Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее время все большее распространение получают высокие медицинские технологии, которые, с одной стороны, позволяют повысить эффективность диагностических и лечебных процессов, а, с другой стороны, - требуют профессионального их освоения, не исключая полностью тех особенностей процессов лечения, которые имеют место при принятии решений лечащим врачом.
Дальнейшее развитие получили автоматизированные системы диагностики, прогнозирования и лечения, медицинские диагностические и лечебно-диагностические центры, широко использующие вычислительные сети для обработки биомедицинской информации, АРМ врачей-специалистов и микропроцессорное медицинское оборудование. Все это требует повышения компьютерной грамотности врачей как пользователей ЭВМ.
Однако при создании автоматизированных систем принятия решений необходимо учитывать, что процессы лечения носят вероятностный характер, принятие решений осуществляется в условиях неполной априорной информации и ряда неопределенностей, имеет место многочисленность схем лечения, желаемые значения физиологических параметров индивидуальны для каждого пациента, цели лечения определены на дискретном множестве возможных видов лечебных воздействий, их явное аналитическое выражение через управляющие воздействия отсутствует, . так же как и критерии, оценивающе эффективность лечения в целом.
К особенностям диагностики и выбора тактики лечения относятся неоднородность характеристик пациентов, наличие количественных и качественных неуправляемых входных переменных.
Для того, чтобы овладеть современными высокими медицинскими технологиями в условиях особенностей диагностического и лечебного процессов необходимо обеспечить им интеллектуальную и компьютерную поддержку на основе обучения с использованием обучающих систем, а для функционирования автоматизированных систем разработать их информационное и программное обеспечение, алгоритмическое обеспечение процедуры принятия решений.
Эффективность интеллектуальной поддержки принятия решений существенным образом зависит от качества и адекватности математического описания физиологических процессов и возможностей их автоматизированного моделирования в обучающих системах.
Все это выдвигает проблему повышения уровня подготовки специалистов в области медицины, которая касается не только процесса овладения новыми медицинскими компьютерными технологиями в процессе
подготовки специалистов, но и обучения практических врачей в предметно-ориентированной области медицины, что, в свого очередь, требует разработки процедуры дифференцированного обучения.
Таким образом, актуальность проблемы заключается в необходимости разработки методов и алгоритмов формирования и функционирования учебно-исследовательской системы для освоения высоких медицинских технологий.
Работа выполнена в рамках III, IV совещаний Международной Ассоциации диагностических центров по вопросам автоматизации обработки информации, в соответствии с межвузовской комплексной научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе" и одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета и межвузовской кафедры компьютеризации управления в медицинских и педагогических системах "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине".
Цель и задачи исследования. Целью работы является создание комплекса методов, моделей и алгоритмов формирования и функционирования учебно-исследовательской системы для повышения эффективности обучения в предметно-ориентированной области медицины на основе автоматизированных обучающих процедур при моделировании физиологических процессов, диагностике и выборе лечения, и апробация в клинических условиях, в системе обучения и повышения квалификации кадров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать состояние применения автоматизированных медицинских систем и высоких медицинских технологий диагностики, прогнозирования и лечения;
сформировать структуру учебно-исследовательской системы и разработать алгоритмическое обеспечение и методы оптимизации обучающих процедур;
разработать методы и алгоритмы моделирования и принятия решений, ориентированные на учебно-исследовательскую систему для интеллектуальной поддержки принимаемых решений;
разработать алгоритмическое обеспечение процедур анализа физиологических процессов как объектов управления с неоднородными характеристиками;
разработать программно-аппаратный комплекс учебно-исследовательской биомедицинской системы;
реализовать комплекс методов, моделей и алгоритмов при обучении и управлении лечением заболеваний.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы основные положения теории систем и исследований операций, теории управления биотехническими и медицинскими системами, теории вероятностей и математической статистики, методы моделирования, оптимизации и адаптивного управления.
