Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшими направлениями реформирования здравоохранения России являются повышение эффективности использования ресурсов здравоохранения, качества медицинской помощи и эффективности труда, внедрение современных медицинских, технологий.
Одним из реальных путей проведения реформ, вывода медицины из кризиса, является повсеместное внедрение высоких медицинских технологий диагностики и лечения, обладающих ощутимым экономическим зффеїстом и способных сократить расходы на лечение пациентов. Не вызывает сомнений, что быстрая и точная диагностика заболеваний, быстрое и качественное лечение являются не только медицинской, но и экономической категорией.
Для освоения современных высоких медицинских технологий в условиях особенностей лечебно-диагностического процесса необходимо обеспечить интеллектуалыгую и компьютерную поддержку, разработать информационное и программное обеспечение, модели, алгоритмы и процедуры принятия решений. Эффективность интеллектуальной поддержки принятия решений существенным образом зависит от адекватности математического описания и возможностей компьютерного моделирования.
Существует большой класс медико-биолопгческих систем компьютерного мониторинга, в которых по результатам текущих измерений необходимо оперативно решать задачи диагностики состояний. При этом по данным измерений, как правило неполным, необходимо не просто отнести объект к одному из возможных состояний, но и осуществить прогноз на определенный интервал времени. Для медико-биологических объектов существенно при этом учесть индивидуальные свойства в рамках интегрированных систем индивидуального прогнозирования и классификации (ИПиК), особенно для больных хроническими заболеваниями.
Нужно отметить, что упоминаемый класс задач необходимо рассматривать и решать с позиций статистической теории принятия решений. Связано это с наличием различных неопределенностей, которые присутствуют при решении задачи. Используемый при этом аппарат линейных и нелинейных дискрими-нантных функций основан на всестороннем учете статистических особенностей многомерных распределений, процедурах адаптивной коррекции теоретических решений по данным экспериментальных измерений.
Таким образом, как можно больший учет всех упомянутых факторов требует создания информационной технологии создания моделей ИПиК, включая их реализацию в автоматическом или интерактивном режиме. Создание теоретических и методо логических основ построения моделей автоматической диагностики и.прогнозирования состояний больных хроническими заболеваниями, визуализации и мониторироаания путем использования автоматизированных
процедур классификации на базе интегрированных систем моделирования и управления делает актуальной проблему научного исследования.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Биокибернетика, компьютеризация в медицине". Научные результаты, изложенные в диссертации, получены при выполнении госбюджетных НИР МО и ПО России по темам: "Разработка алгоритмического, программного обеспечения процессов диагностики и лечения заболеваний и формирования автоматизированных систем" и "Разработка моделей и алгоритмов распознавания и диапюстики функциональных состояний сердечно-сосудистой системы" в рамках единого заказа-наряда.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, имитационного моделирования, дискретного программирования, теории вероятностей и математической статистики, методы теории распознавания образов и теории принятия решений, теории колебаний, идентификации и моделирования.
Цель, и задачи исследования. Целью исследования является создание теоретических и методологических основ построения моделей автоматической диагностики и прогнозирования состояний больных хроническими заболеваниями, визуализации и мониторирования путем использования автоматизированных процедур классификации на базе интегрированных систем моделирования и управления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать разработанные системы автоматизированного распознавания образов для задач медицинской диагностики и выделить инвариантное ядро;
сформулировать основной класс задач диагностики и прогнозирования состояний на концептуальном, методическом и формально-математическом уровне;
разработать основы теории построения математических моделей диагностики и принятия решений в условиях стохастической неопределенности;
рассмотреть специфику и особенности разработки специального математического обеспечения систем моделирования (СпМО);
разработать методологию синтеза иерархических систем компьютерного мониторинга;
провести рассмотрение основных особенностей архитектуры и информационного наполнения телекоммуникационных систем медицинского назначения на базе Internet-технологий.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
методология построена'! алгоритмов многомерной диагностики состояния объектов биологических и медицинских объектов и систем, отличающаяся интеграцией с системами моделирования при индивидуальной диагностике и прогнозировании состояний хронических заболеваний на основе применения комбинационных алгоритмов классификации с обучением;
информационная технология диагностики и классификации, использующая сочетание процедур многоуровневого статистического оценивания и экспертного анализа, как на этапе обучения, так и на этапе верификации диагностических моделей на основе построения разделяющих гиперповерхностей;
система диагностические моделей на базе обобщешшго понятия дискри-минантной функции, отличающаяся применением знаковых критериев достоверности классификации, включая критерий достоверности использования ЛДФ по матрице коэффициентов корреляции и наличием вспомогательной процедуры статистического оценивания матрицы разностей 1ДД| и в общем случае близости ковариационных матриц с использованием имитационного моделирования;
комплекс алгоритмов классификации по обучающей выборке с учителем, на основе принципа эквивалентной надежности, как для нелинейных, так и для кусочно-линейных разделяющих поверхностей; теорема о системе линейных дискриминантных функций и ее важные следствия о базовой системе для адаптивной процедуры уточнения разделяющих границ в классе непараметрических граничных гиперплоскостей;
критерии и количественные оценки многоальтернативности эволюционных структур СпМО для анализа потенциальных возможностей, эволюции систем и целесообразности введения новых уровней и модулей специального математического обеспечения;
процедуры формирования структуры лечебно - диагностической подсистемы локальной сети медицинского учреждения, учитывающие технологиче-'ский процесс диагностики и лечения данного типа ЛПУ, необходимость оптимального проектирования и принятия решений по выбору субоптимального варианта параметров и структуры; система информационно-логических моделей реабилитации сердечно-сосудистых заболеваний, лечебно-диагностического процесса, оптимального проектирования и рационального выбора на базе теоретико-множественного подхода.
