Автореферат и диссертация по медицине (14.00.13) на тему:Гемодинамический резерв и формирование ишемического поражения мозга

11а правах рукописи

Г Г Б ОД

П о "« - -

и .

МКРТЧЯН Минас Сергеевич

ГЕМОДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЗЕРВ И ФОРМИРОВАНИЕ ИШЕМИЧЕСКОГО ПОРАЖЕНИЯ МОЗГА ( нейросетевой анализ)

14.00.13 - Нервные болезни

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Сапкт-11стербург 2002

Работа выполнена в Военно-медицинской академии имени С.М. Кирова

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -

доктор медицинских наук доцент Г.Ф. СЁМИН

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук профессор Б.А. ОСЕТРОВ доктор медицинских наук Е.г. КЛОЧЕВА

Ведущее учреждение - Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени акад. И.П. Павлова

Защита диссертации состоится " 3 " июня 2002 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 215.002.04 в Военно-медицинской академии имени С.М. Кирова

(194044, Санкт-Петербург, ул. Акад. Лебедева, дом 6).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова.

Автореферат разослан " апреля 2002 года. . 0

V

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор медицинских наук профессор

В.К. ШАМРЕЙ

Г и

1 о

Т' I/

- )

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАГ.ОТЫ

Актуальность исследования. Актуальность проблемы цереброваскуляр-ной патологии связана с драматическим ростом уровня заболеваемости инсультом, высокой смертностью и инвалидизацней. Смертность от инсульта в нашей стране стоит на втором месте (лосле кардиоваскулярных заболеваний) среди всех причин смерти населения, опередив в этом отношении онкологическую патологию (Карпов Ю.А., 2001). Расчеты, основанные на данных регистров, показывают, что в России ежегодно происходит более 400 тысяч инсультов, летальность при которых достигает 35% (Гусев Е.И., 1992; Курачицкий В.И., 1995; Виленский Б.С., 1999; Деев A.C., Захарушкина И.В., 2000; Гехт А.Б., 2000; Feigin V.L. et al, 2000 и др.). Ишемические формы ангиоцеребраль-ной патологии доминируют в структуре сосудистых заболеваний головного мозга (Акимов Г.А., ¡971; Виленский К.С., 1995; Гусев Е.И. с соавт., 1996 ).

В последние десятилетия достигнут несомненный про/ресс в раскрытии и понимании механизмов церебральной гемодинамики. Однако, предпринимаемые попытки рассмотреть развитие клинических форм цереброваскуляр-ной патологии или с позиций функциональной значимостью коллатерального кровотока (Гусев Е.И., Скворцова В.И., 2001; Савич В.И., 1987; Шмидт Е.В.. 1975 и др.) или артерио-артериальной и кардиальной эмболии (Гогин Е.Е. с соавт.. 1999; Колтовер А.!Г с соавт.. 1976; Кузнецов АЛ!.. 1997; Lassen N.A., 1983), цереброваскулярной реактивности (Иванов Ю.С., Семин Г.Ф., 1996; Молоков Д.Д., 1995 и др.), представляются фрагментарными и не привели к единому пониманию патогенеза церебральной ишемии. До настоящего времени не получено детального описания параметров гемодинамики и цереброва-скулярной реактивности во всей системе церебрального кровотока при различных стадиях недостаточности мозгового кровообращения.

В этой ситуации проведение углубленного доппдорографического анализа стадий развития церебральной ишемии в корреляции с данными нейрови-

зуализации и клиники, установление патогенетической и - прогностической значимости гемодинамического резерва, отражающего функциональные возможности кровообращения мозга, и разработка по данным допплерографии эффективной нейросетевой модели, описывающей поэтапное развитие ише-мического поражения мозга в зависимости от сочетания патогенных факторов, имеет важное значение.

Цель исследования - выявить характер изменений гемодинамического резерва на стадиях церебральной ишемии в зависимости от сочетания основных факторов этиологии и его значение для прогноза развития и течения заболевания

Задачи исследования:

- установить допплерографические паттерны стадий ишемического поражения мозга;

- дать морфологическую характеристику стадий ишемического поражения мозга по данным нейровизуализации;

- создать и обучить искусственную нейронную сеть для проведения классификации (дифференциальной диагностики) стадий ишемического поражения мозга на основании данных допплерографии;

- создать нейросетевую модель для индивидуального прогнозирования развития ишемического поражения мозга в зависимости от уровня гемодинамического резерва и сочетания основных этиологических факторов (возраст, атеросклероз, гипертоническая болезнь, состояние сердечной деятельности);

- определить диапазон изменения гемодинамического резерва для стадий церебральной ишемии.

Научная новизна. Проведен комплексный анализ клинических, доппле-рографических признаков и данных нейровизуализации на разных стадиях церебральной ишемии.

