Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СУДЕБНО-МЕДИЦИНСКАЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКА ВНЕЗАПНОЙ СЕРДЕЧНОЙ СМЕРТИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛЕЙ МНОГОСЛОЙНОГО ПЕРЦЕПТРОНА И ДИСКРИМИНАНТНЫХ ФУНКЦИЙ

Халиков А.А. 1 Канзафарова Г.А. 1 Поздеев А.Р. 2 Кузнецов К.О. 3
1 ФГБОУ ВО «Башкирский Государственный медицинский университет» Минздрава России
2 ФГБОУ ВО «Ижевская государственная медицинская академия» Минздрава России
3 ФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова»
Цель исследования – изучить взаимосвязь патоморфологических эквивалентов сердечного танатогенеза, оптической плотности перикардиальной жидкости при судебно-медицинской экспертизе внезапной сердечной смерти и создание математических уравнений на основе искусственных нейронных сетей и функциях дискриминантного анализа. Случайным образом нами были выбраны 178 трупов лиц в возрасте от 22 до 90 лет обоих полов с сердечными и несердечными типами танатогенеза. Время от момента наступления биологической смерти человека не превышало одних суток, не обнаруживалось видимых поздних трупных явлений. Жидкость из сердечной сорочки бралась при рассечении перикарда в объеме 5 мл стерильным одноразовым шприцем. Спектрофотометрия проводилась сразу же после взятия образцов. Применяли современный однолучевой спектрофотометр СФ-2000 с высокой точностью проводимых измерений в диапазоне волн от 330 до 550 нм в кварцевых кюветах К-10 объемом 1 мл. Нами было установлено, что алгоритм с расчетом дискриминантных уравнений и определением диагностических признаков, как и использование модели на основе многослойного перцептрона, предназначенного для практических целей, применим как дополнительный метод для постановки диагноза и определения внезапной сердечной смерти (опираясь на полученные результаты расчета сердечного типа танатогенеза и обстоятельства наступления смерти). Традиционное судебно-медицинское исследование трупа, дополненное спектрофотометрией перикардиальной жидкости, расчетом дискриминантных функций или применением искусственной нейронной модели, которые легко могут быть автоматизированы, позволят ускорить и упростить постановку диагноза внезапной сердечной смерти.
внезапная сердечная смерть
определение типов танатогенеза
инфаркт миокарда
перикардиальная жидкость
судебная медицина
1. Imazio M., Biondo A., Ricci D., Boffini M., Pivetta E., Brucato A., Giustetto C., De Ferrari G.M., Rinaldi M. Contemporary biochemical analysis of normal pericardial fluid. Heart. 2020. Vol. 106. No. 7. P. 541–544.
2. Тимофеев И.В. Патология лечения. Руководство для врачей. СПб.: Северо-Запад, 1999. 656 с.
3. Халиков А.А., Канзафарова Г.А., Поздеев А.Р., Кузнецов К.О. Изучение оптической плотности перикардиальной жидкости трупов при различных типах танатогенеза // Современные проблемы науки и образования. 2021. № 2. С. 146.
4. Берестовская B.C. Перикардиальная жидкость как объект исследования сердечных маркеров при внезапной сердечной смерти: автореф. дис. … канд. мед. наук. Санкт-Петербург, 2002. 21 с.
5. Халиков А.А., Аминева Г.М., Кузнецов К.О., Искужина Л.Р., Халикова Л.В. Влияние факторов индивидуальности (пол, возраст, категория смерти) на показатели биофизической объективизации прижизненных повреждений гнилостно измененного трупа // Судебно-медицинская экспертиза. 2021. Т. 64. № 4. С. 25–29.
6. Баганова З.А., Магомедова П.О., Алипова М.М. Искусственные нейронные сети // Вопросы устойчивого развития общества. 2021. № 4. С. 412–431.
7. Zhang Zh.-Y., Liu J. Dynamic Raman Fusion Spectroscopy For Rapid Quality Discriminant Analysis Of Red Wine. Zurnal Prikladnoj Spektroskopii, 2020. No 1. P. 116–121.

Известно, что наибольшие сложности возникают в случаях смерти от острых форм ишемической болезни сердца, таких как острая коронарная недостаточность и острый инфаркт миокарда в донекротической стадии, когда смерть наступает на фоне полного благополучия. Одним из основных вопросов, решаемых в ходе проведения судебно-медицинской экспертизы трупов скоропостижно умерших людей, является вопрос о непосредственной причине смерти [1–3].

