран. Необходимо отметить, что переход от орбитальных полётов к освоению дальнего Космоса сопровождается не только количественными, но и качественными изменениями, а имеющийся более чем полувековой опыт пилотируемой космонавтики оказывается недостаточным [1] - [5], [7]
Из всего многообразия новых факторов, связанных с изменением среды обитания, отметим четыре, наиболее важные в контексте данной статьи. Во-первых, длительное (20 и более суток) пребывание в специфическом по структуре и напряжённости силовом поле, каковым является гипогравитация и которое отсутствует не только на Земле, но и на МКС. Во-вторых, эпизодическое пребывание в скафандре при внекорабельной деятельности на МКС с многосуточным перерывом преобразуется в каждодневную и длительную процедуру. В-третьих, существует проблема преодоления сопротивления скафандров, известная как «эффект волейбольного мяча» В-четвёртых, в отличие от МКС, возвращаются функции нижних конечностей как опорно-двигательного аппарата. На фоне «ослабленной», малоизученной гемодинамики и противодействия со стороны скафандра становится проблематичным обеспечение высокой работоспособности членов экипажей в течение длительного времени и их перемещений по поверхности планет на значительные расстояния.
Как следствие указанных и им подобных факторов, существенно возрастает актуальность исследований, направленных на получение новых знаний о реакции жизненно важных органов человека и их адаптации к качественно новой среде обитания для последующей модернизации программ подготовки экипажей и создания новых тренажёров.
В этой связи представляется актуальной задача о выявлении закономерностей отклика периферической гемодинамики (давление, скорость кровотока) на величину и направление действия гравитационной нагрузки. Специалистами самарских вузов разработана мультиагентная технология решения указанных задач, ориентированная на широкий круг пользователей и, прежде всего, специалистов по пилотируемой космонавтике и восстановительной медицине (лечение ишемий нижних конечностей) [6]. Её составной частью является автоматизированная система обработки информации и управления, состоящая из Ехсе1-интерфейса и специализированной системы измерения, изложению основных положений которой и результатам её применения посвящена данная статья.
Постановка задачи
Объект исследований: даталогическая и инфологическая модель потоков данных, формирующихся при реализации комплексной технологии исследования периферической гемодинамики, предложенной самарскими специалистами и основанной на теории распределённых четырёхполюсников.
Предмет исследований: автоматизация процессов обработки медико-технической информации, сопровождающей проблемно-ориентированные эксперименты.
Методы исследований: натурные эксперименты; системный, статистический и регрессионный анализ; компьютерное моделирование.
Цель исследований: разработка автоматизированной системы обработки информации, полученной при комплексном, междисциплинарном и мультиагентном исследовании отклика периферической системы кровообращения на вариации величины и направления воздействия гравитационной нагрузки в задачах космической, восстановительной медицины, отбора и подготовки космонавтов.
Пользователи: врачи космической и восстановительной медицины (гравитационная терапия), инструкторы Центра подготовки космонавтов, аспиранты, ординаторы, студенты медицинских и технических вузов
Задачи исследований
1. Разработка концепции проблемно-ориентированной автоматизированной системы обработки информации и управления (АСОИУ).
2. Разработка и программная реализация алгоритмов автоматизированной обработки информации, выполняемой в темпе исследований с построением эмпирических и теоретических моделей периферической гемодинамики в расширенном, по сравнению с медицинской практикой, перечне анализируемых параметров.
3. Апробация АСОИ в условиях медицинского учреждения на реальной информации практикующими врачами.
1. Концепция проблемно-ориентированной АСОИУ
Основу концепции составляют следующие восемь принципов
A) Короткорадиусная центрифуга и наклонная плоскость как инструмент управления величиной и направлением внешнего гравитационного воздействия на организм человека в наземных условиях, осуществляемого изменением угла наклона плоскости (а) или ротора центрифуги относительно горизонта с использованием известных в теоретической механике (ТМ) положений о разложении вектора силы тяжести.