На основе развернутого допплерографического исследования больных с атеросклеротическим поражением магистральных артерий головы и основания

мозга"сформулированы допплерографические паттерны стадий ишемического поражения мозга.

Впервые создана и обучена искусственная нейронная сеть для решения классификационных задач по дифференциальной диагностике стадий ишеми-ческой болезни мозга.

Впервые создана эффективная прогностическая модель формирования стадийного развития церебральной ишемии в зависимости от факторов эшо-логии и патогенеза (возраста, атеросклероза, артериальной гипертонии, состояния сердечной деятельности - ударного объема) при изменении уровня гемодинамического резерва мозгового кровообращения.

Впервые по данным нейросетевой модели выявлены диапазоны изменения гемодинамического резерва каротидных бассейнов головного мозга, характеризующие стадии ишемической церсброваскулярной патологии, при различных сочетаниях этиологических и патогенетических факторах.

Основные поло жен и я, в ыносимые на защиту.

1. Ишемическое поражение мозга характеризуется стадийным изменением клинических, гемодинамичсских и морфологических признаков, отражающих тяжесть патологического процесса. Закономерность изменения их позволяет моделировать формирование стадий церсброваскулярной патологии в целях прогнозирования исхода заболевания.

2. Формирование стадий ишемического поражения мозга зависит от состояния гемодинамического резерва системы мозгового кровообращения и степени выраженности изолированного или сочетанного воздействия патогенных факторов.

3. Методы нейросегевого анализа церебральной гемодинамики позволяют проводить с высокой чувствительностью и специфичностью классификацию (дифференциальную диагностику) стадий ишемического поражения мозга и осуществлять прогнозирование течения заболевания в зависимости от

выраженности патогенных факторов и степени сохранности гемодинамиче-ского резерва мозгового кровотока.

Практическая значимость. Разработанные допплерографические паттерны, выявленные диапазоны изменения гемодинамического резерва каротидно-го бассейна могут иметь значение при определении стадий ишемического поражения мозга в целях экспертизы.

Разработана и апробирована нейросетевая модель прогнозирования степени риска развития ишемического поражения мозга у лиц с различной патологией, которая может быть использована, в частности, при ангиохирургиче-ских вмешательствах.

Нейросетевая модель может быть использована для определения эффективности проводимой терапии по изменению диапазона гемодинамического резерва мозгового кровообращения.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на конференциях: «Геронтология, гериатрия, послевоенная медицина» (Екатеринбург, 2002), итоговой научной конференции слушателей и клинических ординаторов Военно-медицинской академии (СПб, 2002), опубликованы в журналах: «Медицинская наука Армении» и «Эребуни».

Внедрение результатов работы. Методы нейросетевого анализа клинических и лабораторно-инструментальных данных обследования больных с острыми и хроническими нарушениями мозгового кровообращения внедрены в клинике нервных болезней Военно-медицинской академии и неврологическом отделении Центрального клинического военного госпиталя (г. Ереван).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов с практическими рекомендациями и приложения; изложена на 148 странице машинописного текста, содержит 33 рисунка, 19 таблиц. Библиография содержит 248 источников (154 на русском языке и 94 на иностранных).

СОДЕРЖАНИЕ РАКОТЫ

Материал и методы исследования. Материалом для исследования послужили результаты клинического и инструментального обследования 274 больных с хроническими и острыми формами ишемического поражения мозга, а также данные нейровизуализации 341 больного с цереброваскулярной патологией ишемического характеоа.

В клиническую группу вошли: 65 больных ДЭ 1 ст., 47 - ДЭ II ст., 32 -ДЭ III ст., 80 - ИИ (обследование проведено в первые 3 недели от начала заболевания), 50 - пИИ (сроки от 1 года до 9 лет). Контрольную группу составили 34 человека, не предъявлявших жалоб на состояние здоровья при диспансерном обследовании, без признаков выраженной соматической патологии и проявлений нарушений мозгового кровообращения.

Распределение больных по нозологическим группам производилось на основании классификации сосудистых заболеваний головною мои а. рекомендованной МИМ неврологии РАМН (Шмидт Е.В., 1985). Основным принципом отбора было наличие соответствующей клинической симптоматики, а также результаты дополнительных методов исследования.

Отбор больных в группу ИИ проводился с учетом критериев диагностики основных патогенетических подтипов ишемического инсульта по версии НИИ неврологии РАМН. Ее составили больные с клиническими признаками ) емодинамического инсульта (Суслина З.А., Верещагин Н.В., Пирадов М.А., 2001). Распределение больных по полу, возрасту и характеру заболевания представлено в таблице 1. Как видно из таблицы 1 имелась отчетливая тенденция к повышению частоты заболеваний после 45 лет. а также преобладание лиц мужского пола (188 и 86 соответственно).