В последнее время активно внедряются в судебно-медицинскую практику биофизические методы исследования [1, 5, 5]. В предыдущей публикации показана значимость перикардиальной жидкости в диагностике внезапной сердечной смерти человека [3]. Практическое применение полученных результатов нами видится в создании математических моделей, упрощающих диагностику внезапной сердечной смерти в ходе судебно-медицинской экспертизы. В качестве методов нами выбраны искусственные нейронные сети, представляющие собой своеобразный набор нейронов на входе которых подаются данные в сеть, а на выходе выдается результат, указывающий на тип танатогенеза [6], а также методы классификации, основанные на функциях дискриминантного анализа [7].

Цель исследования – изучение взаимосвязи патоморфологических эквивалентов сердечного танатогенеза, оптической плотности перикардиальной жидкости при судебно-медицинской экспертизе внезапной сердечной смерти и создание математических уравнений на основе искусственных нейронных сетей и функциях дискриминантного анализа.

Материалы и методы исследования

Исследование одобрено этической комиссией. Случайным образом выбраны 178 трупов лиц в возрасте от 22 до 90 лет обоих полов с сердечными и несердечными типами танатогенеза. Время от момента наступления биологической смерти человека не превышало одних суток, не обнаруживалось видимых поздних трупных явлений. Исследование проводилось стандартными методами в соответствии с Приказом Минздравсоцразвития России от 12 мая 2010 г. № 346н «Об утверждении Порядка организации и производства судебно-медицинских экспертиз в государственных судебно-экспертных учреждениях Российской Федерации». Секционное исследование для характеристики типов танатогенеза (сердечного, мозгового, легочного, смешанного) дополнялось количественной оценкой патоморфологических эквивалентов, выраженных в баллах [2].

Таблица 1

Балльная оценка патоморфологических эквивалентов

Баллы

Выраженность признака

0

Снижено или отсутствует

1

Норма

2

Слабо увеличено

3

Выраженно увеличено

4

Значительно увеличено

Жидкость из сердечной сорочки бралась при рассечении перикарда в объеме 5 мл стерильным одноразовым шприцем. Спектрофотометрия проводилась сразу же после взятия образцов. Применяли современный однолучевой спектрофотометр СФ-2000 с высокой точностью проводимых измерений в диапазоне волн от 330 до 550 нм в кварцевых кюветах К-10 объемом 1 мл. От каждого трупа набиралось не менее 3 кювет с перикардиальной жидкостью с последующим расчетом среднего значения её оптической плотности.

Критериями для отнесения случаев внезапной смерти к сердечному типу (лево- и правожелудочковый) танатогенеза был комплекс признаков, который удовлетворял всех участвовавших в экспертизе судебно-медицинских экспертов (танатологов, гистологов, химиков, биологов). Этот комплекс признаков использовался и для составления окончательного варианта заключения эксперта (акта исследования трупа).

Все учитываемые факторы вместе с результатами исследования вносились в базу данных, сформированную с помощью программы Microsoft Excel, анализ проводили с использованием пакета программного обеспечения SPSS Statistics версии 23 (SPSS, Чикаго, Иллинойс, США). Статистическая значимость различий между сравниваемыми группами определялась для независимых групп тестом Манна – Уитни. Критический уровень значимости α был взят за 0,05. Для определения важности предикторов использовались искусственные нейронные сети (многослойный перцептрон).

Результаты исследования и их обсуждение

Скончавшиеся по возрасту распределялись следующим образом: 20–29 лет – 10 (5,6 %), 30–39 лет – 24 (13,5 %), 40–49 лет – 25 (14,0 %), 50–59 лет – 46 (25,8 %), 60–69 лет – 30 (16,9 %), 70–79 лет – 27 (15,2 %), 80–90 лет – 16 (9,0 %). Мужчин было 125 (69,8 %), женщин – 53 (29,6 %). Алкоголь встречался в 69 наблюдениях (38,8 %): легкая степень алкогольного опьянения определена в 14 (20,3 %) случаях, средняя – в 16 (23,2 %), сильная – в 4 (5,8 %), тяжелая – в 20 (29,0 %) случаях, отравление, не совместимое с жизнью, – в 15 (21,7 %) случаях. Внезапная сердечная смерть отмечена в 43 (24 %) случаях. Летальный исход в результате остро возникших осложнений заболеваний сердечно-сосудистой системы отмечен в 92 (51,7 %) случаях, смерть от отравления этанолом в 15 (8,4 %) случаях, механической асфиксии в 37 (20,8 %) случаях, гибель на месте происшествия от механических повреждений, не совместимых с жизнью, произошла в 34 (19,1 %) случаях.