Б) Поза «ортостаз» (а = + 90 град) как базисный режим воздействия (норма), относительно которого определяются смещения гемодинамических показателей. В соответствии с законами ТМ и подходами, принятыми в космической медицине, имитация факторов гипогравитации Марса достигается при а = + 22 град, а невесомости - при а = - 6 град.
B) Комплексные, междисциплинарные исследования скрытых закономерностей кровообращения в артериях нижних конечностей средствами допплерографии (распределение скоростей потока) и кардиологии (распределение артериального давления
(АД)) как реализация метода распределённых четырёхполюсников, принятых в гидромеханике и акустике.
Г) Информационная совместимость со стандартными методами УЗДГ, достигаемая регистрацией общепринятых показателей кровотока: RI, ED, PS, S/D, ЧСС (перечень обозначений приведён в приложении).
Д) Расширенный перечень измеряемых параметров с добавлением периода пульсовой волны (автоколебания), перепада давления по схеме «рука - лодыжка» с вычислением лодыжечно-плечевого индекса (ЛПИ) и среднего артериального давления (АДср).
Е) Автоматическая обработка информации в темпе эксперимента статистическими методами с определением средних значений и стандартного отклонения и их выдачей в виде таблиц и графиков.
Ж) Автоматический синтез теоретических моделей в форме уравнений регрессий.
З) Доступность пользователям с начальной подготовкой по Windows технологиям (ЭП Excel)
2. Выбор среды программирования
В качестве среды программирования выбран ЭП Excel по ряду оснований, в числе которых, его распространённость в медицинских учреждениях; доступность; наличие графических средств и встроенных функций, необходимых для статистического и регрессионного анализа; удобство модернизации и добавления функций; относительно невысокая стоимость программирования; возможность привлечения студентов к разработке и отладке интерфейса с освоением наукоёмких технологий. Действия врача сведены к заполнению таблиц исходных данных и получению готовых результатов (раздел 3). В соответствии с методикой исследований, предусматривающей три режима гравитационной нагрузки (три угла установки а), таблица исходных данных (даталогическая модель входных потоков) состоит из трёх идентичных фрагментов.
В качестве примера на рис. 1 представлен один из фрагментов, относящийся к режиму «ортостаз» (норма). Таблица состоит из пяти областей, отличающихся содержанием и типом вводимой информации. Область 1 предназначена для ввода учётных данных пациентов: фамилия, имя, отчество, рост, вес на земле. Вес на планете Марс вычисляется автоматически.
В область 2 помещаются результаты измерения АД по схеме «рука - лодыжка», и автоматически вычисляются ЛПИ и АДср.
Области 3 - 5 отводятся для внесения данных как стандартного УЗДГ обследования с доступом в трёх точках (см. пункт Г) раздела 1), так и дополнительных параметров, которыми являются период пульсовой волны At и ЧСС. Для измерения At в аппаратуре применён режим двух маркеров. В целях сокращения изложения, фрагменты таблицы, относящиеся к режимам «Марс» и «невесомость», не приводим, т. к. они аналогичны рассмотренному (рис. 1).
В программе широко применяется трёхмерная (постраничная) структура Excel. Предусмотрены три группы страниц. Первая из них предназначена для ввода и сохранения исходных данных. Учитывая их многообразие (три режима воздействия, распределения давления и скорости кровотока), для удобства и наглядности каждому из испытуемых отводится отдельная страница. Её имени присваивается фамилия.
Во второй группе страниц выводятся промежуточные результаты обработки. Её назначение - контроль достоверности вычислений. Третья, основная группа содержит результаты обработки в виде эмпирических и теоретических моделей, представленных в виде таблиц, графиков и уравнений регрессий.
В экспериментах приняли участие 4 здоровых добровольца мужского пола в возрасте 21-22 года, ростом 164-175 см, весом от 60 до 68 кг, что соответствовало весу на планете Марс 24 - 27 кг. Получен значительный объём новых знаний о влиянии величины и направлении действия гравитационной нагрузки на распределение давления и скорости кровотока в периферических артериях.
