Система мониторинга пожарной и медико экологической безопасности с использованием анализа видеоданных с беспилотных летательных аппаратов
 Скачать 2.07 Mb.
|
|
2.3 Нечеткие математические модели прогнозирования и оценки степени тяжести отравления угарным газом Монооксид углерода (CO) представляет собой отравляющее вещество, выделяющееся, в том числе, в процессе термического разложения продуктов горения. Из-за своей высокой токсичности окись углерода представляется одним из самых распространѐнных причин поражения человека и животных химическими веществами, приводящими к смерти. Официальные статистические источники отображают данные, согласно которым общая смертность от оксида углерода составляет около четверти всех летальных исходов, происходящих в России от веществ, способных оказывать отравляющее действие. Воздействие угарного газа с концентрацией более 1% в замкнутом пространстве тяжело отражается даже на здоровье тех людей, которые находились в замкнутом помещении небольшой период времени (более 2-3 минут). Частичная или полная потеря трудоспособности – классическая форма осложнений для лиц, перенесших интоксикацию монооксидом углерода. Возможность снижения риска смертности и роста осложнений у отравившихся больных напрямую зависит от оперативного и комплексного лечения, как на этапах эвакуации и доставки к автомобилю скорой помощи, так и в периоды следования и нахождения под наблюдением в лечебном учреждении, включающего в себя своевременную нормоксическую баротерапию чистым кислородом и последующие виды терапии, сочетающие современные методы борьбы с воздействием на организм токсичных химических веществ. Одним из способов снижения риска инвалидизации от отравления угарным газом является своевременная и точная оценка степени тяжести отравления. Прогноз возможной степени тяжести от отравления СО важен при направлении людей к месту чрезвычайных ситуаций, в ходе развития которых возможно выделение угарного газа. 60 Анализ принятой в России системы классификации степеней тяжести при отравлении угарным газом показал, что обычно выделяют три класса: легкое, среднее и тяжелое в сочетании с крайне тяжелым отравлением [16, 39, 40, 44, 45], причем границы между классами определяются весьма условно по содержанию карбоксигемоглобина (HbCO) в крови, что в полевых условиях (вне клиники) сделать практически невозможно. В клинических условиях между границами классов также существует достаточно широкая зона неопределенности. Например, правая граница класса средняя тяжесть определена уровнем 40% HbCO, а левая, класса тяжелое отправление - на уровне 50% HbCO. Эта неопределенность значительно возрастает, если оценивается концентрация СО в воздухе рабочей зоны, что часто бывает в практических случаях, например, при пожаре. В основу проводимых исследований была положена классификация и наблюдаемая клиническая картина, описанная в работе [16] и представленная таблицей 2.2. Таблица 2.2 – Критерии оценки степени тяжести отравления монооксидом углерода Тяжесть отравления Клиническая картина 1 2 Легкая степень (содержание HbCO в крови до 10-20%) Токсическая энцефалопатия: беспокойство, головная боль опоясывающего характера в височной и лобной областях, головокружение, тошнота, рвота, шум в ушах, мерцание в глазах, сужение зрачка. Нарушение функции дыхания: затруднение дыхания, першение в горле, учащение пульса, чувство нехватки воздуха, осиплость голоса, кашель с мокротой, содержащей копоть, показатель карбоксигемоглобина в крови – 10-30%. 