HomePage
Карта сайта
Как со мной связаться?
Отправить мне E-mail
Анкетные данные автора
Кафедра анестезиологии и реаниматологии СПб МАПО
Специализация автора
Профессиональное увлечение автора
Научные публикации автора
Личный политический опыт автора
Культура, язык, история СССР
Технические идеи, до окторых пока не дошли руки
Кое-что о Лебединских...

Системы автоматического управления

в анестезиологии и интенсивной терапии:

состояние, проблемы и перспективы

К.М. Лебединский, В.А. Мазурок, А.Е. Карелов.

Доклад на 495-м заседании Общества анестезиологов и реаниматологов СПб 23.11.2005 г.

Слайдовая презентация к этому докладу

Глубокоуважаемый Илья Семенович, уважаемые коллеги!

В рамках общей «компьютерной» темы сегодняшнего заседания нам хотелось бы представить обзор проблемы внедрения в практику нашей специальности систем автоматического управления, которые уже нашли широкое применение в самых различных областях деятельности.

Несложно заметить, что сегодня и в анестезиологии и в интенсивной терапии для этого созрели все предпосылки. Мы располагаем многоканальными мониторами, позволяющими в реальном времени отслеживать значительное количество физиологических показателей, рассчитывая на их основе еще большее число производных величин. Оценка гемодинамики и внешнего дыхания, биоэлектрической активности сердца и головного мозга, нейромышечного проведения и температуры тела составляют сегодня уже довольно стандартный набор функций. Важно отметить, что все современные мониторы используют цифровую форму представления сигналов и обрабатывают их с помощью микропроцессоров, представляя собой по существу компьютеры со специальным набором периферийных устройств. Более того, в состав центральных станций слежения в целом ряде случаев входят мощные персональные компьютеры общего назначения. То же самое следует сказать и об автоматических анализаторах газов крови, КОС и электролитов, многие из которых уже сегодня предполагают непрерывное подключение к Internet .

С другой стороны, большинство исполнительных устройств для терапевтического воздействия на пациента сегодня также построены на основе микропроцессоров. Это аппараты респираторной поддержки и увлажнители газовой смеси, шприцевые и проточные дозаторы, дефибрилляторы и временные водители ритма сердца, аппаратура экстракорпоральной гемокоррекции и сепараторы клеток крови, сервоконтроллеры микроклимата в операционных и палатах интенсивной терапии. Существуют, хотя и не нашли пока широкого применения операционные столы и функциональные кровати с цифровой системой позиционирования пациента.

Проблема заключается в том, что, имея цифру на входе и цифру на выходе, мы пока не располагаем цифровым мостиком между ними: его роль по-прежнему играет голова врача. Естественно, в силу ограниченных психофизиологических возможностей человека как оператора, мы можем лишь частично использовать цифровой афферентный выход, столь же частично загружая своими управляющими сигналами цифровой эфферентный вход. Между тем Альберт Эйнштейн когда-то сказал: «Зачем мне учить таблицу умножения, если у меня есть логарифмическая линейка?»

Мы же пока используем автоматическое принятие решений только в случае управления процессами, быстрота протекания которых лежит за пределами времени реакции врача–оператора. Например, автоматически выбирается время подачи импульса в дефибрилляторах, автоматически управляется внутриаортальный баллон контрпульсатора. Появились первые робкие попытки поручить машинной логике более сложные терапевтические решения – например, перестройку режима респираторной поддержки в зависимости от дыхательных возможностей больного или выбор ответа кардиостимулятора в зависимости от результатов автоматического анализа ритма. Однако настоящая информационная интеграция всей техники, говорящей сегодня на одном – цифровом – языке, по прежнему остается уделом фантастики.

В то же время системы автоматического управления (САУ) на протяжении последних десятилетий действительно широко распространились в самых разнообразных областях - от авиации и космонавтики до кинематографии и библиотечного дела. В медицине также отмечается этот процесс, причем наибольший удельный вес пока имеют системы, ориентированные на задачи оптимального распределения ресурсов. В то же время многочисленные попытки внедрения в практику систем, непосредственно управляющих воздействиями на больного (Closed loop systems), пока не получили сколько-нибудь широкого признания, ограничиваясь лишь усилиями исследователей-энтузиастов. Впрочем, и экспериментальные разработки представлены исключительно одноканальными системами, обеспечивающими управление одним исполнительным механизмом (обычно автоматический шприц – дозатор) по одной целевой переменной – например, АД или биспектральному индексу.

