Введение к работе
Актуальность работы. Особую роль проблемы освоения информационными технологиями новых областей познания приобретают п области биомедицинских исследований, объектом в которых выступает сам человек как биологическая система. На сегодняшний день известно много вариантов применения ЭВМ для создания медицинских архивов, прогнозирования заболеваний, статистического анализа данных в целях управления процессом лечения. Причем особое внимамние уделяется применению вычислительной техники в диагностических системах сбора и анализа информации с медицинских приборов и датчиков, в том числе, в режиме реального времени. При этом темпы развития информационней технологии вступают в противоречие со скоростью изменения психологии человека, его возможностью перерабатывать и анализировать большие объемы диагностических данных для эффективного выбора лечения.
Современные тенденции развития диагностической аппаратуры связаны с активизацией визуального представления регистрируемых процессов с использованием средств компьютерной графики и обработки изображений и требуют разработки автоматизированных систем с возможностью адаптации алгоритмов обработки к особенностям аппаратуры и специфики исследования. При этом создание автоматизированных диагностических систем является сложной задачей, в особенности, если возникает необходимость совмещения гибкости и универсальности функций системы . Важное значение в таких условиях приобретает организация программно—аппаратных средств в виде "партнерских систем" с максимальным использованием ранее накопленного опыта врача-исследователя и существующих программных систем. Гибкость и универсальность этих средств должны сочетаться с их высокой эффективностью в конкретном прикладном исполнении при том, что эти требования в большинстве случаев трудно совместимы.
Преодоление "кризиса сложности", связанного с возрастанием потоков информации в процессе диагностики и лечения заболеваний, возможно на пути Создания адекватного изменяющимся потребностям исследователя мобильного математического инструментария, предназначенного для обработки биомедицинской информации различного вида, как статистистическои так и, что особенно важно, визуальной.
С другой стороны, расширяющаяся инфраструктура региональных и глобальных компьютерных сетей а сочетании с IBM — стандартизацией de facto отечественного парка вычислительной техники, выступают как движущий фактор унификации способов обработки, хранения и передачи биомедицинской информации в сторону их интернационализации и вхождения в мировое информационное пространство, причем потребителями этой информации
могут быть как различные медицинские учреждения, так и отдельные исследователи.
Таким образом, проблема повышения эффективности разработки и внедрения автоматизированных биомедицинских информационных систем, основанных на использовании передовых компьютерных технологий, мобильных адаптируемых вычислительных систем и средств когнитивной визуализации, ориентированных на использование врачами — исследователями в лечебно — диагностических и учебных процессах, является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной научно —технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе", в рамках решений III и IV совещания Международной Ассоциации диагностических центров по вопросам автоматизации обработки информации, целевой программы "Информатизация здравоохранения России на 1991 — 1995 гг." (раздел 4.1.2.4 "Разработка и внедрение информационных медико —технологических систем"), в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета (ВГТУ) "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине" при выполнении ГБ тем научных исследований N 91.27, 51/92, 62/93, 06/95.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка и научное обоснование принципов построения конвейерных мобильных систем визуализации и обработки данных в биомеди — цинских лечебно—диагностических и информационных системах на основе современных компьютерных технологий для диагностики и выбора лечения.
