• Ei tuloksia

MATEMAATTISTEN TIETOJENKÄSITTELYMENETELMIEN

3.1 Matemaattisten menetelmien nykytaso

Matemaattisten menetelmien rutiinikäyttö on tehohoidon ja anestesian potilasvalvonnassa ollut melko vähäistä. Kehit­

tyneintä matematiikkaa sovelletaan automaattisissa arytmia- analyysijärjestelmissä, jotka tunnistavat ja luokittelevat sydämen rytmihäiriöitä EKG :stä ja sen spektristä poimittu­

jen piirteiden avulla.

PDMS-järjestelmä tai yksittäinen mikrotietokone voi laskea valmiiden kaavojen mukaan lääkkeiden ja infuusionesteiden annostuksia ja monenlaisia mitatuista suureista johdettu­

ja parametreja /17,29/. Johdetut parametrit kuvaavat yleen­

sä suureita tai käsitteitä, joita ei voida mitata. Järjes­

telmän osana voi olla myös tilastollinen ohjelmapaketti, joka mahdollistaa kerätyn tiedon myöhemmän käsittelyn esi­

merkiksi regressioanalyysin keinoin. Erään yhdysvaltalai­

sen sairaalan spesifikaatioissa /74/ PDMS-järjestelmältä vaadittiin mitä moninaisimpia matemaattisia toimintoja reaaliaikaisesta käyränsov it uksesta ja tilastollisista testeistä aina Fourier-muunnokseen ja käyttäjän määrittele­

miin digitaalisiin suodattimiin saakka. Tällaisia mene­

telmiä lienee lähinnä tutkimuskäytössä : PDMS-järjestelmät keskittyvät yleensä kirjanpitoon.

Potilasmonitorit selviytyvät tietenkin epäsuoriin mittaus­

menetelmiin liittyvästä laskennasta, mittaussignaalista otettavien näytteiden keskiarvoistamisesta ja muista kiin­

teästi ohjelmoiduista rutiinitoiminnoista. Trendikäyrien pisteet määritetään keskiarvoistamal la mittaustulokset ajalta, joka on yhtä pitkä tai lyhyempi kuin trendipistei- den väli. Monitori saattaa myös laskea tavallisimpien joh­

dettujen suureiden arvoja. Muut tarvittavat laskutoimituk­

set, kuten tärkeät nestetasapainolaskut, joudutaan tavalli­

sella, tietokoneistamattomalla teho-osastolla tekemään kä­

sin. Parhaassa tapauksessa apuna on ohjelmoitavia laskimia.

3.2 Sovellutuskohteet ja tarpeet

Kokeneenkin lääkärin on vaikea hahmottaa potilaan tilaa lukuisten eri mittaussuureiden perusteella. Tämä koskee erityisesti tehohoitoa, jossa jatkuvasti mitattavien fysio­

logisten suureiden ja lääkityksen lisäksi seurataan ravit­

semusta, nestetasapainoa ja laboratoriotuloksia ja jossa tietoa kertyy pitemmältä ajalta kuin anestesiassa. Kun tavalliselle kuvaputkelle mahtuu 4-6 käyrää tai noin

puoli A4-arkillista tekstitietoa, yleiskäsityksen muodosta­

miseksi joudutaan selaamaan useita näyttöruutuja. Oleelli­

sin informaatio tulisikin tiivistää yleisnäyttöön, josta tilanne selviäisi karkeasti yhdellä silmäyksellä.

Kaikki suureet ja niiden trendit on luonnollisesti tarvit­

taessa saatava erikseen näkyviin. Lisäksi signaaleista ja niiden muutoksista voitaisiin hakea oleellisia piirteitä käsittelemällä rekisteröintejä matemaattisesti. Esimerkiksi taajuusominaisuudet kuvaavat joskus signaalin luonnetta paremmin kuin signaalin amplitudi ajan funktiona.

Nopeasti vaihtelevien suureiden, kuten verenpaineen, tren- dikäyrät saattavat heilahdella tulkintaa häiritsevästi.

Jonkinlainen jatkokäsittely olisi tällöin tarpeen. Esimer­

kiksi keskiarvoistavat käyräntasoitusmenetelmät poistaisi­

vat liiallisen heilahtelun, mutta tasoittaisivat samalla signaalin nopeita muutoksia.

