Введение к работе
Актуальность темы. Перспективы развития компьютерного моделирования и мониторинговых подходов в системах диагностики, управления выбором лечения и слежения за показателями клинического состояния биообъекта обусловливают актуальность предлагаемой работы. Несмотря на большое количество исследований, посвященных проблемам разработки критериев диагностики в слабо алгоритмически опреде-. ленных предметных областях знаний, ошибки в постановке диагноза, в частности, на ранних стадиях развития патологического процесса (и вследствие этого - выбор неадекватной терапии), определяют важность многовариантного моделирования в медицинских системах и перспективность разработки автоматизированных систем интеллектуально-информационной поддержки принятия решений, ориентированных на использование неформальных знаний и правил, лежащих в основе врачебной логики, и предоставляющих врачу-специалисту новую дополнительную информацию о состоянии биообъекта в модельно-графической форме, воздействующей на интуитивное и образное мышление врача.
Сложность построения строгих математических моделей в условиях отсутствия четкой дифференциации медицинских показателей между нозологическими формами заболеваний, избыточность фоновой информации о состоянии биообъекта, необходимость учета влияния на него факторов внешней среды, нечеткости границ рассматриваемых классов нозологических форм, неединственность известных классификаций заболеваний, а также многообразие возможных диагностируемых состояний биообъекта с учетом индивидуальности проявления его характеристик, - все это обусловливает целесообразность применения аппарата нечетких множеств.
Актуальность разработки математических моделей классификации на нечетком подмножестве диагностических признаков, позволяющих выделять пограничные стадии заболевания (например, в области терапевтической стоматологии - детализировать пограничную стадию неосложненного кариеса как вторую стадию начального и первую стадию поверхностного кариеса; в психологическом консультировании - корректно соотнести пограничное состояние личности, находящееся между бесконфликтным и конфликтным вариантами поведения, к условной «норме»), обусловлена необходимостью обоснованного выбора приоритетных методов консервативного лечения.
Часто задача корректного распознавания симптоматической картины заболевания может быть осложнена как присутствием интеркуррентных заболеваний, так и субъективной мотивацией поведения пациента во время беседы с врачом. В клинической урологии наличие индивидуальной ва-
2 риабельности в оценке степени тяжести симптоматики заболевания простаты, существование нескольких классификаций заболевания обусловливают необходимость разработки математических моделей и алгоритмов выбора вида лечения доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) для обоснованного назначения приоритетных нетравматичных неинвазивных, мало- и минимально инвазивных методов неоперативного лечения, а также методов хирургического вмешательства, базирующихся на высоких медицинских технологиях.
Многообразие клинической картины течения и исходов многих заболеваний, в частности, шизофрении, определяет сложность задачи выбора терапии, предупреждающей развитие отрицательного лекарственного патоморфоза и формирование фармакорезистентности (ФР) у больного. Необходимость анализа клинических, гормональных, иммунных, клинико-гормональных и клинико-иммунных эффектов в процессе терапии нейро-пептидами и применение немедикаментозных методов лечения, прогнозирование динамики клинического профиля в мониторинговом процессе обусловливают важность построения моделей и алгоритмов управления процессом преодоления ФР.
За последнее десятилетие комплексное исследование и решение задач выявления степени и характера зависимости показателей уровня здоровья населения от факторов внешней среды получили новую возможность реализации на базе компьютерных геоинформационных систем (ГИС), что связано с пространственной организацией и анализом динамически изменяющихся причинно-следственных связей между показателями факторов. Моделирование ситуаций по данным медицинского мониторинга, прогнозирование значений уровней заболеваемости населения территориальных единиц с учетом экологического подхода, управление визуализацией результатов моделирования необходимо для обоснования принятия решений по выбору стратегии организации лечебных мероприятий на любом уровне системы здравоохранения и обусловлено повышенным. вниманием к изучению роли .геофакторов как в возникновении, так и в изменении клиники многих заболеваний, что связывается с нарушениями биологической адаптации организма, отрицательным влиянием психоэмоциональных факторов, порождаемых "информационной революцией", изменением социально-экономических условий общества и ухудшением экологической обстановки регионов.
Таким образом, компьютерные подсистемы интеллектуально-информационной поддержки принятия решений, реализующие математические
модели классификации и диагностики состояний биообъектов, алгоритмические схемы выбора лечения и методы визуальной трансформации в условных графических образах результатов моделирования имеют важное значение для практического здравоохранения для повышения эффективности принимаемых решений как с учетом индивидуальных особенностей состояния объекта исследования, так и с учетом пространственно-временного аспекта взаимодействия объектов.
Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в образовании" в рамках единого заказа-наряда МОиПО России по направлению "Информатизация образования" и в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине".
