CC BY
64
УДК 681.52
модель принятия решений при диагностике воспалительных процессов организма по виду интоксикации ионами НБ- и Fe2+
Г. А. Машевский,
ассистент З. М. Юлдашев,
доктор техн. наук, профессор
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Рассматривается возможность использования Pt- и Ag2S-электродов для контроля развития воспалительных процессов в организме человека, связанных с интоксикацией организма ионами HS- и Fe2+, а также электрохимическая модель работы данных электродов в присутствии сульфгидрильных соединений. Предложена модель принятия решения по виду интоксикаций, а также алгоритм распознавания данных патологий.
Ключевые слова — система мониторинга, ионометрия, диагностика воспалительного процесса, математическая модель.
Введение
В практической медицине сегодня прилагаются значительные усилия для решения проблемы опережающего распознавания различных патологий, а также проведения контроля лечения пациентов.
Интоксикации организма ионами НФ- или Fe2+ являются распространенными формами послеоперационных осложнений, способными существенно затруднить процесс послеоперационной реабилитации пациента, а в тяжелых случаях — привести к летальному исходу. Механизм токсического действия гидросульфид-аниона (НФ) подобен цианиду (С^) и угарному газу (СО) и заключается в комплексовании атома меди в цитохроме А митохондрий, приводящему к его ингибированию. Результатом этого становится невозможность генерировать АТФ и накопление восстановителей в цепи переноса электронов в митохондриях. Избыток Fe2+ при воспалении приводит в действие белковый механизм острой фазы, который ограничивает поступление Fe в ткани и снижает его доступность для микроорганизмов, улавливает и транспортирует в макрофаги этот элемент. Данный механизм также связан с разрушением цитохромов, содержащих Fe. Патологические отклонения организма, вызванные повышением концентрации Fe2+, при лечении онко-
логических больных составляют одну из наиболее часто встречающихся форм осложнений (28,4 % из 1364 контрольных измерений). Указанные интоксикации часто сопровождают развитие в организме воспалительного процесса, следовательно, появившиеся в моче ионы НФ- или Fe2+ становятся его маркерами. Таким образом, решение задачи разработки методики диагностики и лечения интоксикации организма ионами гидросульфида и двухвалентного железа позволит повысить эффективность клинического сопровождения пациентов. Данная проблема была рассмотрена нами в рамках исследования по созданию метода и системы мониторинга состояния водносолевого обмена пациента в постоперационный период [1, 2].
Теоретические исследования
В основе возможности потенциометрического контроля лежат реакции твердокристаллического Ag2S- и Р1;-электродов в присутствии ионов НФ-или Fe2+. Контроль мочи с помощью Ag2S-электро-да в присутствии сульфгидрильных компонентов основан на электрохимических реакциях
2Ag0 + Ф2- ^ Ag2S +2е- (1)
2Ag0 +НФ- + ОН- ^ Ag2S +Н2О + 2е- (2)
Электродные функции для этих реакций соответственно описываются уравнениями
ф1 = -0,688 - 0,029№2-] [В]; (3)
ф2 = -0,282 - 0,029^[НФ] - 0,029рН [В]. (4)
Ag2S-электрод является классическим электродом для определения концентрации сульфидных и гидросульфидных ионов, что определяется произведением растворимости Ag2S (10-51).
Контроль с помощью платинового электрода возможен благодаря окислительно-восстановительным системам, присутствующим в компарт-ментах человеческого организма. В частности, для описанного выше случая redox-система определяется электрохимическими уравнениями
Ф2- ^ Ф0 + 2е- (5)
НФ- + ОН- ^ Ф0 + Н2О + 2е- (6)
которым соответствуют электродные функции
ф3 = -0,480 - 0,029^2-] [В]; (7)
ф4 = -0,074 - 0,029^[НФ] - 0,029рН [В]. (8)
Результатом решения полученной системы уравнений является выражение, отражающее связь между потенциалами электродов:
Е^2Ф) = -208 + Е(Р^. (9)
Отклонения от данной зависимости свидетельствуют о присутствии в биосубстрате других сильных восстановителей помимо ионов гидросульфида, прежде всего ионов Fe2+. Таким образом, существует возможность построить, опираясь на зависимость (9), методику распознавания видов интоксикации.
В теории оксредметрии [3, 4] известно, что обратимые органические окислительно-восстановительные системы проявляют одно общее свойство: их окислительный потенциал определенным образом зависит от рН. В результате исследования на большом статистическом массиве выявлена линейная зависимость для здорового организма:
ЕР = 202,56 - 33,48рН. (10)
Поэтому физиологическое значение имеет не абсолютное значение электродного потенциала, а его отклонение от величины (10):
ДР1 = Р^акт - (202,56 - 33,48рН) [мВ]. (11)
Сопоставляя значения данной величины с показаниями Ag2S-электрода, можно провести распознавание таких опасных патологий, как НФ--интоксикация и интоксикация катионами Fe2+.