Valvontakäyrien jatkuva seuraaminen on turruttavaa työtä, eikä keskusmonitorin ääressä istumiseen yleensä edes riitä henkilökuntaa. Myös informaation tiivistetyt esitysmuodot edellyttävät osittain automaattista suureiden seurantaa.

Järjestelmän tulee kiinnittää käyttäjän huomio kullakin hetkellä tärkeisiin asioihin.

Erityisesti hälytykset eivät ole nykyisessä muodossaan tar­

koituksenmukaisia. Potilasmonitorit hälyttävät, kun valvon- tasuureen arvo menee asetettujen rajojen ulkopuolelle.

Suuri osa hälytyksistä on kuitenkin vääriä, koska hälytyk­

set reagoivat herkästi mittapään irtoamiseen, potilaan liikkeisiin ja muihin häiriöihin. Joissakin uusissa monito­

reissa tosin on oma varoitus elektrodin tai paineletkun irtoamisesta. Myös virheettömästä mittausarvosta aiheutuvaa hälytystä voidaan pitää vääränä, jos valvontasuure palaa välittömästi takaisin hyväksyttävälle alueelle. Turhiin hälytyksiin tuskastutaan usein siinä määrin, että hälytyk­

set kytketään kokonaan pois toiminnasta.

Hälytysrajojen asettaminen ei ole yksioikoista, sillä poti­

laan tilan kriittisyys voi riippua useamman kuin yhden suu­

reen arvosta. Useasta suureesta saatavan tiedon yhdistele­

minen saattaa olla tarpeen silloinkin, kun yksi suure riit­

tää määrittelemään kriisin: esimerkiksi sydänpysähdys voi­

daan erottaa EKG-elektrodin irtoamisesta toteamalla veren- painekäyrän pysyneen ennallaan.

Nykyiset hälytykset ilmoittavat, että jotain vakavaa on jo tapahtunut. Hoitajalle ja lääkärille tulisi mieluummin ker­

toa, että jotain vakavaa tulee pian tapahtumaan, jollei

ti-lanteeseen puututa. Kriisitilanteita voitaisiin jossain määrin ennakoida seuraamalla suureiden muutossuuntia ja -nopeuksia. Hitaasti alkavat muutokset potilaan tilassa saatetaan näin todeta jopa aikaisemmin kuin trendikäyrää seuraava ihminen ne huomaisi.

mittaus­

- suureiden yhdistely - muut tietolähteet - luokittelu - ennusteet - hälytykset - toimenpiteiden

määrittely PIIRTEIDEN POIMINTA

- aikatason piirteet - taajuusominaisuudet

mallinsovitus

Kuva 3. Potilasvalvontatiedon käsittelyprosessi.

Potilaasta saatavan mittaustiedon käsittelyprosessi voidaan osittaa kuvan 3 mukaisesti. Esikäsittelyn tarkoitus on poistaa signaaleista ulkopuoliset häiriöt ja muut ei-toivo- tut komponentit. Tämän jälkeen signaaleista poimitaan ne piirteet, joihin tiedon tulkinta perustuu. Tulkintavaihees- sa on usein käytettävä hyväksi taustainformaatiota ja yh­

disteltävä eri suureista saatua tietoa. Koska käyttäjä­

liitäntä on potilasvalvontajärjestelmissä keskeisellä si­

jalla, näyttöä voidaan pitää yhtenä prosessin osana. Kai­

kissa näissä vaiheissa voidaan soveltaa erilaisia matemaat­

tisia tietojenkäsittelymenetelmiä. Signaalien lopulliseen tulkintaan ja mahdollisten hoitotoimenpiteiden määrittelyyn tarvitaan käyttäjän asiantuntemusta tai asiantuntijajärjes­

telmän tyyppistä automaattista päättelymekanismia.

3.3 Menetelmille asetettavat vaatimukset

Jotta matemaattinen tietojenkäsittely me ne tel mä pääsisi rutiininomaiseen käyttöön tehohoidon ja anestesian potilas- valvonnassa, sen tulee täyttää seuraavat vaatimukset :

1. PARANNUSTEN MERKITSEVYYS

Menetelmän tulee tuoda jokin selvästi havaittava parannus potilasvalvonnan tietojenkäsittelyyn. Kyseessä voi olla uusi tiedon esitysmuoto, tiedon selkeyttäminen, prosessoin­

nin tehostaminen tai mittaustiedon luotettavuuden paranta­

minen .