На рис. 2 приведен типовой пример экрана с результатами обработки. Экран состоит из двух областей. В верхней части экрана выводятся три группы таблиц результатов статистической обработки, соответствующие трём режимам испытаний (Земля, Марс, невесомость).
В нижней части экрана автоматически строится зависимость интересующего параметра от гравитационной нагрузки, которая представляется в косвенной форме как Sin а. Выбор аргумента обусловлен двумя основными факторами. Прежде всего, в отличие от силы тяжести, угол а не зависит от индивидуальных данных испытуемого, т. к. он определяется исключительно объектом моделирования (Земля, Марс, невесомость). Кроме того, было учтено известное в механике положение, согласно которому
А В С D Е F G Н 1 J
1 Сводка исходных данных по ЛПИ
2
3
4 "Ортотз" мпогрмитзциЦ+22 град Нексомопъ(-6 град)
5 Юядвшвв 1,56 Юлдяшев 1,1В Юлдашёв 1,07
Шодиев 1,91 Шодиев 1,59 Шодиев 0,97
7 Шарипов 1,34 Шарипов 1,43 Шарипов 1,20
8 Бабаев 2,14 Бабаев 1,22 Бабаев 1,02
9
10 sin 1 sin 0,374 sin ■0,104
11 сред 1,36 сред 1,35 сред 1,07
12 о 0,24 о 0,19 а 0,10
13 М + о 2,10 М+о 1,55 М+а 1,17
14 М-р 1,S2 М -о 1,16 Ми 0,97
15
16
17
18
19
20 21 22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Зависимость ЛПИ от величины гравитационной нагруки
Рис. 2. Типовой пример результатов автоматизированной обработки данных
Рис. 1. Фрагмент таблицы исходных данных (обозначения приведены в приложении)
именно Sin а определяет вектор силы, направленной вдоль наклонной плоскости и который применён для моделирования вариации силы тяжести. Подобный выбор позволил исключить процедуру нормирования аргумента.
3. Результаты апробации
Как следует из рис. 2, ЛПИ, а он характеризует перепад давления крови по схеме «рука - лодыжка», существенно зависит от величины гравитационной нагрузки. Переход испытуемых от состояния ортостаз (норма) к невесомости сопровождается существенным снижением ЛПИ от значений 1,86 до 1,02. Режиму «Марс» соответствует значение 1,35. Таким образом, состояние гемодинамики по параметру ЛПИ в условиях поверхности Марса ближе к невесомости, т. е. к патологии, чем к норме.
Полученные результаты следует принять во внимание и продолжить исследование проблемы. Что касается причин падения ЛПИ, то они обусловлены снижением АД в конечностях, вызванным уменьшением гравитационной нагрузки.
Представляет интерес анализ стандартных для УЗДГ параметров. В качестве примера на рис. 3 приведена графическая зависимость индекса резистентности RI подколенной артерии от Sin а. В целях наглядности и сокращения изложения, таблицы результатов, сформированные интерфейсом (аналог таблиц, представленных на рис. 2), и разброс параметра не приводим.
Как следует из рис. 2, 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.
Что касается механизма явления, то он требует дополнительного изучения. В качестве рабочей, принята гипотеза об изменении упругости артерий, которая, как известно, зависит от уровня давления, который, в свою очередь, определяется гравитационной нагрузкой.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что согласно медицинским стандартам, УЗДГ конечностей выполняется в позе «лёжа», которой для данной категории испытуемых соответствует RI = 0,75 (точка с абсциссой Sina = 0), что, как и в случае с вариацией давления (ЛПИ), ближе к невесомости, чем к норме. К числу важных достоинств предлагаемого интерфейса относится автоматический синтез теоретических моделей в виде уравнений регрессий. Так, например, уравнение регрессии RI на Sin a имеет вид (рис. 3)
y=0,090 х2 -0,2020 x+0,748, где x = Sina, y = RI.