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного
исследования является многовариантное моделирование медицинской информации, алгоритмизация процессов принятия решений в задачах диагностики, выбора лечения, управления визуализацией информации, реализуемых в компьютерных подсистемах информационной поддержки принятия решений, позволяющих классифицировать состояния биообъекта, прогнозировать оценки будущих его состояний в мониторинговом процессе с учетом данных, поступающих от врача на основе визуального анализа условных графических образов, интерпретирующих результаты моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ перспективных направлений развития компьютерных информационных технологий для обоснования необходимости разработки компонента визуальной трансформации результатов моделирования медицинских данных и ситуаций по принятию решений в условных графических образах;
разработать математические модели распознавания пограничных форм заболевания (что особенно важно на ранних этапах развития патологического процесса), реализующих предложенные методы формализации и структуризации медицинской информации с учетом ее особенностей;
разработать модель распознавания симптоматической картины заболевания, учитывающую нечеткость задания степени проявления симптомов качественного типа, и алгоритмические схемы рационального выбора лечебно-профилактических мероприятий на основе комплексной диагностики;
разработать алгоритм управления процессом преодоления фарма-корезистентности при назначении больным шизофренией неиропептидов и иглотерапии на основе предложенной логической модели выбора терапевтических воздействий;
осуществить структурную классификацию показателей медицинской отчетности с учетом территориально-временного аспекта на базе инвариантного информационного ядра;
разработать методы визуальной трансформации в условных графических образах динамики оценок клинического состояния биообъекта, оценок межличностного восприятия индивидуумов в клиринговых психологических системах, трудно формализуемых в текстовом описании результатов классификации состояний биообъекта с использованием когнитивного подхода, результатов математико-картографического моделирования взаимодействий пространственных объектов;
разработать комплексную методику многовариантного моделирования медико-экологических показателей качества состояния среды и здоровья людей как основного компонента автоматизированного медицинского кадастра;
реализовать разработанные модели, методы и алгоритмы в подсистемах информационной поддержки принятия решений на базе компьютерных информационных технологий;
апробировать результаты исследований в клинических условиях.
Методы исследования для решения поставленных задач объединяются на основе системного подхода к решаемой проблеме. Используются аппарат и методы теории распознавания образов, принципы и основные положения теории вероятностей и математической статистики,. нечеткой логики, многомерного шкалирования, методы и модели теории управления, принципы теории программирования, современные методики лечения в клинической урологии и психиатрии, в терапевтической стоматологии. Достоверность теоретических результатов подтверждается данными экспериментальных исследований в клинических условиях.
Научная новизна результатов исследования состоит в том, что разработаны модели, методы и алгоритмы классификации, диагностики, управления выбором вида лечения, использующие возможности визуальной трансформации результатов моделирования и позволяющие обеспечить информационную поддержку принимаемых врачом решений, повысить их эффективность и качество. В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
5 математические модели классификации и распознавания пограничных стадий заболевания, ориентированные на использование аппарата нечеткой логики и формализованных правил-эвристик, учитывающих различную степень информативности и нечеткость задания признаков и характеристик, описывающих состояние объекта исследования, отличающиеся формированием уточненных оценок близости состояний исспедуемых биообъектов как к условным нормам рассматриваемых классов заболеваний, так и между объектами в психологических клиринговых системах;
алгоритмические схемы комплексной диагностики и рационального выбора вида лечения, отличающиеся этапом компьютерного самотестирования симптоматической картины заболевания, и представлением врачу-исследователю возможности варьирования шкалы интенсивности проявления качественных диагностических признаков и условных границ классов рассматриваемой патологии;
алгоритм управления процессом преодоления фармакоре-зистентности у больных шизофренией, отличающийся использованием результатов компьютерной визуализации в условных графических образах прогностических оценок клинического состояния больного с применением когнитивного подхода;
методы технологии визуальной трансформации результатов моделирования медицинской информации в условных графических образах, отличающиеся возможностями графического обоснования диагностических и прогностических оценок и трудно формализуемых в текстовом описании выводов, воздействующих на образное мышление врача;
комплексная методика информационной поддержки принятия решений по выбору лечебно-профилактических мероприятий, отличающаяся возможностью анализа пространственных взаимодействий объектов на основе многовариантного моделирования медико-экологических показателей качества окружающей среды и здоровья населения с использованием методологии геоинформационных технологий
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанное математическое, алгоритмическое, методическое и программное обеспечение задач классификации состояний биомедицинских объектов, управления процессом принятия решений по выбору лечебно-профилактических мероприятий, предложенные методы графической интерпретации результатов моделирования могут широко применяться при построении компьютерных систем информационной поддержки врача.
ориентированных и на раннюю диагностику заболевания, и на рациональный выбор лечения , и на прогнозирование уровня заболеваемости.