Таким образом, при анализе результатов измерений при мониторинге больных с подозрением на воспалительный процесс следует оперировать не абсолютными значениями потенциалов, а значениями отклонений от зависимости (9):
ДрФ = EAg2SфаKT - (-208 + PtфаKT) [мВ]. (12)
Если эта величина меньше нуля, то имеет место интоксикация организма ионами НФ-. При значениях потенциала Ag2S больше -300 мВ патологии не наблюдается (концентрация НФ-в пределах нормы):
ДРБ = Е^д, измер - (-208 + ЕР^ измер) >
> 0 ^ Fe2+-интоксикация; (13)
ДрФ = EAg2S, измер - (-208 + ЕР^ измер) -
< 0 ^ НФ--интоксикация
при EAg2S, измер < -300 мВ. (14)
Присутствие в моче Fe2+ подтверждено качественной реакцией по методике Лурье [5]. Розовое окрашивание образца мочи наблюдается только после его подкисления HNOз, добавки Н2О2 ^е2+ ^ Fe3+) и NH4NCS. Здесь уместно отметить, что содержание железа в моче очень мало — 0,7-5,7 нмоль/сут (0,04-0,3 мкг) [6], и это количество не может быть уловлено обычными методами. Такая возможность контроля появляется только после приема железосодержащих препаратов или комплексообразователя, который способствует выведению железа с мочой.
Известно, что при изменении рН субстрата изменяется диссоциация FeS-протеиновых комплексов. При высоких значениях водородного показателя в контролируемой среде появляются ОН- и наблюдается денатурация белков, которую мы можем зафиксировать по появлению сульфидных ионов в моче с помощью Ag2S-электрода. Поэтому основу эксперимента составляло титрование проб мочи с помощью раствора №ОН.
Анализ результатов экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования проводились на базе городской больницы № 26 Санкт-Петербурга. Всего было обследовано 1884 чел., проанализировано 7785 проб мочи, из них 1242 измерения относятся к обследуемым, считающим себя здоровыми, 2432 измерения выполнены для пациентов с распространенными форма-
ми ракового заболевания, 120 зафиксировано для пациентов с летальным исходом. Для измерений были использованы следующие электроды: электрод рН-селективный: Е = 380 - 56,5рН; Ag2S-электрод: Е = -688 - 29^[Ф-2]; Pt-электрод: Еpt = 201,8 - 33,4рН; электрод сравнения ЭВЛ-1М1 (ЗИП, Гомель). Для измерений использовались пробы мочи, параллельно велся учет данных анамнеза и характера проводимой терапии.
Классификация измерений была выполнена при помощи нейронной сети Кохонена формата 37 х 4. Для интерпретации результатов полученная топологическая карта была подвергнута факторному анализу. На рис. 1 представлена проекция полученного четырехмерного пространства на плоскость ^1-^4, на которую также нанесены проекции векторов исходных параметров. Можно видеть, что нейроны, характеризующиеся наличием НФ-- или Fe2+-интоксикации, группируются в две непересекающиеся области. Из рисунка также видно, что все нейроны с данными патологическими отклонениями лежат в области низких значений как для Ag2S-электрода, так и для
Р^электрода. Разделительная линия, проведенная на рисунке, является весьма условной, поскольку, как показали наши дальнейшие исследования, имеется единство этиологии воспалительных процессов, и такой границы теоретически не существует.
Сходная картина была получена по результатам анализа экспериментального массива с помощью сети Коханена формата 20 х 5 с архитектурой СОКК 8:8-100:1. Нейроны 0, 1, 16, 20, 21, 88 отражают интоксикацию, связанную с катионами Fe2+, а нейроны 17, 22, 28, 40, 41 - НФ--инто-ксикацию. Совместное расположение этих нейронов на плоскости «Pt - Ag» представлено на рис. 2. На рисунке хорошо прослеживается разделение наблюдений теоретической линией по модели (9), хотя и отмечается некоторое отклонение в области высоких значений потенциалов электродов.
Исследование функциональных связей между выходной функцией ДрФ и входными параметрами №, рН, Ag2S выполнено с помощью ОРНС 3:3-495-2-1:1. Исследованный массив составил 987 наблюдений, непосредственно связанных с воспалительными процессами, диагностированны-
■ Рис. 1. Проекция многофакторного пространства на плоскость ^ 1-^4, отражающая расположение нейронов воспалительного процесса
Scatterplot (date_04_07_gleb_snn_Cl_prin.sta6_patol 24v*172c) AG_COR = -210,3831+4,2956*х+0,0266*х"2+6,3028Е-5*х"3+5,2732Е-8*х"4
-50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 -500
РТ
■ Рис. 2. Характеристика Ее2-- и HS--интоксикации по расположению нейронов на плоскости «Pt - Ag»
ми с помощью Р1-, Ag2S-электродами и рН. Критерием сортировки исходного массива принято значение Р^электрода < -50 мВ. Результаты модели представлены в табл. 1.