В качестве примера применения регрессии определим ожидаемое RI для лунных условий. Так ускорение свободного падения на поверхности Луны в 6 раз меньше земного, то Sin a = 0,167. После его подстановки в уравнение регрессии получим y = RI = 0,714. Отметим два важных обстоятельства. Во-первых, получены новые знаний (прогноз гемодинамических параметров) применительно к условиям Луны. Во-вторых, получена значительная экономия трудозатрат и времени специалистов за счёт сокращения числа дорогостоящих экспериментов. Аналогичным образом выполняется обработка остальных параметров.
Выводы
1. Разработана и представлена в виде таблиц и графиков инфологическая модель информационных потоков, формирующихся при исследовании скрытых механизмов гемодинамики в условиях модельной гипогравитации Марса и невесомости. Установлена целесообразность автоматизации процессов обработки информации.
2. Разработана концепция АСОИУ медицинского назначения, состоящая из восьми основных пунктов, главный из которых - автоматический синтез эмпирических и теоретических моделей гемодинамики в темпе испытаний.
3. В качестве среды программирования применён ЭП Excel по ряду оснований, в числе которых - его широкое распространение в медицинских учреждениях; доступность; наличие графических средств и встроенных функций, необходимых для статистического и регрессионного анализа; удобство модернизации и добавления функций; возможность привлечения студентов к разработке и отладке интерфейса с освоением наукоёмких технологий.
4. Разработаны алгоритмы и подходы к автоматическому синтезу эмпирических и теоретических моделей периферического кровотока с применением встроенных в Excel инструментальных средств. Действия пользователей состоят в заполнении таблиц исходных данных и получению результатов.
5. Система апробирована практическими врачами в условиях городской больницы на реальной информации и показала высокую эффективность. Подтверждено достижение главной цели, заключающейся в синтезе эмпирических и теоретических мо-
Рис. 3. Зависимость М от величины гравитационной нагрузки. Пример уравнения регрессии
делей в темпе испытаний.
6. Получены новые знания о скрытых механизмах периферической гемодинамики. В частности, установлено, что перепад АД по параметру ЛПИ на режиме «Марс» составляет 1,35, что значительно ниже нормы (1,86; поза «ортостаз»). Индекс RI подколенной артерии при аналогичной смене нагрузки возрастает от 0,636 до 0,685, а на режимах модельной невесомости становится равным 0,77.
7. Синтезированы в автоматическом режиме теоретические модели гемодинамики в виде уравнений регрессии. Приведён пример применения регрессионного анализа к прогнозированию состояний гемодинамики применительно к модельной гравитации Луны. Как результат, получены новые знания и значительная экономия трудозатрат и средств за счёт сокращения количества дорогостоящих экспериментов.
Авторы считают, что новизну представленных исследований определяют следующие позиции.
* Разработан не имеющий ближайших аналогов проблемно-ориентированный интерфейс врача, осуществляющего мультиагентный подход к выявлению скрытых механизмов гемодинамики в условиях модельной гипогравитации и невесомости.
* Сочетание в одной программной среде эмпирических и теоретических моделей и их автоматический синтез в темпе экспериментов.
* Расширенный по сравнению с клинической практикой перечень измеряемых параметров с добавлением перепада давления (ЛПИ), АДср (рука, нога) и периода пульсовой волны At.
* Выбор Sin а в качестве универсального аргумента, характеризующего гравитационную нагрузку и не требующего нормировки.
Приложение. Список обозначений, сокращений и формул
АД - артериальное давление
САД - систолическое артериальное давление
ДАД - диастолическое артериальное давление
АДср - среднее артериальное давление АДср = ДАД + (САД - ДАД) / 3 ЛПИ - лодыжечно-плечевой индекс ЛПИ = САДн / САДр, где индексы «р», «н», соответственно рука и нога (лодыжка)
PS - пиковое значение скорости при систоле ED - конечная диастолическая скорость RI - индекс резистентности ЭП - электронный процессор. Пример: Excel ЧСС - частота сердечных сокращений
а - угол установки наклонной плоскости относительно горизонта At - период собственных колебаний скорости кровотока
Литература
1. Газенко О.Г., Григорьев А.И., Егоров А. Д. От 108 минут до 438 суток и далее...(к 40-летию полета Ю. А. Гагарина) // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001. Т. 35. № 2. С.10-11.
2. Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф., Лукьянюк В.Ю. Проблема создания искусственной силы тяжести с помощью центрифуги короткого радиуса для медицинского обеспечения межпланетных пилотируемых полетов // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2003. Т. 37. № 5. С. 36-39.
3. Падалка Г.И., Долгов П.П., Киршанов В.Н. Задачи подготовки космонавтов на центрифугах по перспективным космическим программам // Материалы «Космического форума 2011, посвященного 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина». - ФГБУ НИИЦПК, 18-19 октября 2011.
4. Долгов П.П., Киршанов В.Н., Чудинов А.П. Основные направления работ на центрифугах и их целевого применения // Материалы XI Международной научно-практической конференции «Пилотируемые полёты в космос», посвященной 55- летию ФГБУ НИИЦПК имени Ю. А. Гагарина, 10-12 ноября 2015. С. 267-268.
5. Акулов В.А. Анализ и синтез систем медицинского назначения с управляемой искусственной силой тяжести // дисс. докт. наук, Самара: 2013, 252 с.
6. Галкин Р.А., Макаров И.В. Гравитационная терапия в лечении больных облитирирую-щими заболеваниями артерий нижних конечностей. Самара, 2006. 198 с.
7. Zander V., Anken R. Short radius Centrifuge - A New approach for Life Science Experiments Under Hyper-g Conditions for Application in Space and Beyond / Recent Patents on Space Technology. 2013. 3. P. 74-81.
Excel- interface on problems of gravitational physiology
Kuznechenkova E., student, Samara State Technical University Sudakova O., student, Samara State Technical University
Akulov Vladislav Alexeevich, Doctor of Technical Sciences, Professor of the chair of information technologies
An Excel interface was designed to study the regularities of response of peripheral hemodynamics to the variation of gravitational load, which is actual in the tasks of prospective cosmonautics and reconstructive medicine. Synthesis of empirical and theoretical models of arterial blood circulation based on statistical and regression analysis is carried out at the time of testing
Key words: prospective cosmonautics, Mars hypogravity, hemodynamics, automated experiment, empirical and theoretical models
УДК 004.03
КОМПЛЕКТОВАНИЕ ЗИП СИСТЕМ В ЗАЩИЩЕННОМ ИСПОЛНЕНИИ
Александр Иванович Гаранин, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., e-mail: [email protected], Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наук (ФИЦ ИУ РАН), https://www.frccsc.ru,.
В статье предложено сократить время восстановления отказавших технических средств информационно-телекоммуникационной системы в защищенном исполнении, за счет изменения номенклатуры и количественного состава ЗИП.
Ключевые слова: система в защищенном исполнении, время восстановления, запасное имущество и принадлежности
Анализ, обобщение и оценка опыта работ по техническому надзору за информационно-телекоммуникационными системами в защищенном исполнении (ИТС ЗИ) показывают, что время ремонта технических средств (ТС) ИТС ЗИ во многом зависит от требований по защите информации.
Основные особенности организации восстановления работоспособности отказавших технических средств ИТС ЗИ заключаются в следующем [1 с. 4]:
- все комплектующие, используемые для ремонта ТС, должны предварительно пройти специальную проверку (СП);
- комплексы технических средств, на которых проводились ремонтные работы с заменой отказавшего оборудования на аналогичное, должны пройти специальные исследования (СИ);
- протоколы проведенных проверок и исследований высылаются в экспертную организацию для анализа результатов проведенных проверок и исследований и выдачи заключения (предписания на эксплуатацию).
