procyberВестник кибернетикиProceedings in Cybernetics1999-7604Бюджетное учреждение высшего образования Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Сургутский государственный университет»0.34822/1999-7604-2022-1-72-82procyber-418Research ArticleФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИPhysics and MathematicsРАЗЛИЧЕНИЕ ХАОТИЧЕСКИХ И РЕГУЛЯРНЫХ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ СОСТОЯНИЯ АРТЕРИОВЕНОЗНОЙ ФИСТУЛЫDIFFERENTIATING CHAOTIC AND REGULAR TIME SERIES FOR IDENTIFICATION OF ARTERIOVENOUS FISTULA STATEhttps://orcid.org/0000-0001-5891-6597ГромовВ. А.GromovV. A.

доктор физико-математических наук, профессор

E-mail: vgromov@hse.ru

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor

E-mail: vgromov@hse.ru

https://orcid.org/0000-0002-6761-2381МазайшвилиК. В.MazayshviliK. V.

доктор медицинских наук, профессор

E-mail: nmspl322@gmail.ru

Doctor of Sciences (Medicine), Professor

E-mail: nmspl322@gmail.ru

ЗаикинП. В.ZaikinP. V.

старший преподаватель

E-mail: zaikin_pv@surgu.ru

Senior Lecturer

E-mail: zaikin_pv@surgu.ru

https://orcid.org/0000-0003-2306-6216НиколаевЕ. Н.NikolaevE. N.

ординатор

E-mail: jeka.nickolaev@yandex.ru

Resident

E-mail: jeka.nickolaev@yandex.ru

БесчастновЮ. Н.BeschastnovYu. N.

стажер-исследователь

E-mail: y.beschastnov@mail.ru

Research Assistant

E-mail: y.beschastnov@mail.ru

ЗворыкинаЕ. И.ZvorykinaE. I.

студент

E-mail: y.zvorykina@gmail.com

Student

E-mail: y.zvorykina@gmail.com

https://orcid.org/0000-0003-0125-3811ПариновА. А.ParinovA. A.

старший преподаватель

E-mail: aparinov@hse.ru

Senior Lecturer

E-mail: aparinov@hse.ru

https://orcid.org/0000-0001-9106-2298НезнановА. А.NeznanovA. A.

кандидат технических наук, доцент

E-mail: aneznanov@hse.ru

Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor

E-mail: aneznanov@hse.ru

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», МоскваРоссияNational Research University Higher School of Economics, MoscowRussian FederationСургутский государственный университет, СургутРоссияSurgut State University, SurgutRussian Federation20220504202201 (45)7282Copyright © Громов В.А., Мазайшвили К.В., Заикин П.В., Николаев Е.Н., Бесчастнов Ю.Н., Зворыкина Е.И., Паринов А.А., Незнанов А.А., 20222022Громов В.А., Мазайшвили К.В., Заикин П.В., Николаев Е.Н., Бесчастнов Ю.Н., Зворыкина Е.И., Паринов А.А., Незнанов А.А.Gromov V.A., Mazayshvili K.V., Zaikin P.V., Nikolaev E.N., Beschastnov Y.N., Zvorykina E.I., Parinov A.A., Neznanov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestcyber.ru/jour/article/view/418

Предложен метод автоматической классификации рядов, отвечающих нормально и патологически функционирующей артериовенозной фистуле у пациентов на гемодиализе. Метод основывается на гипотезе о том, что нормально функционирующей фистуле соответствует течение крови, близкое к ламинарному, а патологически функционирующей – к турбулентному, и аналогии этой гипотезы математической задаче различения регулярных и хаотических временных рядов. Для решения задачи использовали два метода: первый предполагает отыскание позиции ряда на плоскости «энтропия – сложность» с последующим ее сравнением с выявленными кластерами значений множества временных рядов, второй (предложенный авторами) – построение объектно-атрибутного графа в рамках концепции анализа формальных понятий. Установлена эффективность обоих методов в определении состояния фистулы и оптимальность второго метода для определения тромбированных фистул.