Результаты исследований в виде программного обеспечения подсистем распознавания пограничных стадий неосложненного кариеса; диагностики нарушений психологической адаптации личности в социальной среде; комплексной диагностики и рационального выбора вида лечения при заболевании доброкачественной гиперплазией простаты; управления процессом преодоления фармакорезистентности у больных шизофренией при назначении иглотерапии и нейропептидов; информационной поддержки принятия решений по выбору лечебно-профилактических мероприятий на основе данных медицинского мониторинга с учетом экологического подхода внедрены на кафедре терапевтической стоматологии с курсом физиотерапии ВГМА им. Н.Н. Бурденко; на кафедре психиатрии, наркологии, общей и медицинской психологии ВГМА им. Н.Н. Бурденко; на курсе урологии ВГМА им. Н.Н. Бурденко, в учебный процесс межвузовской кафедры КУМС при обучении студентов по специальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы", в учебный процесс кафедры САПРиИС ВГТУ при обучении студентов по специальности 071900 "Информационные системы".
Разработанные модели, алгоритмические схемы и методики, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора в госбюджетной научно-исследовательской работе № ГБ 96.27, выполненной по теме:" Разработка алгоритмического, программного обеспечения процессов диагностики и лечения заболеваний и формирования автоматизированных систем" (код НИР 34.55.21).
Медико-экономическая эффективность работы заключается в возможности осуществления рационального выбора вида лечения с учетом индивидуального подхода к пациенту, предотвращении повторных обращений к врачу, в сокращении на 10-15 % сроков лечения, оптимизации управления на различных уровнях здравоохранения. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов НИР в клиническую урологию -2,53 млн р. в год (в ценах 1995 г.); в клиническую психиатрию - 615 тыс. р. в год (в ценах 1997 г.).
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту 1. Модели распознавания пограничных стадий заболевания, характеризующие обратимость патологического процесса, учитывающие степень информативности и нечеткость задания диагностических признаков
7
и отличающиеся предоставляемой возможностью графической
визуализации в условных образах результатов диагностики.
-
Алгоритмические схемы управления процессом рационального выбора лечебно-профилактических мероприятий, отличающиеся проведением комплексной диагностики, реализацией многовариантного подхода к моделированию, учитывающих индивидуальные особенности состояния объекта исследования - с одной стороны, пространственно-временной аспект взаимодействия объектов исследования - с другой стороны.
-
Методы визуальной трансформации в условных графических образах результатов многовариантного моделирования медицинской информации, отличающиеся использованием принципов когнитивного подхода к графической интерпретации данных и возможностью графического обоснования трудно формализуемых в текстовом описании рекомендаций.
Совокупность научных положений и результатов, представляющих собой решение научной проблемы, имеющей народнохозяйственное зна-' чение, получена в рамках выдвинутого и обоснованного автором научного направления в области моделирования и управления процессом принятия решений в медицинских системах, заключающееся в разработке математического, алгоритмического, методического и программного обеспечения процессов классификации, диагностики, принятия решений по рациональному выбору лечебно-профилактических мероприятий с практическим внедрением на различных уровнях здравоохранения.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты дис
сертационной работы докладывались и обсуждались на Международных
конференциях, симпозиумах и конгрессах - "САПР-92. Новые
информационные технологии в науке, образовании и бизнесе" (Воронеж, 1992); "БИОМЕДПРИБОР", (Москва, 1995,1996); "Новые информационные технологии в медицине и экологии" (Украина, Крым, Гурзуф, 1996, 1997); "Реабилитация в медицине и иммунореабилитация" (Израиль, 1997); "7-й Национальный конгресс по болезням органов дыхания" (Москва, 1997);
на Всероссийских совещаниях-семинарах - "Оптимальное
проектирование технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1992); "Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1993); "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1994,1995,1996,1997 гг.); "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность (ДИМЭБ-96)" (Санкт-Петербург, 1996);
8 на республиканских научных и научно-практических конференциях -"Высокие технологии в практике учреждений здравоохранения г. Воронежа" (Воронеж, 1989); "Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья" (Липецк, 1996); "Актуальные вопросы медицины и проблемы реабилитации" (Харьков, 1996); "День науки: диагностика и новые технологии в здравоохранении" (Липецк, 1997);
на Межрегиональной научно-практической конференции "Актуальные вопросы обеспечения качества медицинской помощи. Аккредитация и лицензирование медицинской и фармацевтической деятельности" (Воронеж, 1998); региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы информационного мониторинга" (Воронеж, 1998); региональном совещании-семинаре "Компьютеризация управления качеством высшего образования" (Воронеж, 1992); научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (1990-1997 гг.)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 56 работ, включая 27 статей в центральных изданиях и межвузовских сборниках научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 209 наименований и трех приложений. Основная часть работы изложена на 217 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 41 таблицу.