Информационный подход к анализу биосубстратов и формирование систем поддержки принятия решений на его основе Старцева, Ольга Николаевна

Введение к работе

Актуальность проблемы. Медицинский лабораторный анализ (МЛА), как частный случай аналитических исследований, представляет собой сложную многоуровневую систему-процесс, основной целью которой является получение диагностической информации о состоянии организма пациента. Он отличается многоэтапной, разнообразной по содержанию структурой операций с веществом биопробы и сигналами измерительных преобразователей, последовательность которых складывается в сложный технологический процесс. Отсутствие детально разработанных способов отображения структур таких процессов, заменяющих словесные описания возможных вариантов взаимосвязи между их составляющими, существенно осложняет освоение и практическое применение подобных систем. Недостаточно проработаны и методы их исследования, что затрудняет оптимизацию технологических схем выполнения анализов, развитие новых методик и т. п. Кроме того, отсутствует единая классификация аналитических методов, используемых в клинико-диагностических лабораториях (КДЛ).

Освоение лабораторных технологий и реализация процесса аналитических исследований - сложнейшая задача для специалистов всех уровней. Сегодня для обслуживания КДЛ, кроме медицинских специалистов (лаборантов и клиницистов), инженеров и техников, привлекаются экономисты, менеджеры, маркетологи, формируются различные отделы и группы экспертов. Объем лабораторных исследований, выполняемых во всем мире в целях диагностики заболеваний и контроля за состоянием пациентов, с каждым годом неуклонно растет. Анализ номенклатуры лабораторных исследований показывает, что для КДЛ уровня ЛПУ - клинического стационара - количество проводимых исследований по различным специализированным лабораториям составляет не менее 1560 самостоятельных исследований. Специалистам необходимо владеть информацией о многочисленных элементах КДЛ - таких как оборудование и анализаторы, выполняющие соответствующие исследования, физико-химические методы, реагенты, медицинские методики и т. п. МЛА, ранее представлявший собой небольшой набор выполняемых тестов, в настоящее время связан с использованием сложных медицинских технологий и наукоемкого оборудования. Наряду с этим происходит постоянное расширение базы знаний и усложнение методик выполнения исследований, совершенствование приборов до высоко интегрированных, самостоятельных систем.

Все перечисленные факторы обуславливают разнообразие форм получаемой медицинской информации, сложность ее анализа и принятия решений, что требует обязательного привлечения ПЭВМ в сферу КДЛ. Одной из составляющих данного процесса является развитие компьютерных медицинских систем информационной поддержки принятия решений (СИППР). Однако сегодня разработано крайне незначительное, по сравнению с потребностями современной медицины, количество подобных систем.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ} БИБЛИОТЕКА J

Построение эффективных СИППР различного назначения остается актуальной задачей, далекой от своего завершения.

Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью:

развития комплексного подхода ко всестороннему исследованию этапов технологического процесса МЛА от отбора биопробы из исследуемой среды до получения диагностического заключения;

создания способов описания сложных технологических процедур лабораторных исследований и их формализации;

разработки критериев классификации аналитических методов и изучения методических схем реализации различных исследований;

создания систем информационной поддержки принятия решений специалистов в области МЛА.

Цель работы: разработка принципов и методологии решения проблем получения и интерпретации диагностической информации при реализации технологических процессов исследования биосубстратов в КДЛ (аналитических лабораториях).

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: 1. Изучение состояния исследований в области построения систем диагностики и информационной поддержки принятия решений в МЛА.

Р₍ '2. Разработка информационного подхода к процессу анализа биосубстратов.

1. Развитие методов описания сложных технологических процедур, к которым относятся процедуры МЛА, как процессов информационных преобразований, и разработка правил построения информо-структурных моделей процедур исследования биосубстратов на разных этапах анализа.

2. Систематизация методических схем на основе построения системы критериев классификации аналитических методов.

3. Синтез алгоритмов интерпретации результатов лабораторных исследований.

4. Разработка систем информационной поддержки принятия решений, необходимых на всех этапах МЛА, включая как собственно технологический процесс исследования биосубстратов, так и получение и интерпретацию результатов.

5. Экспериментальное подтверждение перспективности развитых принципов при решении проблем выявления и использования диагностической информации, а также внедрение их в аналитическую практику.

Объектом исследования настоящей работы является медицинский лабораторный анализ, включающий процессы исследования биосубстратов, а также получения и интерпретации результатов.

Предметом исследования являются информационные аспекты процесса получения и использования диагностических данных МЛА. . 1, . На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Предложенный информо-структурный подход к описанию процедур МЛА позволяет"представить технологический процесс в виде многоуровневой

.3

иерархической системы, включающей все составляющие - от взятия биопробы из исследуемой среды до интерпретации получаемых диагностических данных.

2. Развитый способ построения информо-структурных моделей,
положенный в основу отображения структур информационных
преобразований, дает возможность формирования описаний любых сколь
угодно сложных технологических процессов МЛА.