Анализ известных примеров позволяет выделить несколько сдерживающих факторов.

Прежде всего, первая волна попыток внедрения САУ прошла в эпоху, когда отсутствие цифровой элементной базы (микропроцессора) ограничивало список входных параметров, уровень сложности реализуемых алгоритмов и – главное! – степень их гибкости, возможность «подстройки» под конкретную ситуацию. Кроме того, в тот начальный период сам критерий управления нередко оказывался физиологически неадекватен задаче - достаточно вспомнить управление подачей анестетика по сигналу электроэнцефалограммы или управление искусственной вентиляцией легких по РЕTСО2 в отечественном аппарате РОА-1. В условиях традиционно консервативной медицинской среды такие попытки с негодными средствами не могли не привести к дискредитации самой идеи автоматического управления лечебными воздействиями. Далее, утвержденная вековым опытом прерогатива врача на принятие тактических решений на первый взгляд (!) противоречит идее САУ. Наконец, системы принятия решений, построенные не на детерминистской («Если …, то …»), а на вероятностной логике, не обладают преимуществом очевидности, и потому, оставаясь для пользователя - врача “черным ящиком” , вызывают, как подчеркивал известный системный аналитик Патрик Риветт, инстинктивное недоверие. Таким образом, на наш взгляд, сегодня именно факторы профессиональной психологии в наибольшей степени ограничивают разработку и внедрение полноценных САУ в операционных и палатах интенсивной терапии.

Строго говоря, для осторожности есть весомые основания, в том числе и системного порядка. Достаточно вспомнить те принципиальнейшие отличия, которые создают непреодолимый пока барьер между мозгом человека и компьютером.

Между тем жизнь человечества уже фактически доверена десяткам самых разных компьютеров; на «элементарном» уровне – это имплантируемые кардиостимуляторы и автоматические дефибрилляторы. Управление ядерными реакторами и трубопроводами, энергосистемами и химическими комбинатами, полетом неустойчивых самолетов и стратегическим оружием – во всех этих областях ЭВМ повседневно обеспечивают безопасность человека, ежеминутно принимая без вмешательства мозга миллионы оперативных решений. Может быть, самый яркий пример – системы стратегической ПВО и ПРО. Обнаружение, селекция и автосопровождение сотен целей, определение приоритетности их поражения, выбор и наведение оружия, постановка помех и подавление радиоэлектронных средств противника – вот далеко не полный перечень задач, которые ЭВМ решают в реальном времени именно для выживания людей.

Существует ли универсальное решение для медицины? Как это и сделано в уже действующих информационно-управляющих системах, необходимо четко разделить уровни компетенции автоматики и оператора (врача). Так, управлять темпом введения одного-двух препаратов, строго выдерживая заданный уровень мониторируемых целевых параметров, ЭВМ может гораздо точнее и лучше, чем самый опытный клиницист. Меньше время реакции, да и чисто технологически ступенчатый итеративный алгоритм намного легче организовать в процессоре, чем в мозге человека. Тонкая подстройка режима вентиляции под заданный уровень работы дыхания пациента (режим Proportional Assist Ventilation – PAV), управление скоростью инфузии препаратов по целевой концентрации (Target Controlled Infusion), физический контроль температурного режима пациента – все эти задачи ЭВМ способна решать эффективнее человека, освободив голову врача для более важных задач. Безусловно, при выходе решений за оговоренные рамки система должна запрашивать разрешение оператора.

Из изложенного следуют несколько принципиальных положений, которые могут быть приняты к руководству при разработке перспективных проектов САУ для анестезии и интенсивной терапии.

•  Врачу в любом случае должна быть ясна логика принятия решения и его исходные посылки. Если речь идет о расчетных показателях, то алгоритм их расчета должен быть совершенно открыт и, по возможности, доступен пониманию врача. Для использования в таких системах едва ли пригоден патентованный «черный ящик», подобный, например, биспектральному индексу.