The article proposes a method for the automatic classification of time series responding to normally and pathologically functioning arteriovenous fistula in patients during hemodialysis. The method is based on the hypothesis that a normally functioning fistula blood flow is laminar, and a pathologically functioning one is turbulent, as well as on its analogy to the mathematical problem on differentiation of regular and chaotic time series. Two methods were applied to solve the problem. The first method involved finding the series position in the entropy-complexity plane. Following that, the specified position was compared with the identified clusters of values of a time series set. Proposed by the authors, the second method involved constructing an object-attribute graph within the framework of the theory of formal concepts analysis. Both methods proved to be effective in determining the fistula state, with the second method being more efficient for detecting thrombosed fistulas.

хаотичные временные рядыкластеризациямедицинская диагностикаэнтропиясложностьchaotic time seriesclusteringmedical diagnosticsentropycomplexityИсследование выполнено с использованием суперкомпьютерного комплекса НИУ ВШЭ. Исследование выполнено при финансовой поддержке НИУ ВШЭ в рамках создания зеркальной лаборатории на базе факультета компьютерных наук.The research was carried out using the HSE University Supercomputer complex. The research was funded by the National Research University Higher School of Economics in the framework of establishing a Mirror Laboratory on the basis of the Computer Science Department.ReferencesChan L., Chaudhary K., Saha A. et al. AKI in Hospitalized Patients with COVID-19 // J Am Soc Nephrol. 2021. Vol. 32, Is. 1. P. 151-160.Chan L., Chaudhary K., Saha A. et al. AKI in Hospitalized Patients with COVID-19 // J Am Soc Nephrol. 2021. Vol. 32, Is. 1. P. 151-160.Hill N. R., Fatoba S. T., Oke J. L. et al. Global Prevalence of Chronic Kidney Disease // PLoS One. 2016. Vol. 11, Is. 7. P. 1-18.Hill N. R., Fatoba S. T., Oke J. L. et al. Global Prevalence of Chronic Kidney Disease // PLoS One. 2016. Vol. 11, Is. 7. P. 1-18.Liyanage T., Ninomiya T., Jha V. et al. Worldwide Access to Treatment for End-Stage Kidney Disease: A Systematic Review // The Lancet. 2015. Vol. 385, Is. 9981. P. 1975-1982.Liyanage T., Ninomiya T., Jha V. et al. Worldwide Access to Treatment for End-Stage Kidney Disease: A Systematic Review // The Lancet. 2015. Vol. 385, Is. 9981. P. 1975-1982.Burkhart H. M., Cikrit D. F. Arteriovenous Fistulae for Hemodialysis // Semin Vasc Surg. 1997. Vol. 10, Is. 3. P. 162‒165.Burkhart H. M., Cikrit D. F. Arteriovenous Fistulae for Hemodialysis // Semin Vasc Surg. 1997. Vol. 10, Is. 3. P. 162‒165.Hasuike Y., Kakita N., Aichi M. et al. Imbalance of Coagulation and Fibrinolysis Can Predict Vascular Access Failure in Patients on Hemodialysis after Vascular Access Intervention // J Vasc Surg. 2019. Vol. 69, Is. 1. P. 174‒180.e2.Hasuike Y., Kakita N., Aichi M. et al. Imbalance of Coagulation and Fibrinolysis Can Predict Vascular Access Failure in Patients on Hemodialysis after Vascular Access Intervention // J Vasc Surg. 2019. Vol. 69, Is. 1. P. 174‒180.e2.Ravani P., Quinn R., Oliver M. et al. Examining the Association between Hemodialysis Access Type and Mortality: The Role of Access Complications // Clin J Am Soc Nephrol. 2017. Vol. 12, Is. 6. P. 955-964.Ravani P., Quinn R., Oliver M. et al. Examining the Association between Hemodialysis Access Type and Mortality: The Role of Access Complications // Clin J Am Soc Nephrol. 