Результаты распределения патоморфологических эквивалентов с учетом балльно-рейтинговой системы представлены в табл. 2.

Таблица 2

Средние значения патоморфологических признаков (в баллах)

п.п.

Патоморфологические и гистологические признаки

Mean± Std. Error of Mean

1.

Головной мозг: гидратация (отек)

3,01±0,06

2.

Головной мозг: кровенаполнение (геморрагии)

2,85±0,06

3.

Периваскулярное кровоизлияние

2,51±0,07

4.

Сердце: левый желудочек гидратация

3,31±0,06

5.

Сердце: левый желудочек кровенаполнение

3,19±0,07

6.

Сердце: правый желудочек гидратация

2,70±0,05

7.

Сердце: правый желудочек кровенаполнение

2,84±0,06

8.

Кровенаполнение венозных сосудов (хроническая сердечная недостаточность)

3,09±0,05

9.

Гипертрофия кардиомиоцитов

3,29±0,05

10.

Легкие: масса

2,78±0,06

11.

Легкие: гидратация (отек)

2,84±0,06

12.

Легкие: кровенаполнение

2,88±0,05

13.

В просвете альвеол экссудат

2,94±0,05

14.

Печень: масса

2,09±0,06

15.

Печень: гидратация

1,94±0,05

16.

Печень: кровенаполнение (застой крови)

2,17±0,05

 

В среднем

2,78±0,03

Из данных, представленных в табл. 2, значительно выделяются следующие признаки: гидратация головного мозга – 3,01±0,06, сердце: гидратация левого желудочка – 3,31±0,06 балла. Наименьшие значения, 1,94±0,05 балла, приходятся на гидратацию печени. Средние значения изучаемых патоморфологических эквивалентов соответствовали 2,78±0,03 балла, что указывает на границу слабо увеличенных от нормы признаков и указывает на их заинтересованность для характеристики типов танатогенеза.

Выделены патоморфологические эквиваленты (признаки) сердечного и иных, т.е. несердечных типов танатогенеза. Статистическая обработка полученного численного материала выполнена с использованием непараметрического U-критерия Манна – Уитни, позволяющего выявлять различия в значении параметра между малыми выборками по уровню признаков, измеренных количественно. Статистически значимые различия (p < 0,05) признаков 1–5, 7–9, 13–14 отражены в таблице расчетов (табл. 1) и для наглядности в абсолютных величинах в виде диаграммы (рис. 1).

Таблица 3

Уровень значимости непараметрического U-критерия Манна – Уитни, показывающий различия в значении параметров в группе с сердечным и иными типами танатогенеза

 

Null Hypothesis

Test

Sig.

Decision

1

The distribution of гидратация is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,000

Reject the null

Hypothesis.

2

The distribution of кровенаполнение is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,000

Reject the null

Hypothesis.

3

The distribution of периваскулярное кровоизлияние is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,000

Reject the null

Hypothesis.

4

The distribution of гидратация_A is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,002

Reject the null

Hypothesis.

5

The distribution of кровенаполнение_A is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,010

Reject the null

Hypothesis.

6

The distribution of гидратация_B is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,193

Retain the null

Hypothesis.

7

The distribution of кровенаполнение_B is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,004

Reject the null

Hypothesis.

8

The distribution of кровенаполнение венозных сосудов is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,006

Reject the null

Hypothesis.

9

The distribution of гипертрофия кардиомиоцитов is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,000

Reject the null

Hypothesis.

10

The distribution of Легкие масса is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,902

Retain the null

Hypothesis.

11

The distribution of гидратация_C is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,223

Retain the null

Hypothesis.

12

The distribution of кровенаполнение_C is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,651

Retain the null

Hypothesis.

13

The distribution of Просвет альвеол is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,013

Reject the null

Hypothesis.

14

The distribution of Печень масса is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,037

Reject the null

Hypothesis.

15

The distribution of гидратация_D is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,0935

Retain the null

Hypothesis.

16

The distribution of кровенаполнение_D is the same across categories of Tanatos3_Cor.

Independent

Samples

Mann-Whithey U

Test

,112

Retain the null

Hypothesis.