Таблица 1

Распределение больных по полу, возрасту, нозологическим формам

Формы НМК N(чел) Число больных в возрастной г руппе

до 45 лет 46-60 лет старше 60 лет |

муж. жен. муж. жен. муж. жен. 1

абс % абс | % абс % абс % абс % абс % |

ДЭ I ст. 65 (23,9%) 4 1,6 3 | 1,1 21 7,7 11 4.0 18 6.5 8 2,9

ДЭ II ст. 47(17,3%) 8 2.9 4 1.5 18 6.6 6 2.2 7 2.5 4 1.5

ДЭ Шст 32(11,3%) - - 5 1.3 3 1.1 15 5.5 9 3.3

ИИ 80 (29,2%) 10 3,6 7 2,5 28 10,2 13 4.7 16 5.8 6 2.2

пИИ 50 (18.3%) 7 2,5 3 1.1 13 4.7 4 1,5 18 6.6 5 1.3

ВСЕГО: 274(100%) 29 10.6 17 6,2 85 31,0 37 13.5 74 27.0 32 11.7

ИЙ - ишемический инсульт; пИИ - последствия ишшемического инсульта

Диагноз заболевания устанавливался на основании детального клинического обследования, включавшего инструментально-лабораторные методы исследования: ультразвуковой допплерографии магистральных артерий головы и основания мозга, компьютерной и магнитно-резонансной томографии, исследования биохимических показателей ликвора и крови.

При исследовании соматического статуса изучали параметры системной гемодинамики, оказывающей существенное влияние на региональный мозговой кровоток. Оценивались интегральные показатели: артериальное давление, сердечный выброс (УО) и минутный объем кровообращения (МОК). По показателям систолического (АДС) и диастолического (АДД) артериального давления рассчитывались величины пульсового давления (ПД) и наиболее стабильного среднего динамического давления (СДД), которое в обычных условиях соответствует перфузионному

Комплексное обследование больных включало офтальмологическое исследование состояния сосудов глазного дна для оценки степени выраженности изменений, характерных для атеросклероза и гипертонической болезни.

Всем больным с цереброваскулярной патологией выполнялось электрокардиографическое исследование, которое позволяет выявить нарушение сердечного ритма, наличие гипертрофии миокарда, ишемических, рубцовых изменений его. Эти данные помогают судить о тяжести атеросклеротического

процесса"» артериальной гипсртензии и учитывались при отборе случаев для базы данных нейронной сети.

Комплекс биохимических исследований свидетельствовал о состоянии свертывающей системы крови, липидного обмена.

Церебральная гемодинамика оценивалась методом ультразвуковой доп-плерографии (УЗДГ) на аппаратах «Labodop» (Франция) и «Ангиодоп» (Россия) по стандартным методикам с применением датчиков 2, 4 и 8 МГц. Изучались: линейная скорость кровотока (JICK), индекс циркуляторного сопротивления (RI), характеризующий сопротивление кровотоку дистальнее места измерения; систоло-диастолический коэффициент (S/D) и пульсационный индекс (PI), отражающие упруго-эластические свойства артерий.

Анатомические особенности строения артериального круга большого мозга и возможности коллатерального кровообращения оценивались с помощью компрессионных проб (Никитин К).М..1987, 1995, 1997; Гайдар Б.В., 1 990; Михайленко A.A. с соавт.. 1994 и др.).

Абсолютное значение JTCK из-за его большой индивидуальной вариабельности имеет относительное значение. Более показательно выявление асимметрии ЛСК, свидетельствующее о наличии окклюзируюшего поражения магистральных артерий головы. В этих целях рассчшывался коэффициент асимметрии (КА) ЛСК.

Функциональное состояние пиальной сосудистой сети каротпдного бассейна оценивалось на основании анализа гемодинамических показателей в бассейне СМА до и после тест-нагрузок. Использовались тесты химической природы (гипсркапническая, и пшокапнически-гипероксическая пробы). В качестве гиперкапнического теста использовалась проба с произвольной задержкой дыхания (на обычном вдохе), а гигюкапнически-гипероксического -форсированное дыхание с частотой 30 раз в минуту в течение 30 с. Регистрировались средняя скорость кровотока в покое (V0), при гиперкапнической (V+) и гипокапнической (V- ) нагрузках. По результатам функциональных

проб рассчитывались коэффициенты реактивности Кр+, Кр- , а также индекс вазомоторной реактивности (ИВМР), который может рассматриваться как интегральный показатель компенсаторных, резервных возможностей системы (Гайдар Б.В., 1990; Гайдар Б.В. с соавт., 1998; Свистов Д.В. с соавт., 1998). Для оценки степени межполушарной асимметрии цереброваскулярной реактивности высчитывали коэффициенты асимметрии Кр+, Кр-, ИВМР.