2017. Vol. 12, Is. 6. P. 955-964.Salman L., Beathard G. Interventional Nephrology: Physical Examination as a Tool for Surveillance for the Hemodialysis Arteriovenous Access // Clin J Am Soc Nephrol. 2013. Vol. 8, Is. 7. P. 1220-1227.Salman L., Beathard G. Interventional Nephrology: Physical Examination as a Tool for Surveillance for the Hemodialysis Arteriovenous Access // Clin J Am Soc Nephrol. 2013. Vol. 8, Is. 7. P. 1220-1227.Sato T. New Diagnostic Method According to the Acoustic Analysis of the Shunt Blood Vessel Noise // Jpn Soc Dial Ther J. 2005. Vol. 2. P. 332-341.Sato T. New Diagnostic Method According to the Acoustic Analysis of the Shunt Blood Vessel Noise // Jpn Soc Dial Ther J. 2005. Vol. 2. P. 332-341.Kokorozashi N. Analysis of the Shunt Sound Frequency Characteristic Changes Associated with Shunt Stenosis // Jpn Soc Dial Ther J. 2010. Vol. 3. P. 287-295.Kokorozashi N. Analysis of the Shunt Sound Frequency Characteristic Changes Associated with Shunt Stenosis // Jpn Soc Dial Ther J. 2010. Vol. 3. P. 287-295.Todo A., Kadonaka T., Yoshioka M., Ueno A., Mitani M., Katsurao H. Frequency Analysis of Shunt Sounds in the Arteriovenous Fistula on Hemodialysis Patients // Proceedings of the 6th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems, and the 13th International Symposium on Advanced Intelligence Systems. 2012. P. 1113‒1118.Todo A., Kadonaka T., Yoshioka M., Ueno A., Mitani M., Katsurao H. Frequency Analysis of Shunt Sounds in the Arteriovenous Fistula on Hemodialysis Patients // Proceedings of the 6th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems, and the 13th International Symposium on Advanced Intelligence Systems. 2012. P. 1113‒1118.Remuzzi A., Ene-Iordache B. Novel Paradigms for Dialysis Vascular Access: Upstream Hemodynamics and Vascular Remodeling in Dialysis Access Stenosis // Clin J Am Soc Nephrol. 2013. Vol. 8, Is. 12. P. 2186-2193.Remuzzi A., Ene-Iordache B. Novel Paradigms for Dialysis Vascular Access: Upstream Hemodynamics and Vascular Remodeling in Dialysis Access Stenosis // Clin J Am Soc Nephrol. 2013. Vol. 8, Is. 12. P. 2186-2193.Brahmbhatt A., Remuzzi A., Franzoni M., Misra S. The Molecular Mechanisms of Hemodialysis Vascular Access Failure // Kidney Int. 2016. Vol. 89, Is. 2. P. 303-316.Brahmbhatt A., Remuzzi A., Franzoni M., Misra S. The Molecular Mechanisms of Hemodialysis Vascular Access Failure // Kidney Int. 2016. Vol. 89, Is. 2. P. 303-316.Badero O. J., Salifu M. O., Wasse H., Work J. Frequency of Swing-Segment Stenosis in Referred Dialysis Patients with Angiographically Documented Lesions // Am J Kidney Dis. 2008. Vol. 51, Is. 1. P. 93-98.Badero O. J., Salifu M. O., Wasse H., Work J. Frequency of Swing-Segment Stenosis in Referred Dialysis Patients with Angiographically Documented Lesions // Am J Kidney Dis. 2008. Vol. 51, Is. 1. P. 93-98.Lee T., Barker J., Allon M. Needle Infiltration of Arteriovenous Fistulae in Hemodialysis: Risk Factors and Consequences // Am J Kidney Dis. 2006. Vol. 47, Is. 6. P. 1020-1026.Lee T., Barker J., Allon M. Needle Infiltration of Arteriovenous Fistulae in Hemodialysis: Risk Factors and Consequences // Am J Kidney Dis. 2006. Vol. 47, Is. 6. P. 1020-1026.Raghavan U. N., Albert R., Kumara S. Near Linear Time Algorithm to Detect Community Structures in Large-Scale Networks // Phys Rev E. 2007. Vol. 76, Is. 3, Pt. 2. P. 036106.Raghavan U. N., Albert R., Kumara S. Near Linear Time Algorithm to Detect Community Structures in Large-Scale Networks // Phys Rev E. 2007. Vol. 76, Is. 3, Pt. 2. P. 