2. LUOTETTAVUUS

Vaikka tiedon tarkkuuden ei yleensä tarvitse olla samaa luokkaa kuin luonnontieteellisissä sovellutuksissa, tulok­

siin on ehdottomasti voitava luottaa. Järjestelmä ei saa omin päin suorittaa niin monimutkaisia toimenpiteitä tai päättelyltä, että se voi käyttäjän huomaamatta epäonnistua.

3. YKSINKERTAISUUS

Käyttäjälle näkyvän osan menetelmästä on oltava mahdol­

lisimman yksinkertainen. Mitä aktiivisempaa osallistumis­

ta käyttäjältä edellytetään, sitä tärkeämpää on, että hän pystyy ymmärtämään myös menetelmän periaatteen. Tulkinta- kokemusta vaativan menetelmän täytyy menestyäkseen olla erityisen hyvä, ja siinäkin tapauksessa sen yleinen hy­

väksyntä saattaa viedä jopa kymmeniä vuosia.

4. SEURATTAVUUS

Järjestelmän olisi periaatteessa aina pystyttävä peruste­

lemaan toimintansa käyttäjälle. Esimerkiksi hälytyksen yhteydessä on ilmaistava, mistä hälytys johtuu.

5. REAALIAIKAISUUS

Nopeasti muuttuvia valvontasuureita käsiteltäessä uusim­

man tiedon täytyy olla käytettävissä korkeintaan parin sekunnin viiveellä. Vaatimuksesta voidaan joustaa, jos kaikkein uusin tieto saadaan näkyviin käsittelemättömässä muodossaan.

6. MODULAARINEN TOTEUTUS

Menetelmä on ohjelmoitava siten, että se voidaan jousta­

vasti liittää tietojärjestelmän osaksi. Tätä ei välttämättä vaadita sellaisilta matemaattisilta toiminnoilta, jotka katsotaan parhaaksi viedä jonkin valvontalaitteen sisälle.

Kliinisessä tutkimustyössä voidaan luonnollisesti soveltaa varsin monimutkaisiakin menetelmiä, jotka prosessoivat mittaustietoja jälkikäteen suurissa erissä.

3.4 Sovellettavat matematiikan alat

Luvuissa 4-9 kuvattavat menetelmät kietoutuvat moneen matematiikan alaan. Näistä tieteenaloista mainittakoon seu- raavat:

DIGITAALINEN SIGNAALINKÄSITTELY

Jatkuvasta mittaussignaalista saadaan analogia/digitaali­

muunnoksella numerosarja, jota on mahdollista manipuloida matemaattisesti. Signaalista voidaan tällöin suodattaa häiriöitä ja se voidaan hajoittaa taajuuskomponentteihin tai muuntaa muuhun sopivaan muotoon.

AIKASARJA-ANALYYSI

Aikasarjana voidaan pitää mitä tahansa ajallisesti peräk­

käisten havaintojen jonoa. Tunnetuin aikasarja-analyysin sovellutuskohde on taloudellisten muuttujien mallintaminen ja ennustaminen, mutta menetelmiä voi soveltaa myös fysi­

kaalisten ja fysiologisten signaalien käsittelyyn.

SÄÄTÖ- JA SYSTEEMITEORIA

Säätö- ja systeemiteorian käsitteistö on pitkälti yhteistä signaalinkäsittelyn ja aikasarja-analyysin kanssa, joskin päämäärät ja lähestymistavat ovat hiukan erilaisia. Tässä työssä ei puututa fysiologisten suureiden säätämiseen, mutta systeemimallien identifiointi ja malliparametrien estimointi liittyvät aiheeseen.

MATEMAATTINEN HAHMONTUNNISTUS

Signaalijaksoja voidaan luokitella automaattisesti kvanti­

tatiivisten piirteidensä perusteella; esimerkiksi EKG:stä pystytään tunnistamaan erilaisia rytmihäiriöitä. Varsinai­

set matemaattiset hahmontunnistusalgoritmit vaativat usein valmiiksi luokiteltua oppimisaineistoa, johon tutkittavaa signaalia verrataan.

TODENNÄKÖISYYSLASKU JA TILASTOMATEMATIIKKA

Suuri osa edellä kuvattujen alojen käsitteistä ja työväli­

neistä on peräisin todennäköisyysteoriasta. Satunnaispro­

sessien käsittelyssä ja hahmontunnistuksessa nojaudutaan oleellisesti todennäköisyysjakaumiin ja tilastollisiin menetelmiin.