Введение к работе
Актуальность работы. Одной из наиболее сложных систем (по размерности и структуре, а также информационному взаимодействию) является организм человека. Поэтому при исследовании медицинских систем исключительную важность приобретают разработка методологической основы применения математических методов моделирования и использование средств вычислительной техники. Всестороннее решение такой сложной проблемы, как управление _ лечебно-диагностическим процессом (ЛДП), возможно только с помощью интеграции медицины и кибернетики.
Разработка методологии управления ЛДП требует создания методов классификации патологических состояний, а также специальных алгоритмов и критериев поиска наилучшего варианта лечения. Разработка таких алгоритмов и их реализация для управления ЛДП при конкретных патологических состояниях являются сложными задачами, требующими решения ряда математических и технических проблем, для решения которых в последние годы сложились определенные предпосылки. Здесь следует указать на труды многих отечественных ученых в области распознавания болезней,' прогнозирования их течения и управления ЛДП с использованием кибернетических методов: Э.С.Аветнсов, Ф.Т. Адылова, В.М.Ахутин, Ю.Г.АнтомоновДО.И.Журавлев, В.Д.Глезер, Х.З. Икрамова, В.К.Кабулов, Х.К.Кадыров, ММ.Камилов, МЛС.Камнлов,-.Х.М.Камилов, В.АЛишук, Г.И.Марчук, В.Н.Новосельцев, А.А.Попов, В.ИЛопов, Л.А.Растригин и др.
Зрительная система (ЗС) человека является одной из сложных систем как в анатомо-физиологическом, так и в клинико-диагностическом смысле. Она играет решающую роль в обеспеченім его нормальной трудовой деятельности. Патологические процессы, возникающие в ней, зачастую приводят к увеличению числа бжщаГяшіх р отдаленных осложнений, снижают "качество жизни" больного, йбеспечивают плохую адаптацию к меняющимся социально-экономичесюш условиям, а также условиям труда и отдыха. Длительная потеря трудоспособности и инвалидность являются
4 характерными последствиями патологических процессов, локализованных в любых структурах зрительной системы.
Условия функционирования ЗС характеризуются многократностью
циклов, сложностью и множеством взаимосвязанных параметров. В этой
связи отметим необходимость в экстренном распознавании патологических
состояний при ограниченном объеме информации и непрерывности её
накопления для адекватного моделирования и прогнозирования указанных
состояний. Проблема управления ЛДП в" офтальмологии является одной из
сложных ' задач, решение которой требует совместных усилий ученых
различных специальностей. "Оптимальная" тактика лечения может быть
выявлена путем системного анализа состояния больного, что требует
разумного применения математических методов, имитирующих
рассматриваемую патологию с учетом механизма действия пріїменяемьіх лечебных процедур.
Необходимость решения задачи "оптимизации" лечения обусловлена ещё тем обстоятельством, что механизмы действия многих лекарственных' препаратов различны и сложны, а так как количество самих препаратов неуклонно растет, то это настойчиво требует применения математических методов моделирования. В научной литературе содержатся сведения по различным проблемам диагностики, прогнозирования и лечения патологических процессов в ЗС. Они разрозненны и зачастую противоречивы, носят фрагментарный характер и потому не могут быть использованы в едином технологическом процессе диагностики, лечения и прогнозирования конкретного заболевания рассматриваемой системы.
В диссертационной работе рассмотрены и проанализированы
вопросы, связанные с разработкой теоретичесюгх основ математических
методов моделирования и оптимизации - создания системы
автоматизшюванного управления ЛДП для решения проблемы выбора "оптимального" варианта лечения в офтальмологии. В этом - актуальность диссертационной работы.
Цель работы - разработать методологию математического моделирования и оптимизации системы автоматизированного управления лечебно-диагнсстическим процессом офтальмологических заболеваний..
5 Для достижения поставленной цели неооходимо решить следующие
задачи:
-провести комплексный анализ априорной информации, описывающей объект управления;
-разработать структурно-функциональные модели взаимосвязанных элементов ЗС;
-разработать специальные методы и алгоритмы построения
имитационных математических моделей; *
-построить и реализовать на ЭВМ алгоритмы классификации патологических состояний;
-реализовать на ЭВМ методы прогнозирования патологических
состояний; '
-на базе разработанных методов, критериев, алгоритмов и пакетов прикладных программ ' разработать 'рекомендации по внедрению автоматизированных систем (АС);
-создать и внедрить базовую версию микрокомпьютерной системы "ГЛАЗ" для решения задач управления ЛДП при глаукоме.
Объектами исследования являются зрительная система (здесь и в дальнейшем глаз человека) при различных нарушениях ее функционирования; лечебно-диагностический процесс при глаукоме.
Методы исследования. Основные результаты, полученные в работе, .основаны на теории дифференциальных уравнений и вариационного исчисления, теории математической логики и управления, теории многомерной и многошаговой регрессии, методах интерполирования и экстраполирования функций, приближенного дифференцирования; применении мегодоз математической статистики, численных методов рсшешія систем дифференциальных уравнетій, а также методах теории распознавания образов.
Научная повнзна.
1. Впервые применены структурно - функциональные и математические модели для описания * функционирования ЗС, . разработана автоматизированная система эффективного управления ЛДП при различных офтальмологических заболеваниях.
-
Разработаны методы классификации различных состояний ЗС.