61 Продолжение таблицы 2.2 1 2 Средняя степень (содержание HbCO в крови до 30-40%) Токсическая энцефалопатия: сильная головная боль, нарушение координации движений, покраснение кожи лица, мышечная слабость, чувство страха, дезориентация во времени и пространстве, зрительно-слуховые галлюцинации, агрессивные эмоции, анизокория или миоз чередуется с мидриазом. Средняя степень (содержание HbCO в крови до 30-40%) Нарушение функции дыхания: гиперсаливация, бронхорея, выраженная одышка. Нарушение функции сердечно-сосудистой системы: тахикардия, гипертензии, показатель карбоксигемоглобина в крови – 30-60%. Тяжелое и крайне тяжелое отравление (содержание HbCO в крови до 50-70%) Токсическая энцефалопатия: сонливость, сопор, кома, снижение болевой чувствительности, тонические судороги, гипертермия, ретроградная амнезия. Нарушение функции дыхания: брадипноэ или выраженная одышка. На Rn-граммеэмфизема с усилением легочного рисунка; мелкоочаговые затемнения прикорневой локализации; диффузные крупноочаговые затемнения, токсический отек легких. Нарушение функции сердечно-сосудистой системы: возможны внезапная смерть, токсический отек мозга. На ЭКГ нарушения ритма и проводимости, признаки гипоксии миокарда, экстрасистолия. Трофические расстройства кожи и подлежащих тканей. Поражение различных органов и систем, нарушение функции почек. Примечание: при концентрации НbСО в крови 30-40% смертность составляет 4,5%; при 40-50% – 14,5%; при 60-70% – 28,6%; при 70-80% – 48,5%. 62 Основываясь на классификации, приводимой в таблице 2.2, эксперты, обученные на применение МСГНРП в медицинской предметной области под руководством инженера по знаниям, осуществляют синтез искомых математических моделей. Основываясь на данных литературных источников, мнения экспертов и собственный опыт, было принято решение на расширение списка степеней тяжести до пяти: отравление отсутствует (класс норма) – Н ; легкая степень – класс Л ; средняя тяжесть – класс С ; тяжелая степень – класс Т ; крайне тяжелая степень отравления, приводящая к смерти – класс К В общем, признаки и симптомы острого отравления угарным газом можно ожидать на уровнях HbCO от 3% до 24%. Более серьезные признаки отравления СО развиваются на средних уровнях 24,3%, а смертельный исход – на уровне от 32,1% до 60 %. Воздействие СО, приводящее к уровню HbCO > 50%, как правило, заканчивается смертельным исходом. В качестве базовых моделей классификации, исходя из доступного материала исследований, эксперты выбрали модели (2.3), которые для выбранных классов степеней тяжести модифицируются в систему нечетких моделей вида: , ; ; ; ; ) Q ( U ) t ( ) Q ( U ) t ( ) Q ( U ) t ( ) Q ( U ) t ( ) Q ( U CO К К Т CO Т Т С CO С С Л CO Л Л H CO H H (2.10) где U – уверенность в степени отравления по классу ( К Т С Л Н , , , , ); ) ( Q – функция принадлежности к классу с базовой переменной CO Q ; CO Q =С СО /С ПСО ; С СО – измеренная концентрация в мг/л; С ПСО – предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны (С ПСО =0,02 мг/л); ) (t Л – поправочный 63 коэффициент (нормирующий временной множитель), позволяющий учитывать время воздействия СО на организм человека. Следует отметить, что при расчете К U поправочный коэффициент по времени не вводится, поскольку для концентраций этого класса степени тяжести критическое состояние и смерть наступает в течение нескольких минут. Принятие решений в пользу класса принимается по максимальному значению показателя U С учетом широкого динамического диапазона концентрацией СО, порождающих различные степени отравления ( CO Q =С СО /С ПСО изменяется от 0 до 75), было принято решение синтезировать три группы функции принадлежности: ) Q ( СO Н и ) Q ( СO Л для диапазона СO Q [0,…,30]; ) Q ( СO С для диапазона СO Q [10, …, 60]; ) Q ( СO Т и ) Q ( СO К для диапазона СO Q выше 50. Графики функций принадлежности и временных поправок строились в соответствии с общими рекомендациями МСГНРП, приведенными в работах [22, 24]. На рисунке 2.2 приведены графики функций принадлежности к классам Н и Л с соответствующими графиками временных поправок ) t ( Н и ) t ( Л Аналитически графики, приведенные на рисунке 2.2, описываются выражениями: ; Q если ; Q если , ) Q ( , ; Q если , ) Q ( , ; Q если , ) Q ( CO CO CO CO CO CO СO Н 7 , 0 7 4 7 056 0 4 1 1 056 0 1 1 0 1 2 2 . Q если , ; Q если , ) Q ( , ; Q если , ) Q ( , ; Q если ; Q если , ) Q ( , ; Q если , ) Q ( , ; Q если , ) Q ( CO CO CO CO CO CO CO CO CO CO CO СO Л 30 0 30 24 30 014 0 24 18 18 014 0 1 18 7 1, 7 4 7 056 0 1 4 1 1 056 0 1 0 2 2 2 2 64 . Q если ; Q если Q , ) t ( CO CO CO Н 3 , 0 3 1, 333 0 . Q если ; Q если Q , ) t ( CO CO CO Л 3 , 1 3 , 333 0 a) б) Рисунок 2.2 – Графики: а) функций принадлежности к Н и Л ; б) временных поправок к классам Н и Л С учетом модели (2.10) уверенность в наличии нормального состояния и легкой стадии отравления СО определяется выражениями: U H (CO)= ) t ( ) Q ( Н СO Н , (2.11) 1,0 𝜇 ℓ 𝑄 СО 10 15 18 𝑄 СО 𝜇 н 𝑄 СО 𝜇 л 𝑄 СО 24 20 1 4 5 7 30 1,0 𝛼 ℓ 𝑡 1 2 4 t 𝛼 н 𝑡 𝛼 л 𝑡 3 t (часы) 65 U Л (CO)= ) t ( ) Q ( Л СO Л (2.12) На рисунке 2.3 приведены графики функции принадлежности и временной поправки для класса средняя тяжесть отравления. а) б) Рисунок 2.3 – Графики: а) функции принадлежности к С ; б) временной поправки к С Аналитически графики функций принадлежности и временной поправки, приведенные на рисунке 2.3, описываются выражениями: 1,0 𝜇 с 𝑄 СО ) 𝑄 СО 0,5 10 30 18 20 2 60 10 40 50 66 , Q если , ; Q если , ) Q ( , ; Q если , ) Q ( , ; Q если ; Q если , ) Q ( , ; Q если , ) Q ( , ; Q если , ) Q ( CO CO CO CO CO CO CO CO CO CO CO СO С 60 0 60 50 60 005 0 50 40 40 005 0 1 40 30 1, 30 24 30 014 0 1 24 18 18 014 0 18 0 2 2 2 2 5 , 2 , 1 ; 5 , 2 1,5 , ) 5 , 2 ( 5 , 0 1 ; 5 , 1 0,5 , ) 5 , 0 ( 5 , 0 ; 5 , 0 0 , 1 ) ( 2 2 t если t если t t если t t если t С В соответствии с (2.10): ) t ( ) Q ( ) CO ( U C CO C C (2.13) На рисунке 2.4 приведены графики функций принадлежности для классов T и K Рисунок 2.4 – Графики функций принадлежности к классам T и K 67 С учетом короткого времени (несколько минут) наступления тяжелого и особенно критического состояния при высоких концентрациях СО временные поправки при оценке степени тяжести не учитываются. Аналитически графики, приведенные на рисунке 2.4, описываются выражениями: , Q если , ; Q если , Q ; Q если , ; Q если , Q , ; Q если , ) Q ( CO CO CO CO CO CO CO СO T 90 0 90 80 9 1 0, - 80 60 1 60 50 5 1 0 50 0 . Q если , ; Q если , Q , ; Q если , ) Q ( CO CO CO CO СO K 80 1 80 70 70 1 0 70 0 Соответствующие уверенности определяются выражением: ) Q ( ) CO ( U CO T T , (2.14) ) Q ( ) CO ( U CO K K (2.15) Решение о классификации принимается по максимальному значению рассчитанных уверенностей ) CO ( U : ) Q ( U ), Q ( U ), Q ( U ), Q ( U ), Q ( U max К Т С Л H (2.16) При равенстве двух уверенностей решение принимается в пользу более тяжелой степени отравления. 68 В силу специфики решаемой задачи для проверки качества полученного решающего правила в практически приемлемые сроки собрать репрезентативную контрольную выборку, особенно по классам T и K , не представляется возможным. Поэтому проверка качества работы модели (2.16) осуществлялась методами экспертного оценивания и математического моделирования. Для экспертного оценивания привлекались семь высококвалифицированных специалистов-токсикологов, давших оценки диагностической чувствительности (ДЧ) и диагностической специфичности (ДС) по методу «Дельфи» [25]. Результаты экспертных оценок приведены в таблице 2.3. Таблица 2.3 – Экспертные оценки модели (2.16) ПК Н Л С T K ДЧ 0.94 0.96 0.96 0.97 0.98 ДС 0.96 0.97 0.98 0.98 0.97 Примечание: ПК – показатели качества. Для оценки качества работы модели (2.16) с использованием методов математического моделирования использовалась уточненная клиническая симптоматика, описанная в работе [16] в виде таблицы 2.4. В ходе моделирования данные о концентрации из таблицы 2.4 использовались для расчета ) CO ( U (модели 2.11, …, 2.15), классификация по модели (2.16) сопоставлялась с симптоматикой таблицы 2.4 и классификацией таблицы 2.2. В ходе такого сопоставления было установлено, что уверенность в правильной классификации превышает уровень 0,95. 69 Таблица 2.4 – Токсические концентрации и симптомы при отравлении людей СО (Н.В. Лазарев, 1977) 70 Продолжение таблицы 2.4 |