•  Алгоритмы, реализованные в системах, должны строиться преимущественно на основе детерминистской, а не вероятностной логики. В случае, если невозможность такой программной реализации жестко диктуется стохастической природой управляемого процесса, должна предусматриваться возможность своего рода эмуляции детерминистской логики «на экспорт». При этом вся логическая цепочка принятия решения по желанию пользователя должна выводиться на внешние устройства в текстовой форме.

•  Принципиально важно решить проблему информационной перегрузки оператора; возможно, на внешние индикаторы вообще должны выводится только изменяющиеся параметры или показатели, выходящие за пределы «зелёного коридора».

•  Надежность работы системы должна иметь очевидную для пользователя материальную основу. Помимо источника бесперебойного питания, контуров управления, находящихся в “горячем” и “холодном” резервах, процедур самотестирования, возможно использование параллельной обработки данных с последующим формированием результата по принципу кворумирования.

•  Оптимальной представляется мультипроцессорная архитектура САУ со строгой иерархией функций. Процессоры мониторов и исполнительных устройств реализуют лишь алгоритмы текущего управления ими в рамках заданного режима. Центральный процессор (или комплекс процессоров), задавая режим периферическим устройствам, запрашивает санкцию оператора на любое его изменение, включая, по желанию пользователя, и технические детали – частоту опроса датчиков, постоянные времени t реакции системы по различным каналам и т.п. Обязательный запрос санкции врача на все предлагаемые системой тактические решения (по выбору – вплоть до введения очередной дозы препарата) полностью снимает опасения по поводу недозволенной автономности САУ.

•  Должна быть предусмотрена вариабельность “глубины” управления системой (например, реализованная в виде разветвленного меню). При этом, как показывает опыт внедрения САУ в другие области человеческой деятельности, наиболее вероятная динамика будет состоять в постепенном ограничении вмешательства оператора по мере эксплуатации системы и роста доверия к ней.

Возможно, следование изложенным принципам в какой-то мере способствовало бы преодолению психологического барьера - основного препятствия на пути внедрения САУ в анестезиологию и интенсивную терапию. Трудно представить себе, что этот процесс будет легким – он был сложен повсюду, где уже достигнуты впечатляющие успехи. Сложен, как и в медицине, не только технически, но и психологически: характерный пример – отказ опытных летчиков переучиваться на европейский аэробус А-320, где квалифицированному экипажу «нечем заняться» . Однако тенденция информатизации носит столь объективный и всеобъемлющий характер, что важнейшей задачей сегодня является не только разработка систем автоматического управления, но адаптация к ним специалистов средствами профессионального образования.

Однако помимо преодоления психологического тормоза, очень важно понять, вполне ли мы методологически готовы сегодня к созданию и эксплуатации подобных систем. Чтобы пояснить свою мысль, остановлюсь только на трех примерах, иллюстрирующих очень типичные проблемы.

На занятиях по мониторингу дыхания и кровообращения мы всегда задаем слушателям вопрос: цифру сатурации гемоглобина какой крови показывает нам пульсоксиметр? К сожалению, 99% ответов бьют мимо цели – коллеги говорят об артериальной или капиллярной крови, о некой осредненной сатурации и т.д. А между тем четкое правильное понимание того факта, что речь идет о пульсирующей компоненте потока крови (независимо от того, где топографически она выявляется) сразу же позволяет объяснить множество практически важных ситуаций – например, падение величины SpO 2 при артериальной нормоксемии на фоне инфузии нитратов. Очень важно предельно конкретно понимать, что именно означает тот или иной диагностический признак (например, наличие видимого цианоза или пальпируемого пульса на артерии), каковы количественные пределы его проявления или исчезновения, что и в какой степени может служить его мониторным эквивалентом.

Другой пример. Несколько дней назад здесь, в отделении кардиохирургической реанимации МАПО, лечился исходно тяжелый оперированный пациент. В какой-то момент времени нужно было принять решение о возможности отмены вазопрессорной поддержки. Дежурного реаниматолога устраивали уровень преднагрузки и производительности сердца, достигнутая величина среднего АД, однако насторожила цифра общего периферического сосудистого сопротивления. В ходе дискуссии позиции прояснились: поскольку ОПСС – величина в чистом виде расчетная, то ее интерпретация с точки зрения теории информации не может привнести в понимание состояния больного ничего нового, кроме того, что уже предоставили врачу среднее АД, ЦВД и сердечный индекс. Таким образом, для правильной оценки того или иного показателя очень важно понимать, как он получен, носит ли предоставляемая им информация первично-физиологический характер или отражает просто новое соотношение уже известных врачу параметров. Не случайно зарубежные специалисты, давно пользующиеся хорошим оснащением, единодушны в том, что главную проблему мониторинга в современной клинике представляет качество физиологической интерпретации его результатов.