Проведен анализ данных компьютерной и магнитно-резонансной томографии у 341 больного с различными формами ишемического поражения мозга. Магнитно-резонансная томография (МРТ) проводилась на аппарате «Magnetom Impact» фирмы «Siemens» (Германия) с напряжением поля 1,0 Т. Компьютерная томография (KT) осуществлялась на аппарате «Somatom-2» фирмы «Siemens» (Германия) по стандартной методике. Анализировались выраженность и распространенность атрофических изменений вещества мозга и гидроцефалии, величина, характер и локализация очагового поражения, наличие и степень атеросклеротического поражения магистральных артерий мозга.

Результаты обследования больных и анализа материала накапливались в электронной базе данных компьютера с помощью табличного редактора Microsoft Excel с последующим переводом в статистические пакеты STATISTICA, STATIST]CA Neural Networks.

Обработка материала по клинико-инструментапьным исследованиям проводилась с использованием прикладного статистического пакета STATISTICA в соответствии с рекомендациями по обработке результатов медико-биологических исследований на уровне значимости р < 0,05 (Григорьев С.Г., 1992 и др.).

Для решения задач классификации, прогнозирования и моделирования развития ишемического поражения мозга, в том числе нелинейного, использовали методы нейронных сетей (Горбань А.Н., Россиев Д.А., 1996; Горбань А.Н. с соавт., 1998; Speckt D.F., 1991; Carling А., 1992; Burke H.B., 1995). Ней-росетевой подход не связан с предположениями о возможных зависимостях

между изучаемыми показателями, он одинаково годится как для линейных, так и для сложных нелинейных зависимостей.

Для оценки эффективности работы нейронной сети использовались показатели чувствительности, специфичности и безошибочности (прогностично-

сти).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Решение задач, с использованием пейросетсвого анализа базируется на основных положениях и практике использования искусственных нейронных сетей (ИНС) в медицине и предусматривает пять этапов:

I этап - постановка задачи;

II этап - сбор клинических и инструментально-лабораторных данных для

нейронной сети;

III этап - создание и обучение нейронной сети;

IV этап - тестирование программы на примерах, не входящих в обучающую выборку;

V этап — моделирование влиянш меняющихся по степени и направлению факторов системной г регионарной гемодинамики на формирование шпемического поражения мозга.

Для построения искусственной нейронной сети использовался пакет прикладных программ Statistica Neural Networks v4.0e. фирмы STATSOFT.

Постановка задачи (I этан). Целью построения искусственной нейронной сети было решение двух основных задач: во-первых, проведения классификации (дифференциальной диагностики) нозологических форм ишемиче-ского поражения мозга на основании данных допплерографии, и, во-вторых, -путем создания эффективной прогностической модели установить значимость ИВ MP, как показателя гемодинамического резерва, для формирования ише-мического поражения мозга в условиях изолированного или сочетанного воздействия основных этиологических факторов, влияющих на состояние церебральной гемодинамики, в целях прогнозирования течения заболевания.

Сбор обучающих данных и характеристика клинического материала (II этап). Базу данных для построения и обучения нейронной сети составили результаты клинического и инструментального обследования 274 случаев заболеваний, включавших острые и хронические формы ишемической болезни мозга. Контрольная группа включала 34 человека, не предъявлявших жалоб на состояние здоровья и не имевших в анамнезе указаний на перенесенные сердечно-сосудистые заболевания. Проведенный анализ показал, что основными этиологическими факторами являлись: атеросклероз сосудов головного мозга (23,7%), гипертоническая болезнь (17,5%) и их сочетание (48,5%), вазомоторные дистонии (10,3%). Нарушение сердечного ритма (экстрасистолия, мерцательная аритмия, пароксизмальная тахикардия) наблюдались у 22,6% больных, а у 30,7% - ИБС.

Для решения поставленных задач проведен сравнительный анализ данных клинического, допплерографического и нейровизуального методов исследования больных с разной степенью выраженности ишемического поражения мозга. Полученные результаты позволили выявить ряд закономерностей, являющихся важными в понимании механизмов развития и течения церебральной ишемии.

Анализ состояния системной (табл. 2) и церебральной гемодинамики (табл. 3) установил, что на стадии ДЭ I ст. выявляется статистически значимая по отношению к контрольной группе асимметрия кровотока по сосудам каро-тидного бассейна (ВСА - 16,67 ± 3,24; р < 0.05; СМА - 18,75 + 2,37; р < 0.001; ПМА - 13,99 + 1,68; р = 0,05), задним мозговым артериям (14,19 ± 1,27; р < 0,05) и относительное снижение JICK, не достигающее статистической достоверности. Это свидетельствует о наличии атеросклеротического поражения артерий не достигающее гемодинамнческой значимости. Данные о состоянии компенсаторно-приспособительных реакций церебрального кровотока показывают, что уже на стадии ДЭ I ст. обнаруживается несовершенство системы ауторегуляции, проявляющееся снижением ИВМР (71,16 + 1.02; р < 0.001) по

сравнеиикГс"кш'Гтролем. с»илетельству юшее о недостаточности гсмодинами-ческого резерва. Одновременно выявляется достоверное снижение ударного объема сердца (45,27 ± 0.98; р = 0,05), указывающее на наличие у этих больных латентной сердечной недостаточности. По данным нейровизузлизашш для больных этой группы характерны незначительные дистрофические изменения мозговой ткани, проявляющиеся, в основном, легким или умеренно выраженным расширением субарахноидалышх пространсш и/или желудочков мозга (у 36 из 44 больных).