Для достижения этой цели в работе необходимо поставить следующие задачи:
произвести системный, анализ проблем обработки ин — формации в биомедицинских автоматизированных системах и лечебно—диагностическом процессе;
разработать структуру конвейерной среды обработки био — медицинской информации от числовых данных до видеоизображе — ний;
осуществить структурный синтез информационных подсистем обработки биомедицинской информации;
разработать структуру интегрированной автоматизиро — ванной системы для исследования и управления качеством лечения хронических заболеваний;
сформировать модели и алгоритмы автоматизированной системы лицензирования и аккредитации медицинских объектов;
создать программно — алгоритмическое обеспечение для автоматизированной системы диагностики и анализа микро-остеологических останков;
сформировать структуру и разработать программно — алгоритмическое обеспечение для исследования эффективности методов восстановления соотношений элементов и функций зубо — челюстной системы на основе бесконтактной регистрации траекторий движения нижней челюсти;
апробировать разработанные модели и алгоритмы в практической деятельности лечебно— диагностических учреждений.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе применялись методы системного анализа, теории управления, математического и объектно — ориентированного анализа, теории вероятностей и математической статистики, вычислительной математики и математического моделирования, компьютерной графики, распознавания образов, цифровой обработки изображений и анализа сигналов, теории построения операционных систем.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
принципы построения алгоритмических и программных средств на основе конвейерной технологии, отличающейся организацией мобильной обработки разнообразной биомедицинской информации в различных средах операционных систем в виде потока взаимодействующих процессов с использованием контекстного PIPE —механизма передачи данных;
информационная модель построения программных интерфейсов, позволяющая адаптировать инструменталыгые средства визуализации и обработки данных в медицинских автоматизированных системах и лечебно —диагностическом процессе к особенностям программной среды окружения и интегрировать различные прикладные пакеты;
модель построения командного интерпретатора изображений, позволяющего обрабатывать большие массивы диагностических видеоданных в составе автоматизированной системы ARCADA, предназначенной для долговременного накопления, прогнозирования и отслеживания результатов лечения хронических заболеваний;
алгоритмы анализа изображений и обработки информации в составе распределенной автоматизированной системы для исследования функциональных характеристик зубочелюстной системы, отличающиеся конвейерной организацией, модульным исполнени — ем, возможностью гибкой модификации программного обеспечения и позволяющие группе исследователей совместно проводить обработку диагностической информации с оптимальным распределением вычислительных ресурсов в ON—LINE и OFF—LINE режимах;
структура и алгоритмы обработки автоматизированной системы для исследования остеологической информации в процессе судебно-медицинской экспертизы, обеспечивающие ее комплексный анализ путем интеграции средств информационной базы,
конвейерной статистической обработки макро- и микрохаракте— ристик костной ткани;
алгоритм стандартизации критериев экспертных оценок на основе использования когнитивных визуальных паттернов, отличающийся ориентацией на применение в слабоформализованных и информационно—избыточных системах, и позволяющий оценивать степень адекватности норме матриц экспертных оценок в процессе лицензирования медицинских объектов.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Реализована на основе ПЭВМ информационная модель интеграции средств программно — аппаратного комплекса обработки изображений и универсальной открытой среды обработки экспериментальных данных на основе конвейерных технологий, позволяющая включить в процесс обработки врачей — исследователей, не владеющих навыками программирования. Модульный принцип формирования программной среды с возможностью расширения позволяет наращивать возможности обработки при изменении условий экспериментов.
Сформирована структура и создан аппаратный комплекс для задач ортопедической стоматологии с целью восстановления соотношений элементов и функции зубочелюстной системы. Создана и внедрена распределенная компьютерная информационная система, ориентированная на исследования в области стоматологии, отличающаяся интеграцией в рамках одной вычислительной среды сетевых средств и многотерминальной станции. Разработано программно—алгоритмическое обеспечение обработки изображений для диагностики функциональных характеристик зубочелюстной системы, предложены и исследованы методики для врачей — стоматологов по использованию автоматизированной системы обработки информации для бесконтактной диагностики функциональных характеристик зубочелюстной системы.
Сформирована структура и создано программно —
алгоритмическое обеспечение автоматизированной системы обработки изображений для исследования остеологической информации в задачах восстановления возраста и черт личности по микроструктуре костных останков. Предложены методики оценки структурных характеристик костной ткани по видеоизображениям для врачей судмедэкспертов на основе использования конвейерной технологии обработки экспериментальных данных и инструментария когнитивной визуализации, сформирована структура информационной базы по более чем 230 признакам для изучения взаимосвязи идентификационных черт личности со структурой костной ткани.
В рамках нового подхода осуществлена алгоритмизация информационной модели интеграции различных представлений медицинской информации на основе использования электронных медицинских интегрированных карт, позволяющая использовать в
едином электронном документе текст и визуальную информацию о здоровье пациента, а также интегрировать различные способы представления дипгостической информации для долговременного накопления и отслеживания результатов лечения хронических заболеваний.