Научная новизна результата выводов и положений, выносимых на защиту:
структура учебно-исследователь ской системы, отличающаяся интеграцией в едином цикле формирования математического описания, выбора инструментального обеспечения, обработки исходной информации и обучающих средств;
алгоритмы рационального выбора компонентов обучающей системы, основанной на компьютерной интеграции инструментального обеспечения;
алгоритмическое обеспечение компьютерного совещания по экспертному оцениванию эффективности учебно-исследовательской системы, учитывающего количество компонент, интеллектуальную оценку комплексного ресурса;
оптимизационные модели формирования учебных заданий, позволяющие осуществлять выбор обучающих элементов и последовательности их реализации в системе и минимизирующее время выполнения при необходимости изучения заданного информационного объема;
процедура и алгоритмы имитационного эксперимента на основе многоальтернативных оптимизационных моделей обучающей системы, обеспечивающих эффективное использование выбранных структурных компонентов обучения;
методы интеллектуальной поддержки принимаемых решений в процессе обучения и управления лечением, обеспечивающие повышение эффективности процесса принятия решений в условиях неполной априорной информации и неоднородности процессов лечения заболеваний;
математические приемы учета неоднородностей, обеспечивающие использование экспертных оценок на этапах синтеза обобщенной структуры модели, декомпозиции математического описания, идентификации параметров модели и совмещения процедур моделирования и анализа;
алгоритмы обучающих процедур исследования и анализа биомедицинских процессов, позволяющих осуществить обработку биомедицинской информации в процессе обучения и принятия решений;
методика и технология интеграции медицинских приборов и аппаратов, позволяющие проводить обработку биомедицинской информации в рамках комплексной микропроцессорной системы;
программно-аппаратный комплекс учебно-исследовательской системы, ориентированный на интегрированное инструментальное обеспечение и обучающих процедур на базе микропроцессорной вычислительной сети.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана и реализована автоматизированная система инструментальной диагностики, предложена рациональная структура программно-аппаратного комплекса автоматизированной учебно-исследовательской системы, реализованной в рамках инструментального многопроцессорного микродиагностического центра на базе учебной лаборатории межвузовской кафедры "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах", входящего в вычислительную и информационную сеть Воронежского областного клинического лечебно-диагностического центра. Автоматизированная регистрация и анализ физиологических процессов с использованием интеллектуальной поддержки принимаемых решений позволяет формировать медицинские банки данных, выбирать Солее эффективную тактику лечения на основе более качественного инструментального диагностического процесса при сокращении сроков постановки диагноза или оценки состояния систем организма человека. Разработанные модели и алгоритмы, ориентированные на использование распределенной вычислительной сети, обеспечивают эффективную многоуровневую обработку биомедицинской информации. Результаты создания микропроцессорного медицинского оборудования на базе серийно производимых аппаратов и систем могут быть использованы в учебных учреждениях как отдельная локальная задача, позволяющая создавать автоматизированные системы диагностики и лечения заболеваний. Организация учебного процесса на базе разработанной и реализованной учебно-исследовательской системы, охватывающей различные дисциплины при подготовке студентов по специальности 190500 - "Биотехнические и медицинские приборы и системы", позволяет обеспечить их преемственность и методическую целостность. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 19,4 млн.р.(в ценах 1995 г.).Разработанные алгоритмы и модели легли в основу методики использования автоматизированной системы моделирования в практических учреждениях здравоохранения. Обучающие средства позволили повысить уровень врачей-экспертов, участвующих в разработке математического описания физиологических процессов. Построенные модели для прогнозирования генеративной
функции, лечения сахарного диабета и лиыфолейкоза дали возможность организовать интеллектуальную поддержку при создании AFM специалистов.
Создан программно-методический комплекс, зарегистрированный в ГосФАП по разделу 27.41.17 (Алгоритмы и программы, 1992, N 4200).
Результаты диссертации внедрены в Воронежской областной клинической больнице, Воронежском областном клиническом лечебно-диагностическом центре, используются в учебном процессе Воронежского государственного технического университета на межвузовской кафедре "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" и Международного университета высоких технологий при обучении студентов по специальности 190500 - "Биотехнические и медицинские аппараты и системы".
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всесоюзном совещании-семинаре по интерактивному проектированию технических устройств и автоматизированных систем на персональных ЭВМ (Воронеж, 1991); Российском совещании-семинаре "Оптимизационное проектирование технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1992); Региональном совещании-семинаре "Компьютеризация управления качеством высшего образования" (Еоронеж, 1992); Международной научно-методической конференции "Проблемы качества высшего образования" (Уфз, 1993); Региональном совещании-семинаре "Опыт информатизации в промышленности" (Воронеж, 1993); Российском совещании-семинаре "Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1993); ежегодных конференциях профес-сорско-преподаваательского состава Воронежского политехнического института (1990-1993); научно-практической конференции "Высокие технологии в практике учреждений здравоохранения г. Воронежа" (Воронеж, 1995); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1995); Всероссийском совещании "Проблемы создания национальной академической системы баз данных и Саз знаний" (Уфа, 1995); Международной научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза, 1995); на семинарах межвузовской кафедры "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" (1990-1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 научная работа, в том числе 2 учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав., заключения, изложенных на 201 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 138 наименований. В приложении приводятся программный комплекс для обучаающих процедур и акты внедрения.