Таким образом, на этой стадии заболевания фактором, определяющим появление дистрофических изменений в ткани мозга, является несовершенство регуляции системной и церебральной гемодинамики, а в клинической картине заболевания превалируют функциональные нарушения.

Нарастание тяжести клинических проявлений сопровождается достоверным уменьшением Л CK, преимущественно в бассейне сонных артерий, с отчетливой асимметрией. У больных данной группы вследствие выраженного стеноза сонных артерий дефицит мозгового кровотока по сосудам каротидио-ю бассейна выражен значительно больше, чем в сосудах вертебрально-базилярного бассейна, а основным путём коллатерального кровоснабжения из-за высокой частоты встречаемости разобщения впллизиева круга в передних отделах являлся переток крови по задним соединительным артериям (ЗСА).

Анализ состояния компенсаторно-приспособительных реакций достоверно свидетельствуют о прогрессирующем снижении цереброваскулярной реактивности (до 32,08 г 2,35 при ИИ), идущее параллельно нарастанию тяжести ишемического поражения мозга, чю указывает на истощение резервов гемоциркулянии.

Дисциркуляторные церебральные нарушения развиваются на фоне стойкого снижения УО сердца (до 40,11 ± 1,97 при ИИ). Достоверно повышенное артериальное давление регистрируется у больных ДЭ 111 ст., ишемическим ин-

сультом или с последствиями перенесенного инсульта, то есть патогенное значение фактор артериальной гипертензии приобретает на более поздних стадиях ишемии мозга.

Данные нейровизуализации свидетельствуют о нарастании дистрофических изменений в тканях мозга. Если у больных ДЭ II ст. превалируют явления умеренной и выраженной гидроцефалии, а очаговые изменения представлены малыми очагами пониженной плотности или мелкими кистами, то у больных ДЭ III ст. и инсультом наряду с признаками выраженной гидроцефалии и множественными малыми или средними очагами пониженной плотности, мелкими кистами, выявляются большие и обширные зоны ишемии или крупные ликворные кисты (табл. 2). При этом, чем больше были выражены дистрофические изменения, тем выявлялись более низкие показатели гемоди-намического резерва, резче выражена асимметрия кровенаполнения мозга.

Таблица 2.

Выраженность морфологических изменений вещества мозга на разных стадиях ишемического поражения (п=341)

Характер и степень морфологических изменений ДЭ I ст (п=44) ДЭ II ст (п=75) ДЭ III ст (п=78) ИИ и Hilft (п=144)

Гидроцефалия легкая 24 (7,2%) 17(5,1%) 8 (2.4%) 9 (2,7%)

умеренная 9 (2,7%) 46(13,8%) 45(13,5%) 69 (20,7%)

выраженная 3 (0,9%) 12(3,6%) 25 (7,5%) 66(19,8%)

Очаги пониженной плотности малые 3 (0,9%) 21 (3,6%) 29(8.!%) 86 (25.6%)

средние - - 11 (3.3%) 27 (8,1%)

большие - - 2 (0.6%) 15 (4,5%)

обширные ' - - - 16(4.8%)

Лейкоараиоз 1 (0,3%) 5(1,5%) 3 (0.9%) 2 (0,6%)

Изменения отсутствовали 8 (2,4%) - - -

Критическое падение показателей ИВМР неопровержимо свидетельствует о неблагоприятном исходе. Диффузное снижение ЛСК, нарастание асимметрии кровотока сочетается с повышением периферического сопротивления в основном в сосудах каротидного бассейна.

Таким образом, стадии ишемического поражения мозга (дисциркуля-торная энцефалопатия, ишемический инсульт, последствия инсульта) имеют определенную клиническую, морфологическую, гемодинамическую характеристику, в которой данные допплерографии достоверно отражают степень нарушений в системе мозгового кровообращения.

Создание и обучение нейронной сети (III этап). Архитектура И11С представляет собой многослойный перцептрон, каждый элемент которого строит взвешенную сумму своих входов с поправкой в виде слагаемого, затем пропускает эту величину активации через передаточную функцию, и таким образом получается выходное значение этого элемента. Элементы организованы в послойную топологию с прямой передачей сигнала. Сеть подобной структуры может моделировать функцию практически любой степени сложности. Использовали трехслойную нейронную сеть и алгоритм обратного распространения в качестве алгоритма обучения. Процесс обучения представляет собой подгонку модели, которая реализуется сетью, к имеющимся обучающим данным. Архитектура сети представлена на рисунке 1.