Созданы и внедрены алгоритмы и программные средства информационной системы лицензирования и аккредитации медицинской деятельности, ориентированные на возможность организации распределенной обработки информации посредством использования электронных многопрофильных медицинских анкет; модели обработки экспертных заключений в процессе лицензирования и формирования интегрального коэффициента оценки деятельности медицинских объектов.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований в виде математического и программно — алгоритмического обеспечения внедрены в научных разработках в НПО "Стоматология" (г. Воронеж), на кафедрах ортопедической стоматологии, терапевтической стоматологи, і с курсом физиотерапии, судебной медицины ВГМА им.Н.И.-',/рденко; в практику работы комиссии по лицензированию и аккредитации Администрации Воронежской области; в Воронежском областном клиническом лечебно — диагностическом центре; в учебном процессе Международного университета высоких технологий и Воронежского государственнго технического университета при обучении студентов по специальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы". Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет около 25 млн. рублей в год в ценах 1996 года, что подтверждается актами внедрения.
Апробация работы. Основные результаты работы докла
дывались н обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
И Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы и
перспективы автоматизации производства и управления на пред
приятиях и в организациях приборо —машиностроения" (Пермь,
1990); IX Всесоюзном симпозиуме "Эффективность, качество, на
дежность систем "человек —техника" (Воронеж, 1990); Всесоюзном
совещании "Интерактивное проектирование технических устройств и
автоматизированных систем на ПЭВМ" (Воронеж, 1991); 2 —ом
Всесоюзном симпозиуме с международным участием
"Медицинские микрокомпьютерные системы" (Ростов —на—Дону,
1991); Российском совещании—семинаре "Оптимальное проекти
рование технических устройств и автоматизированных систем"
(Воронеж, 1992); региональном совещании — семинаре для руково
дящих работников и преподавателей вузов Центрально —
Черноземного Региона "Компьютеризация управления качеством
высшего образования" (Воронеж, 1992); Всероссийском совещании —
семинаре "Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1993); III Международном форуме "Стратегия здоровья: Интеллектуальное обеспечение медицины" (Гурзуф, 1994); Воронежской областной научно —практической конференции "Проблемы судебной медицины и клинической практики" (Воронеж, 1994); Всероссийском совещании—семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1994); Межрегиональной научно —практической конференции "Семья в системе рёабилигационныых мероприятий" (Екатеринбург, 1994); Республиканской научно — практической конференции "Проблемы современных технологий обучения и развития умственной активности студентов и школьников" (Воронеж, 1Э94); Международной научно-технической конференция "SPIE. Advaced Laser Dentistry" (С — Петербург, 1994); Всероссийской научно — практической конференции "Информатизация здравоохранения России" (Ижевск, 1995); Всероссийском совещании семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1995); Международной научно —технической конференции "Диагностика, информатика, метрология —95" {С —Петербург, 1995);. 2 —ой Всероссийской с участием стран СНГ конференции "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии" (Ульяновск, 1995); XXII Международной Школе и Конференции САПР—95 "Применение новых информационных технологий в науке, образовании, медицине и бизнесе" (Гурзуф, 1995); Международной Конференции и Школе по биомедицинскому приборостроению "БИОМЕДПРИБОР-95" (Ялта-Гурзуф, 1995); Всероссийской научной конференции по лицензированию (Сочи, 1995); Всероссийской научно — технической конференции с международным участием "Медицинские информационные системы" (Таганрог, 1995); научно — технических конференциях Воронежского государственного технического университета, 1989—1996 гг.; Воронежского областного клинического лечебно—диагностического центра 1993—1996 г г.; на научных семинарах межвузовской кафедры "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" 1990—1996 гг.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 54 научных работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 249 с. машинописного текста, содержит 103 рисунка, 17 таблиц, 2 фотографии, библиографию из 282 наименований и приложений.