3. Систематизация методов аналитических исследований на основе
формирования методических схем (МС-подход) позволила предложить их
новую классификацию, отражающую главные функциональные задачи
конкретных исследований и способы их реализации.

4. В области медицинского лабораторного анализа должно
предусматриваться два направления разработки систем информационной
поддержки: информационно-справочные системы и диагностические системы.
При этом в их информационную базу необходимо включать все элементы
МЛА, наиболее полно отражающие содержание системы, с обязательным их
поуровневым рассмотрением.

Научная новизна работы подтверждается следующими научными результатами:

1. Предложен информационный подход к изучению МЛА, позволяющий с единых позиций исследовать весь технологический процесс анализа, начиная от момента отбора биопробы до получения диагностического заключения.

2. Разработана многоуровневая иерархическая структура системы МЛА, включающая все ее основные компоненты и их взаимосвязи.

3. Предложена методология формирования информо-структурных моделей (ИСМ) различных технологических процессов МЛА, обеспечивающих получение информации о характеристиках исследуемых биосубстратов.

4. Разработаны принципы построения методических схем реализации технологических процедур МЛА, дающие возможность комплексно решать задачи классификации аналитических методов исследования.

5. Разработана система сравнительных критериев классификации аналитических методов, позволившая сформировать единую систему методов медицинских аналитических исследований.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основании информационного подхода, изложенных в диссертации, разработаны и внедрены в клиническую и лабораторную практику методы описания сложных технологических процессов, а также компьютерные системы поддержки принятия решений для специалистов в области медицинского лабораторного анализа. Кроме того, практическую ценность представляют:

6. Основные принципы классификации и анализа информации, получаемой и используемой в процессе МЛА.

7. Комплекс ИСМ наиболее распространенных в практике процедур лабораторных исследований биосубстратов.

8. Технология разработки ИСМ и методических схем, позволяющая отображать сколь угодно сложные технологические процессы аналитических исследований.

4. Типовые методические схемы лабораторных методов, положенные в основу наиболее часто применяемых в КДЛ исследований биосубстратов.

5. Компьютерные алгоритмы дифференциальной диагностики некоторых групп заболеваний на основе лабораторных показателей.

6. Специализированные программные системы информационной поддержки принятия решений для специалистов в области МЛА.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные в работе, использовались при выполнении научно-исследовательских работ в СП6ТЭТУ в рамках комплексных научно-технических программ, в том числе: «Университеты России», «Конверсия», «Технологии живых систем», в рамках Договора о развитии- сотрудничества между Каролинским госпиталем (Стокгольм, Швеция) и СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова, а также Российской Ассоциацией медицинской лабораторной диагностики.

Результаты диссертационной работы также использованы при создании экспертной системы для поддержки принятия' решений в гематологии, разрабатываемой совместно с сотрудниками факультета математики, и информатики университета г. Бремена (Германия).

Результаты работы внедрены на кафедрах СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова: Клинической лабораторной диагностики; Клинической патофизиологии; Госпитальной терапии им. акад. М. В. Черноруцкого; в четырех лабораториях ЦКДЛ СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова; в учебном процессе кафедр СПбГЭТУ и СПбГМУ. Информация о разработанных СИППР передана и в другие медицинские и технические учреждения.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах в России и за рубежом. Среди - них:- «Проблемы развития работ по лабораторно-диагностической технике» (Смоленск, 1988), «5. Zentrale Wissenschaftliche Konferenz der Studenten und jungen Wissenschaftler zu Schwerpunkten des wissenschaftlichtechnischen Fortschritts in Medizin» (Dresden,- Germany, 1989), «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов» (Уфа, 1989), «Wissenschaftlmischen Eaboruntersuche Fortschrittechungder- Geratetechnik und, Geretetechnologie» (Dresden, Germany, 1990), «Медицинские информационные системы» (Таганрог, 1991), «Системный анализ и принятие решений» (Махачкала, 1991), «Биомод-92» (СПб, 1992), «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» (Владимир, 1994), «Современные технологии обучения» (СПб, 1996,-1999, 2001), «ДИМЭБ-98» (СПб, 1998), «Медицинские информационные системы МИС-98» (Таганрог, 1998), «Фундаментальные исследования в технических университетах» (СПб; 1999), «Измерительные информационные технологии и приборы в охране здоровья МЕТРОМЕД-99» (СПб, 1999), «Новые технологии в здравоохранении и медицинском образовании» (СПб, 1999), 5^th Baltic Congress of Eaboratory Medicine, (Vilnius, 2000), 14^th IFCC-FESCC European Congress of Clinical Chemistry and laboratory Medicine EUROMEDLAB-2001, (Prague, Czech Republic, 2001), «Актуальные

проблемы патофизиологии» (СПб, 2002, 2003), «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» (Махачкала, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 печатных работ, из них - 1 монография, 2 учебных пособия, 18 статей, тезисы к 25-и докладам на международных и всероссийских НТК и 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 375 наименований, и 21-го приложения. Основная часть работы изложена на 253 страницах машинописного текста. Работа содержит 63 рисунка и 49 таблиц.