Для обучения использовался алгоритм обратного распространения, количество эпох - 100, скорость обучения 0,01 при моменте 0,3. Ошибка обучения составила 0,168, контрольная ошибка - 0,159. Попытка дальнейшего снижения величины ошибки обучения приводило к росту контрольной ошибки, что свидетельствовало о переобучении' сети. Эффективность работы сети 0,9038 (90,38%). Обучающая и контрольная выборки содержали 100 и 104 случая заболеваний. Оставшиеся 104 случая использованы для тестирования работы сети.

_—---!

1 II III

Рис 1. Искусственная нейронная сеть (трехслойный перцептрон)

I - значимые входные переменные;

И - скрытые элементы промежуточного слоя;

III -переменные выходного слоя: (ДЭ 1ст., ДЭ II ст., ДЭ Ш ст., ИИ, пИИ, Здоров);

IV - переменная, принимающая 1 из 6 значений (окончательный диагноз).

Оценку качества сети проверяли по тому, насколько правильно проведена классификация по нозологическим формам, участвовавших в обучении случаев. Результаты классификации по тестовой выборке представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты классификации по тестовой группе

ДЭ 1 ст. ДЭ II ст. ДЭ III ст. ИИ пИИ Контроль

Всего 17 19 10 21 23 14

Правильно 17 13 7 19 16 14

Не правильно 0 6 3 2 7 0

Не распознано 0 0 0 0 0 0

ДЭ 1 ст. 17 3 0 0 0 0

ДЭ II ст. 0 13 1 0 0 0

ДЭ 111 ст. 0 2 7 1 2 0

ИИ 0 ! 2 19 5 0

пИИ 0 0 0 1 16 0 .

Контроль 0 0 0 0 0 >■» 1

" "Диагностическая'эффективность сети оценипатась по показателям чувствительности, специфичности, безошибочности (табл.4).

Таблица 4

Диагностическая эффективность созданной искусственной

___нейронной сети_______________

Показатели качества Ш]С "-'о)

Метод оценки по обучающей по контрольной по тестовой

группе группе 1руппе

Чувствительность 82 88.4 80.0

Специфичность 90 100,0 100,0

Безошибочность 91 70.4 82.7

Проведенный анализ свидетельствует о высокой чувствительности и специфичности метода. Ни один из классифицируемых случаев не был не распознан. По результатам тестовой классификации правильно распошаиы нее случаи ДЭ I ст. и группы «Здоровые». По остальным, неправильно распознанные случаи, были отнесены к пограничным диагностическим группам и только единственный случай из группы ДЭ II ст. был отнесен к далеко отстоящей группе инсульта.

Таким образом, данная искусственная нейронная сеть, опираясь только на данные допплерографии, позволяет с большой долей вероятности проводить классификацию (дифференциальную диагностику) рашых форм ишеми-ческого поражения мозга.

Тестирование программы на клинических примерах (IV этап). Практические возможности нейросетевой модели были проверены на конкретных клинических случаях заболеваний с верифицированным диагнозом, содержащие весь необходимый комплекс результатов клинического обследования. Для нейросетевого анализа использованы наиболее значимые признаки, имеющие наивысший ранг. Из 5 случаев полное совпадение диагноза имело место в 4 случаях. В одном случае военнослужащему,- проходившему диспан-

серное обследование и признанного здоровым, нейронная сеть установила диагноз ДЭ 1 ст.

Наряду с проведением дифференциальной диагностики, нейронная сеть, анализируя допплерографические показатели мозгового кровообращения при церебральной ишемии и степень гемодинамических нарушений, позволяет моделировать течение заболевания при различных комбинациях факторов этиологии и патогенеза путем изменения уровня гемодинамического резерва, как интегрального показателя состояние компенсаторно-приспособительных механизмов системы мозгового кровообращения.

Прогнозирование течения ишемического поражения мозга мсйросе-тевым методом (V этап). Проведено моделирование влияния меняющихся по степени и направлению параметров системной гемодинамики и ИВМР на формирование выходного параметра — "Диагноз", который отражает степень ишемического поражения мозга. Сеть позволяет обрабатывать отдельное наблюдение, не входящее в набор данных. Для построения нейросетевой модели использованы 6 переменных, имеющих наивысший ранг: Возраст, Атеросклероз, Гипертоническая болезнь, УО, ИВМР правой СМА и ИВМР левой СМА. Они характеризуют основные этиологические факторы, уровень системной гемодинамики и состояние гемодинамического резерва мозгового кровообращения.