Результаты анализа чувствительности по входным параметрам даны в табл. 2, оценки регрессии — в табл. 3.
Представленная на рис. 3 поверхность отклика проявляет главные особенности развития интоксикации в ходе воспалительного процесса. В области ацидоза развивается Ее-интоксика-ция, в области алкалоза — HS-интоксикация. Снижение натриевого потенциала увеличивает вероятность развития воспалительного процесса типа Ее-интоксикации.
Результаты выполненных исследований позволили предложить алгоритм распознавания и лечения данной патологии (рис. 4), основанный на только что приведенных теоретических предпосылках.
■ Таблица 2. Анализ чувствительности — 2 (date HS_Fe_patologij_cor-50_St6.sta)
Характеристика № pH А&2Й
Отношение 1,15 1,30 1,45
Ранг 3 2 1
■ Таблица 3. Регрессия (2) (date_HS_Fe_patologij cor-50_St6.sta)
Характеристика Значение
Среднее данных 60,60
Статистическое отклонение данных 150,11
Среднее ошибки -0,70
Статистическое отклонение ошибки 104,75
Среднее абсолютной ошибки 71,71
Отношение статистического отклонения 0,70
Корреляция 0,72
■ Таблица 1. Подробные результаты моделей (date_HS_Fe_patologij_cor-50_St6.sta)
Архитектура Производительность обучения Контрольная производитель- ность Тестовая производительность Ошибка обучения Контрольная ошибка Тестовая ошибка Примечания Входы е 3 Ен 3 р к о Скрытые (2)
ОРНС 3:3-495-2-1:1 0,39 0,90 0,91 0,003 0,006 0,006 3 495 2
ДpS
400
300
200
100
0
-100
Fe-интоксикация
HS-интоксикация
6
pH
9
10 90
■ Рис. 3. Поверхность отклика модели интоксикации ОРНС 3:3-495-2-1:1
Начало
Измерение параметров объекта мониторинга
Конец
■ Рис. 4. Алгоритм диагностики и лечения интоксикаций организма ионами НБ- и Ее2+
В алгоритме учтена возможность протекания у пациента воспалительного процесса в форме НБ-интоксикации либо интоксикации катионами Ее2+. Соответственно, проводится дифференциация этих двух состояний на основе значений параметра АрБ с последующим уточнением окончательного диагноза. Если АрБ < 0 и ЕА§ 8 > -300, делается вывод об отсутствии у пациента патологии. Дополнительно учитывается присутствие факторов, способных оказать влияние на показания электродов: прием пациентом железосодержащих препаратов (в случае если АрБ > 0) либо наличие у пациента цистита или цистэктомии (в случае если АрБ < 0 и ЕА^8 < -300).
Заключение
В результате выполненных исследований была предложена электрохимическая модель принятия решений по виду интоксикации организма ионами НБ- и Ее2+, основанная на реакции Р1-и А§2Б-электродов в присутствии сульфгидриль-ных соединений. Достоверность предложенной модели была подтверждена экспериментально. На основе модели был разработан алгоритм распознавания интоксикаций, учитывающий возможность наличия у пациента сопутствующих патологий и содержащий рекомендации по возможным способам их лечения. Предложенные модель принятия решений и алгоритм распознавания интоксикаций позволяют повысить эффективность послеоперационного сопровождения пациентов.
Литература
1. Машевский Г. А. Исследование влияния ионов фторида и фосфата на состояние организма человека с помощью LaЕз-электрода // Биомедицинская радиоэлектроника. 2010. № 11. С. 69-73.
2. Машевский Г. А., Юлдашев З. М. Оценка энергетического потенциала организма человека по данным ионометрии мочи // Биомедицинская радиоэлектроника. 2009. № 11. С. 40-44.
3. Михаэлис Л. Окислительно-восстановительные потенциалы и их физиологическое значение. — М.: ОНТИ. Гл. ред. хим. лит., 1936. — 284 с.
4. Никольский Б. П., Пальчевский В. В., Пенжин А. А. и др. Оксредметрия. — Л.: Химия, 1975. — 304 с.
5. Лурье Ю. Ю. Унифицированные методы анализа вод. — М.: Химия, 1973. — 376 с.
6. Анализы. Полный справочник. — М.: Эксмо, 2008. — 767 с.