архитектура и теоретико-множественные модели информационного наполнения Web-сервера и центра телемедицинской сети, интегрированной в Internet, отличающейся принципами многоальтернативности, аппаратной неза-
висимостью, стандартизацией графических пользовательских интерфейсов и автоматизацией компьютерного ввода.
Практическая ценность и реализация результатов работы: разработана
система моделей на теоретико-множественном и оптимизационном уровне для
решения многокритериальных задач оптимального синтеза структуры
региональной информационной среды в различных оптимизационных
постановках; обоснована возможность разбиения глобальной задачи
оптимального синтеза на совокупность оптимизационных подзадач,
являющихся либо самостоятельными, либо вспомогательными для решения
задач оптимизационного синтеза, с учетом заданной топологии, вектора -
производительности различных элементов сети, количественных
характеристик маршрутизации. Сформулирована структура и установлены основные принципы проектирования эволюционных структур СпМО: иерархическая многоуровневая форма, модульность и многоальтернативность каждого иерархического уровня, адаптируемость структуры к ситуационному изменению целей и условий моделирования, типизация к определенному классу объектов.
Научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором в рамках проведения госбюджетных НИР, выполняемых по единому заказ-наряду по грантам Минобразования, Миннауки и РФФИ. Они внедрены в ряде лечебных учреждений г. Воронежа различного профиля: городской клинической больнице «Электроника», клиническом санатории им. М.Горького, ряде других лечебных учреждений, а также инвариантные компоненты: в системах мониторинга и диагностики в АООТ «Видеофон» и на Нововоронежской АЭС.
Подсистемы моделирования процессов ИПиК используются в рамках учебно-проектных АОС на кафедрах «Компьютеризации управления в медицинских и педагогических системах», «Автоматизированных и вычислительных систем» ВГТУ и в учебном процессе ВГМА им. Бурденко.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах межвузовской кафедры "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" (ВГТУ, 1992-1998); ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (1990 - 1998); III Всесоюзной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической промышленности" (Воронеж, 1990); Всесоюзной конференции по математическому и машинному моделированию (Воронеж, 1991); конференции "Информационные технологии и системы" (Воронеж, 1992); YII научно-технической отраслевой конференции "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов" (Воронеж, 1993); региональном совещании-семинаре "Опыт информатизации в промышленности" (Воронеж, 1993); YII научно-технической отраслевой конференции "Состояние и пути повышения надежности видеомаг-
нитофонов" (Воронеж, 1993); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии r проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1993); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1993); конференции "Информационные технологии и системы" (Воронеж, 1993); YIII научно-технической отраслевой конференции (Воронеж, 1994); I, II, Ш, IV международных электронных научных конференциях "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1996-1999); конференции "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании, медицине" (Воронеж, 1997); Всероссийском совещании-семинаре «Высокие технологии з региональной информатике» (Воронеж, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 58 печатных работ, в том числе монография, 2 учебных пособия, авторское свидетельство на изобретение и 6 отчетов по НИР, прошедших гос. регистрацию.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 235 страницах машинописного текста, списка литературы (177 наименований), приложений, содержит 66 рисунков, 12 таблиц.