Комбинация признаков менялась в зависимости от поставленной задачи. Модель рассчитывалась для возрастных групп: до 45 лет и 46-60 лет. В каждой возрастной фуппе рассматривались варианты комбинаций атеросклероза и гипертонической болезни с учетом уровня системной гемодинамики (УО сердца: нормальный - 75 мл или пониженный - 45 мл, характеризующий наличие латентной сердечной недостаточности). В каждом из 24 вариантов получали значение выходной переменной - «Диагноз» путем изменения уровня ИВМР. Величину ИВМР правой СМА снижали дискретно по 10%. На каждой ступени снижения подбирали такой уровень ИВМР для левой СМА, когда вы-

ходной параметр - «Диагноз» принимал иное значение. Точку перехода отслеживали в окне «Активации сети» по степени активации элементов выходного слоя. Результаты моделирования представлялись графически. Для иллюстрации приведены три модели.

В первом случае моделируется влияние снижения ИВМР на степень ишемического поражения мозга у лиц молодого возраста, страдающих артериальной гипертензией. Представленные на графике данные свидетельствуют, что одностороннее резкое снижение гемодинамического резерва на 50-60% от исходного уровня приводит к изменению первоначального значения выходного параметра модели, имеющего значение «Здоров», на «Инсульт», минуя стадии дисциркуляторной энцефалопатии. При сочетанном двустороннем уменьшение гемодинамического резерва этот переход происходит при менее выраженном снижении ИВМР. Следовательно, больные, страдающие гипертонической болезнью, при воздействии какого либо фактора, приводящего к резкому снижению уровня гемодинамического резерва (например, черепно-мозговая травма, интоксикация, инфекционные заболевания нервной системы и др.) имеют высокий риск развития тяжелого ишемическог о поражения мозга (рис. 2).

У лиц старшей возрастной группы (46-60 лет) с атеросклеротическим поражением магистральных артерий отмечается исходно сниженный уровень гемодинамического резерва, соответствующий ДЭ 1. Дальнейшее его уменьшение приводит к последовательному формированию стадий ишемического поражения мозга. По сравнению с первой моделью, отмечается более «доброкачественное» течение патологического процесса. Кроме того, при одностороннем снижении ИВМР развитие инсульта не является обязательным (рис. 3). Эго достаточно типичная клиническая ситуация, при которой nocienenno развивающаяся окклюзия ВСА может протекать без выраженных клинических проявлений.

Вариант 1 Возраст Атеросклероз Гипертоническая болезнь Ударный объем

45 Нет III ст. 1 75 мл I

100 90 SO 70 60 60 40 30 20 10 О

-ИИ -ЗД

иеи> Яни СМА)

Рис. 2. Нейросетевая модель вероятности развития ишемического поражения мозга у больных с гипертонической болезнью в зависимости от изменения уровня перфузионного резерва; (ЗД - здоровые; ИИ - ишемический инсульт; ИВМР - индекс вазомоторной реактивности).

| Вариант 2 Возраст Атеросклероз Гипертоническая болезнь Ударный объем

46-60 Да Нет 75 мл

100 90 80 70 '60 50 40 30 20 10 ИВМР правой СМА (%)

Рис. 3. Нейросетевая модель вероятности развития ишемического поражения мозга у лиц в возрасте 46-60 лет с атеросклерозом от изменения у ровня гемодинами-ческого резерва. (ДЭ1 - ДЭ I стадии; ДЭ2 - ДЭ II стадии; ДЭЗ - ДЭ III стадии; ИИ - ишемический инсульт; ИВМР - индекс вазомоторной реактивности).

Третья модель иллюстрирует возможные варианты развития цереброва-

скулярных нарушений у лиц пожилого возраста, страдающих атеросклерозом

в сочетании с гипертонической болеэныо'. Сочетание трех основных этилоги-чееких факторов: «Возраст 60», «Атеросклероз» и «Гипертоническая болезнь III ст.» характеризуется значительным уменьшением диапазона изменений ИВМР. приводящим к трансформации исходной переменной «ДЭ1» в «ДЭЗ», а затем «Инсульт», минуя стадию «ДЭ2». Это свидетельствует о том, что \ лиц пожилого возраста, страдающих атеросклерозом и гипертонической болезнью, происходит быстрое истощение, исходно сниженного гемодинамическот резерва, с развитием выраженного ишемического поражения мозга (рис 4.).

Вариант 3 Возраст | Атеросклероз Гипертоническая болезнь ! Ударный объем

60 ! Да III ст. | 75 мл

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 W3MP правой СМА (%)

Рис. 4. Нейросетевая модель вероятности развития ишемического поражения мозга у лиц пожилого возраста, страдающих атеросклерозом и гит-'ртш>чсской Поле шью. (Д'Л - Д') 1 стадии: Д')3 -ДЭ 3 стали и: ИИ - шпемический инс\лм: ИВМР индекс вазомоторной реактивности).

Таким образом, приведенные примеры моделирования показывают, что использование нейронной сети даст ьозможность проследить развитие ишемического поражения мозга при различных вариантах сочетиия факторов этиологии и патогенеза. Применение метода нейроеегевого моделирования позволяет оценить степень риска развития ишемического поражения мозга, эффективность проводимого лечения и прогнозировать исход заболевания.