-
Разработаны численные методы прогнозирования последующих состояний патологии ЗС.
-
Разработаны методы и универсальные алгоритмы эффективного управления ЛДП.
5. Разработана методика принятия решения, позволяющая реализовать
эффективное управление ЛДП при глаукоме.
На защиту выносятся следующие основные положения:
системный подход к проблеме синтеза и применения структурно -функциональных и математических моделей для управления функционированием ЗС при различных патологиях;
методы классификации различных состояний ЗС;
методы прогнозирования последующих изменений в патологии ЗС;
методы выбора оптимальных вариантов управления ЛДП;
- система автоматизированного управления ЛДП при глаукоме.
Практическая ценность работы. Разработанные проблемно-'
ориентированный комплекс математических моделей, методы, критерии и алгоритмы выбора оптимальных вариантов управления ЛДП и созданный на их основе.автоматизированный программный комплекс позволяют:
- повысить надежность и точность классификации патологических
состояний ЗС, качество прогнозирования ее последующих состояний;
- оперативно установить форму и стадию глаукомы, а также уровень
внутриглазного давления (ВГД);
. - выбирать тактику лечения и управлять ЛДП;
Создана база данных при массовых профилактических осмотрах населения.
Разработанные математические модели и АС ориентированы на оценку динамики зрительных функций, на оперативный расчет показателей тонографии глаза, соответствующих .состоянию пациента, а такясе определение формы и стадии глаукомы и уровня ВГД.
Применение разработанной АС "Ранняя диагностика глаукомы" обеспечивает повышение качества медицинского обслуживания населения, сокращение срока обследования пациентов, точность исследования и
экономию лекарственных средств'. Экономический эффект достигается за счет сокращения затрат рабочего времени медперсонала.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссерта
ционной работы внедрены в практику здравоохранения и в настоящее время
используются в офтальмологической службе. Разработанные математические
модели и алгоріггмьі объединены в систему " ГЛАЗ" и внедрены в
Республиканской клинической офтальмологической больнице МЗ РУз, в клинике второго ТашГосМИ, Сырдарьинской и Джизакской областных офтальмологических больницах МЗ РУз-.
Некоторые результаты диссертации используются при чтении лекций по основам медицинской кибернетики и вычислительной техники на кафедре офтальмологии ТашИУВ.
Акты внедрения приведены в приложениях к диссертации..
На комплекс прикладных программ "ТОН-2", "РДГЛ", "ПРОГ" в 1998 г. получены свидетельства NN 162-164 Государственного патентного ведомоства ГКНТРУз.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации
докладывались и обсуждались, на: I Всесоюзной конференции автома
тизированных систем обработки изображении (Москва, 1981); YIII и IX
.Республиканских школах молодых ученых и специалистов по АСУ и
автоматизации проектирования (Ташкент, 1982, 1984); конференции
.молодых ученых НПО "Кибернетика" АН РУз (Ташкент, 1987-1988 ); научно-
технической конференции "Проблемы развития АСУ и информационных
услуг в новых условиях хозяйстзовашш" (Душанбе, 1989-1990); I-IY
областных' научно-практичесюгх конференциях молодых ученых и
специалистов "Фан ва техника тараккиёти" (Джизак, 1990-1994);
Всесоюзном семинаре - совещашш по совершенствованию
организационных форм и методов преподавания математики, информатики и вычислительной техники в школах н педвузах (Гулистан, 1990); XI Всесоюзном совещании по проблемам управления (Москва, 1989); Всесоюзной конференции "Современные проблемы алгоритмизации" (Ташкент, 1991); симпозиуме "Проблемы и перспективы развития научио-технического прогресса з республике в совремешшх условиях" (Ташкент,
.-.8-
1993 ); научных семинарах, лаборатории "Моделирование и управление
биомедсистемами" ИК НПО «Кибернетика» АН РУз (Ташкент, 1986-1988,
1991-1999); научных семинарах кафедры офтальмологии ТашИУВ (Ташкент,
1987-1988,1993); научно-теоретической конференции профессорско-
преподавательского состава ДжГПИ (Джизак, 1982-1999); Международной
конференции "Математическое моделирование и вычислительный
эксперимент" (Ташкент, 1994), Республиканской научной конференции
"Проблемы информатики и управления, перспективы их решения (Ташкент,
1996); Республиканской научной конференции "Современные проблемы
алгоритмизации" (Ташкент, 1996); .Международной конференции
"Актуальные проблемы теоретической и прикладной математики"
(Самарканд, 1997); Международной научно-технической конференции
"Обучение фундаментальных дисциплин в высших технических - учебных
заведениях Республики Узбекистан и состояние научных исследований"
(Ташкент, 1999). 1
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в одной монографии, 26 научных статьях, 24 тезисах докладов и 4 препринтах.
Структура и оот.см диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и 18 приложений. Она изложена на 284 страницах машинописного текста (основной текст-218 страниц), содержит 21 рисунок и 28 таблиц. Список использованной литературы состоит из 230 работ отечественных и зарубежных авторов.
Автор выражает глубокую благодарность научным консультантам . д.т.н., проф. Х.К. Кадырову и д.м.н., проф. Х.М. Камилову-оа помощь в постановке и решении задач, ценные советы и замечания, сделанные ими в ходе выполнения работы ii при обсуждении полученных результатов.