Еще одни пример. Говоря о том или ином препарате, мы указываем: при внутривенном введении он начинает действовать, например, через 7–10 мин, а период его плуэлиминации составляет около 3–4 часов. Что это значит? Какова будет не концентрация в плазме, а количественный уровень целевого эффекта препарата, предположим, через полчаса, 5 или 8 часов? По существу, непрерывная функция нескольких переменных – зависимость целевого эффекта от дозы, времени, особенностей состояния пациента – сводится нами к одной–двум дискретным точкам. Понятно, что для целей точного управления мы должны точно знать реальный вид всей подобной кривой, иметь в руках оценку ее линейности и дифференцируемости. В какой-то мере обозначенную проблему решает непрерывная объемно-дозированная инфузия с помощью дозатора; но что делать в том случае, если нам нужно управлять уровнем эффекта препарата во времени, например, на фоне развертывания действия других средств? Болюсное введение, которого нам все равно никогда не удастся избежать полностью, по существу создает вынужденное колебание той или иной функции. Но приходилось ли вам когда-нибудь читать в книге по клинической фармакологии – неважно, отечественной или зарубежной! – что-нибудь про постоянную времени реакции ?1–адренорецепторов на болюсное введение адреналина? Часто ли приходилось вам видеть графики зависимости прироста ОПСС от плазменной концентрации вазопрессора? А между тем системе автоматического управления такая информация совершенно необходима для быстрого и точного, без опасных «проб и ошибок», выхода на нужный уровень целевого эффекта. Мы с вами уже привыкли к тому, что фармакокинетика – точная наука, оперирующая количественными оценками. В ближайшем будущем нам понадобится количественная фармакодинамика, а затем и их синтез – трехмерная картина «доза–время–эффект». Уже сегодня все это может быть темой научных программ и диссертационных работ.

Наконец, существует и проблема готовности нашей технической базы к переходу на автоматическое управление. Внимательный анализ показывает, что как в мониторно-диагностической, так и в «эффекторной» технике, к сожалению, есть неразрешенные пока моменты.

Очевидно, монитор ближайшего будущего – это неинвазивная высокоинтегрированная модульная система мультипроцессорной архитектуры с горячим и холодным резервированием (т.е. дублированием, и, возможно, взаимной калибровкой) каналов. Можно предполагать, что актуальная сегодня проблема «лечения монитора» может быть решена по принципу кворумирования каналов, когда итоговый сигнал формируется взаимным согласованием сигналов по каждому их каналов.

Что касается исполнительных устройств, критичной представляется главным образом степень их универсальности – конечно, в пределах решаемой задачи. В это понятие мы вкладываем, прежде всего, способность обеспечивать широкий спектр режимов, малую величину постоянной времени (т.е. быстроту реакции на управляющий сигнал) и насыщенность измерительными каналами, достаточную для полной характеристики ответа организма на приложенное воздействие.

Располагая такими средствами, мы действительно сможем подойти к формированию систем автоматического управления для анестезиологии и интенсивной терапии.

Очень важно подчеркнуть сегодня, что внедрение таких систем – не просто неизбежная перспектива. Это важный позитивный процесс, участие в котором может принять большинство заинтересованных специалистов. Мы должны предельно конкретно представлять себе, что именно дает нам каждый метод диагностики или лечения, каковы количественные критерии его безопасности и эффективности. Мы должны привыкать сами и прививать коллегам четкие и недвусмысленные критерии принятия тактических решений, как это соответствует принципам научно-доказательной медицины. Мы можем и должны привыкать не только к количественной, но к количественно-временнoй характеристике действия лекарственных препаратов. Наконец, выбирая технику для оснащения своих отделений, мы можем и должны думать о перспективе.

Спасибо за внимание.

 

© К.М. Лебединский и соавт., 2005

 

Комментарии на злобу дня
Page with essential information in English
Свежие и обновленные материалы сайта