ВЫВОДЫ

1. Гемодинамический резерв как ведущее звено патогенеза в сочетании с основными факторами этиологии (возраст, атеросклероз, артериальная гипертония, величина ударного объема сердца) определяет формирование стадий ишемического поражения мозга, характеризующихся определенными неврологическими синдромами, уровнем церебрального кровотока и морфологическими изменениями мозговых структур.

2. Дисциркуляторная энцефалопатия I ст. проявляется несовершенством регуляции системной и церебральной гемодинамики (достоверным снижением гемодинамического резерва до 70%, ударного объема сердца до 45 мл), незначительным расширением субарахноидальных пространств при отсутствии очаговых изменений вещества мозга, преобладанием астеновегетативных нарушений;

3. Дисциркуляторной энцефалопатии II ст. свойственно снижение гемодинамического резерва до 55%, латентная сердечная недостаточность, умеренная внутренняя и наружная гидроцефалия в сочетании с мелкоочаговым поражением мозга, появление очаговой неврологической симптоматики;

4. Дисциркуляторная энцефалопатия III ст. характеризуется снижением гемодинамического резерва до 40%, линейной скорости кровотока по всем МАГ на 15 - 20%, ударного объема сердца до 34 мл, значительной атрофией вещества мозга, выраженными неврологическими нарушениями.

5. При ишемическом инсульте выявляется снижение гемодинамического резерва и асимметрия кровотока по магистральным артериям до 30% на фоне латентной сердечной недостаточности, при наличии грубых морфологических изменений вещества мозга и выраженного неврологического дефицита.

6. По данным нейросетевой модели у лиц, страдающих артериальной гипертензией III ст., резкое снижение уровня гемодинамического резерва на 50-60% от исходного уровня приводит к развитию острого нарушения мозгового кровообращения.

У лиц старше 45 лет при атеросклерогическом поражении МАГ отмечается исходно сниженный уровень гемодинамического резерва, соответствующий ДЭ 1 ст. Одностороннее его снижение более чем на 60% от исходного приводит к развитию ДЭ II ст. Однако, при последующем снижении уровня гемодинамического резерва возникновение инсульта не является обязательным.

Двустороннее снижение гемодинамического резерва более чем па 40% от исходного уровня ведет к формированию ДЭ III ст. или инсульта, особенно при наличии гипертонической болезни и атеросклероза магистральных артерий мозга.

7. Искусственная нейронная сеть обладает высокой чувствительностью (88,4%) и специфичностью (100%). Она являются удобным инструментом,

позволяющим проводить дифференциальную диагностику стадии церебральной ишемии, моделировать поведение сосудистой системы мозга в зависимости от уровня гемодинамического резерва и выраженности патогенных факторов в целях прогнозирования течения заболевания.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Нейросетевой анализ допплерографичееких показателей мозгового кровообращения, применяемый в условиях скринингового обследования, позволяет объективно оценить состояние церебральной гемодинамики, установить ее соответствие определенной форме цереброваскулярной патологии для проведения адекватной патогенетической терапии.

2. Метод нейросетевого анализа показан для выявления закономерностей течения ишемического поражения мозга в целях повышения качества диагностики, первичной и вторичной профилактики.

3. Использование метода нейронных сетей является перспективным для моделирования развития болезни, оценки степени риска возникновения осложнений при проведении ангиохирургических вмешательств.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Практикум по ультразвуковой допплерографии артерий головы и мозга. - Ереван: Тигран Мец, 2000. - 111 с. (в соавт. с Г.Ф. Семиным, Ю.С. Ивановым, М.С. Мкртчяном).

2. Контроль качества регуляции мозгового кровотока при ишемической болезни мозга // Медицинская наука Армении. - Ереван. -2002. -№1. - С. 1215. (в соавт. с Ю.С. Ивановым, Г.Ф. Семиным, М.С. Мкртчяном).

3. Новые принципы оценки регуляции церебральной гемодинамики при развитии сосудистой мозговой патологии // Геронтология, гериатрия, послевоенная медицина. -Екатеринбург. - 2002. -С. 67-68. (в соавт. с М.С. Мкртчяном).

4. Нейросетевые технологии в оптимизации диагностики и прогноза ишемического поражения мозга // Материалы итоговой конференции военно-научного общества слушателей I факультета и клинических ординаторов. -СПб. -2002. -С.96-97 (в соавт. с М.С. Мкртчяном).

5. Роль перфузионного резерва в формировании ишемического поражения мозга И Медицинская наука Армении. - 2002. - №2. - С. 11-15. (в соавт. с М.С. Мкртчяном).

Подписано в печать '¿ЧОкСЧ. Объем П.Л.

Типография ВМедА

Формат 60x84/,ь Заказ №