Рис. 1. Диаграмма распределения патоморфологических признаков (эквивалентов) средних значений (в баллах) сердечного типа с иными типами

Следующим шагом анализа стала проверка гипотезы о возможности на основе результатов исследования оптической плотности (D) перикардиальной жидкости и ряда патоморфологических эквивалентов классифицировать сердечный/несердечный тип танатогенеза.

Для задач распознавания образов сердечного типа танатогенеза по патоморфологическим эквивалентам удобнее применять дискриминантный метод, который позволяет выбирать те переменные, которые разделяют наборы данных. Дискриминантный анализ на восьмом шаге итераций программы оставил статистически значимые факторы (p < 0,05), которые влияют на увеличение расстояния Махаланобиса между группами с сердечным/несердечным типом танатогенеза (табл. 4).

Таблица 4

Результаты включения значимых изучаемых параметров в дискриминантную функцию на восьмом шаге программы

Шаг

Изучаемые показатели

Несердечный тип танатогенеза

Сердечный тип танатогенеза

8

Увеличенная гидратация

0,702

3,263

Кровенаполнение венозных сосудов

0,913

3,675

Периваскулярные кровоизлияния

0,702

4,130

Опт плотность 540

0,303

3,793

Опт плотность 410

0,311

4,228

Увеличение массы легких

0,925

4,284

Распределение канонической дискриминантной функции показано на рис. 2, где наглядно видно разделение сердечного (слева) и несердечного (справа) типов танатогенеза. Наиболее значимыми для верифицирования сердечного типа танатогенеза оказались шесть признаков. Первые из них – повышенная гидратация, увеличенное кровенаполнение венозных сосудов, периваскулярные кровоизлияния. Последующими по важности признаками оказались: оптическая плотность перикардиальной жидкости, измеренная в длинах волн света 540 и 410 нм. Далее следует признак увеличенной массы легких трупа. Остальные признаки (алкоголь в крови, место смерти: «улица», «дом/квартира», «автомобиль» и др.) были исключены, как не оказывающие достоверного влияния на расстояние Махаланобиса.

Рис. 2. Каноническая дискриминантная функция при сердечном/несердечном типах танатогенеза

Распределение полученных дискриминантной функцией результатов представлено в табл. 5. На основании изучаемых признаков удается в 83,6 % корректно осуществить распределение всех случаев в группы в зависимости от отношения к сердечному типу танатогенеза. Из таблицы дискриминантная функция позволяет корректно выделить 76,7 % случаев сердечного типа танатогенеза, в 23,3 % случаев происходит перекрытие со смешанным типом танатогенеза. Несердечный тип танатогенеза корректно выделяется в 87,7% случаев, а 12,3 % – перекрывается с сердечным типом. В целом можно говорить о возможности систематизации сердечного/несердечного типов танатогенеза, опираясь на рассчитанную нами дискриминантную функцию.

Таблица 5

Классифицирование результатов на основе дискриминантной функции

Classification Resultsa

Tanatos_Cor

Predicted Group Membership

Total

Несердечный тип

Сердечный тип

Original

Count

Несердечный тип

64

9

73

Сердечный тип

10

33

43

%

Несердечный тип

87,7

12,3

100,0

Сердечный тип

23,3

76,7

100,0

a. 83,6 % of original grouped cases correctly classified.

Дискриминантный анализ выделил одну функцию, которая описывает 100 % всех случаев (Chi-square =83,8). Стандартизированные канонические коэффициенты дискриминантной функции приведены в табл. 6. Канонические коэффициенты дискриминантной функции с константой представлены в табл. 7. Функции в групповых центроидах отражены в табл. 8. Новые случаи могут быть рассчитаны на основе дискриминантных функций и отнесены к одному из вариантов танатогенеза с использованием значимых шести признаков.

Таблица 6

Стандартизированные канонические коэффициенты дискриминантной функции Standardized Canonical Discriminant Function Coefficients

Признаки

Function

1

Увеличенная гидратация

0,67

Периваскулярное кровоизлияние

0,44

Кровенаполнение венозных сосудов

-0,51

Увеличение массы легких

0,34

Опт. плотность 410

0,62

Опт. плотность 540

-0,83

Таблица 7

Канонические коэффициенты дискриминантной функции

Признаки

Function

1

Увеличенная гидратация

0,84

Периваскулярное кровоизлияние

0,45

Кровенаполнение венозных сосудов

-0,58

Увеличение массы легких

0,37

Опт. плотность 410

1,15

Опт. плотность 540

-1,95

(Constant)