036106.Buzmakov A., Egho E., Jay N., Kuznetsov S. O., Napoli A., Raïssi C. On Mining Complex Sequential Data by Means of FCA and Pattern Structures // Int J Gen Syst. 2015. Vol. 45, Is. 2. P. 135‒159.Buzmakov A., Egho E., Jay N., Kuznetsov S. O., Napoli A., Raïssi C. On Mining Complex Sequential Data by Means of FCA and Pattern Structures // Int J Gen Syst. 2015. Vol. 45, Is. 2. P. 135‒159.EA-56137. Регистр данных о состоянии сосудистого доступа у больных, находящихся на гемодиализе : заявка на регистрацию базы данных от 25.11.2021. URL: https://rospatent.gov.ru/ru/state servicesEA-56137. Регистр данных о состоянии сосудистого доступа у больных, находящихся на гемодиализе : заявка на регистрацию базы данных от 25.11.2021. URL: https://rospatent.gov.ru/ru/state servicesEA-56151. Мобильное приложение сбора, обработки и хранения данных в регистре с целью классификации состояния сосудистого доступа для гемодиализа: программа для ЭВМ : заявка на регистрацию от 08.02.2022. URL: https://rospatent. gov.ru/ru/stateservicesEA-56151. Мобильное приложение сбора, обработки и хранения данных в регистре с целью классификации состояния сосудистого доступа для гемодиализа: программа для ЭВМ : заявка на регистрацию от 08.02.2022. URL: https://rospatent. gov.ru/ru/stateservicesRosso O. A., Carpi L. C., Saco P. M., Ravetti M. G., Plastino A., Larrondo H. A. Causality and the Entropy-Complexity Plane: Robustness and Missing Ordinal Patterns // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2012. Vol. 391, Is. 1‒2. P. 42‒55.Rosso O. A., Carpi L. C., Saco P. M., Ravetti M. G., Plastino A., Larrondo H. A. Causality and the Entropy-Complexity Plane: Robustness and Missing Ordinal Patterns // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2012. Vol. 391, Is. 1‒2. P. 42‒55.Bandt C., Pompe B. Permutation Entropy: A Natural Complexity Measure for Time Series // Phys Rev Lett. 2002. Vol. 88, Is. 17. P. 174102. https://doi.org/10.1103/ PhysRevLett.88.174102.Bandt C., Pompe B. Permutation Entropy: A Natural Complexity Measure for Time Series // Phys Rev Lett. 2002. Vol. 88, Is. 17. P. 174102. https://doi.org/10.1103/ PhysRevLett.88.174102.Aggarwal C. C., Reddy C. K. Data Clustering: Algorithms and Applications. 1st ed. Chapman and Hall/CRC, 2014.Aggarwal C. C., Reddy C. K. Data Clustering: Algorithms and Applications. 1st ed. Chapman and Hall/CRC, 2014.Wishart D. Numerical Classification Methods for Deriving Natural Classes // Nature. 1969. Vol. 221. P. 97-98.Wishart D. Numerical Classification Methods for Deriving Natural Classes // Nature. 1969. Vol. 221. P. 97-98.Thrun M. C., Ultsch A. Using Projection-Based Clustering to Find Distance- and Density-Based Clusters in High-Dimensional Data // J Classif. 2020. Vol. 38. P. 280-312.Thrun M. C., Ultsch A. Using Projection-Based Clustering to Find Distance- and Density-Based Clusters in High-Dimensional Data // J Classif. 2020. Vol. 38. P. 280-312.Лапко А. В., Ченцов С. В. Непараметрические системы обработки информации. М. : Наука, 2000. 350 с.Лапко А. В., Ченцов С. В. Непараметрические системы обработки информации. М. : Наука, 2000. 350 с.Gromov V. A., Borisenko E. A. Predictive Clustering on Non-Successive Observations for Multi-Step Ahead Chaotic Time Series Prediction // Neural Computing and Appl. 2015. Vol. 26. P. 1827-1838.Gromov V. A., Borisenko E. A. Predictive Clustering on Non-Successive Observations for Multi-Step Ahead Chaotic Time Series Prediction // Neural Computing and Appl. 2015. Vol. 26. P. 1827-1838.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.