-2,84

Таблица 8

Канонические коэффициенты дискриминантной функции (Functions at Group Centroids)

Tanatos_Cor

Function

1

Несердечный тип

0,819

Сердечный тип

-1,371

Unstandardized canonical discriminant functions evaluated at group means

Таким образом, функция классификации позволяет корректно классифицировать 83,6 % случаев, при этом для сердечного типа танатогенеза она составила 76,7 %, в 23,3 % случаев происходит перекрытие со смешанным типом танатогенеза. Несердечный тип танатогенеза корректно выделяется в 87,7 % случаев, а 12,3 % приходятся на сердечный тип танатогенеза. Опираясь на значения дискриминантной функции, составляем уравнения функции классификации для каждого типа танатогенеза с использованием коэффициентов классификационной функции (табл. 9) статистически значимых признаков.

Таблица 9

Коэффициенты классификационной функции

Признаки

Тип танатогенеза

Несердечный

Сердечный

Увеличенная гидратация

4,43

2,60

Периваскулярное кровоизлияние

1,94

0,94

Кровенаполнение венозных сосудов

2,11

3,38

Увеличение массы легких

4,03

3,22

Опт. плотность 410

10,43

7,93

Опт. плотность 540

-6,61

-2,33

(Constant)

-25,71

-20,61

Fisher's linear discriminant functions

Уравнения функции классификации (1.1; 1.2) для сердечного/несердечного типов танатогенеза будут выглядеть следующим образом:

Изображение выглядит как текст

Автоматически созданное описание

Изображение выглядит как текст

Автоматически созданное описание

При наибольшей сумме баллов получается с вероятностью 83,6 % сердечный или несердечный тип танатогенеза.

Для выявления значимых предикторов и построения модели использованы нейронные сети (рис. 3). Искусственная нейронная сеть – это математическая модель вместе с ее аппаратной и программной реализацией, построенная по принципу действия биологической нейронной сети и предназначенная для установления взаимосвязанности данных [6].

Рис. 3. Модель многослойного перцептрона (на входе изучаемые признаки, на выходе – вариант сердечного/несердечного типа танатогенеза)

По результатам анализа важности предикторов многослойным перцептроном получена модель с более высоким уровнем выявления сердечного типа танатогенеза 96,3 % на обучающей выборке (табл. 10, рис. 4).

Таблица 10

Классифицирование результатов на основе функции модели многослойного перцептрона

Classification

Sample

Observed

Predicted

Несердечный тип

Сердечный тип

Percent Correct

Тraining

Несердечный тип

85

11

88,5 %

Сердечный тип

1

26

96,3 %

Overall Percent

69,9 %

30,1 %

90,2 %

Testing

Несердечный тип

11

1

91,7 %

Сердечный тип

1

5

83,3 %

Overall Percent

66,7 %

33,3 %

88,9 %

Holdout

Несердечный тип

7

0

100,0 %

Сердечный тип

2

8

80,0 %

Overall Percent

52,9 %

47,1 %

88,2 %

Dependent Variable: Tanatos_Cor

 

Рис. 4. Графики достижения (gain) выделения (зеленый цвет) сердечного типа танатогенеза и чувствительности (sensitivity) используемых предикторов

Таким образом, алгоритм с расчетом дискриминантных уравнений и определением диагностических признаков, как и использование модели на основе многослойного перцептрона, предназначенного для практических целей, применим как дополнительный метод для постановки диагноза и определения внезапной сердечной смерти (опираясь на полученные результаты расчета сердечного типа танатогенеза и обстоятельства наступления смерти). Традиционное судебно-медицинское исследование трупа, дополненное спектрофотометрией перикардиальной жидкости, расчетом дискриминантных функций или применением искусственной нейронной модели, которые легко могут быть автоматизированы, позволят ускорить и упростить постановку диагноза внезапной сердечной смерти.


Библиографическая ссылка

Халиков А.А., Канзафарова Г.А., Поздеев А.Р., Кузнецов К.О. СУДЕБНО-МЕДИЦИНСКАЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКА ВНЕЗАПНОЙ СЕРДЕЧНОЙ СМЕРТИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛЕЙ МНОГОСЛОЙНОГО ПЕРЦЕПТРОНА И ДИСКРИМИНАНТНЫХ ФУНКЦИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2022. – № 1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=31353 (дата обращения: 23.05.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074