Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование применения унификации экспертной составляющей в автоматизированных комплексах диспансерного обследования 12
1.1. Анализ роли автоматизированного многопрофильного скрининга в профилактической медицине 12
1.1.1. Понятие скрининга 12
1.1.2. Многопрофильный скрининг и его применение как входного фильтра при проведении профилактических осмотров 14
1.1.3. Медицинская и экономическая эффективность 14
1.1.4. Понятие АКДО как технической реализации 16
1.1.5. История АСПОНа 16
1.1.6. Роль медицинского обеспечения 18
1.1.7. Различие диспансеризации детского и взрослого населения 19
1.2. Структура и специфика разработки медицинского обеспечения автоматизированного многопрофильного скрининга 20
1.2.1. Концептуальный состав МедО 20
1.2.2. Структура МедО 24
1.2.3. Содержание БЭМЗ и задача его формализации 28
1.2.4. Схема процесса разработки и отладки БЭМЗ 28
1.3. Возможность и целесообразность совершенствования построения автоматизированных комплексов диспансерного обследования на базе унификации представления экспертных знаний 31
1.3.1. Традиционная схема разработки БЭМЗ и программной реализации АССД, ее недостатки 31
1.3.2. Создание, отладка, совершенствование БЭМЗ и АССД в целом посредством выделения инвариантной части, унификации представления МедО и интерпретации решающих правил 33
1.4. Постановка научной задачи 35
2. Формализация структуры и процессов функционирования медицинских информационных систем многопрофильного скрининга 41
2.1. Формальная модель процесса многопрофильного скрининга 41
2.1.1. Анализ возможности рассмотрения процесса скрининга как логического вывода 41
2.1.2. Формализация содержания процесса многопрофильного скрининга 45
2.2. Анализ способов и средств формального представления экспертных знаний, составляющих медицинское обеспечение АССД 52
2.2.1. Структура экспертных знаний, составляющих БЭМЗ автоматизированной системы многопрофильного скрининга в ходе проведения диспансерного обследования 52
2.2.2. Лингвистические средства формального представления экспертной составляющей 55
2.2.3. Содержание и средства разработки формального описания БЭМЗ 80
2.3. Структура медицинской информационной системы многопрофильного скрининга с унифицированным формальным представлением медицинского обеспечения 82
2.3.1. Общая архитектура автоматизированных систем скринирующей диагностики 82
2.3.1. Типовая структура АССД 85
2.3.2. Варианты расширения базовой части 89
3. Построение средств манипулирования многомерными данными на базе их онтологии 91
3.1. Верификация БЭМЗ АССД 91
3.1.1. Особенности и этапы верификации экспертной составляющей 91
3.1.2. Статическая верификация 92
3.1.3. Динамическая верификация 93
3.1.4. "Обратная связь" как механизм отладки БЭМЗ 100
3.1.5. Коррекция медицинского обеспечения по результатам анализа использования его составляющих 100
3.2. Обобщённая методика построения автоматизированных систем скринирующей диагностики на базе унификации представления экспертных знаний 102
3.3. Оценка эффективности разработанной методики и рекомендации по ее применению 107
4. Структура автоматизированного комплекса для диспансерных обследований 119
4.1. Базовая часть автоматизированных комплексов диспансерного обследования 119
4.2. Подсистема электронного документооборота 121
Основные результаты диссертации 130
Список литературы 131
Приложения 146
- Структура и специфика разработки медицинского обеспечения автоматизированного многопрофильного скрининга
- Анализ способов и средств формального представления экспертных знаний, составляющих медицинское обеспечение АССД
- Обобщённая методика построения автоматизированных систем скринирующей диагностики на базе унификации представления экспертных знаний
- Подсистема электронного документооборота
Введение к работе
Актуальность темы Разработка и внедрение систем многопрофильного скрининга, основанных на экспертных знаниях, занимает длительный период времени, большая часть которого уходит на разработку и верификацию базы экспертных знаний. Это обусловлено недостаточно четким взаимодействием экспертов (носителей медицинских знаний) и программистов б силу специфических особенностей их областей знаний Таким образом, разработка инструментария (методики и средств унификации представления экспертной составляющей) для формирования, верификации и корректировки базы экспертных знаний в системах многопрофильного скрининга силами самих экспертов представляется своевременной и актуальной
Целью работы является повышение эффективности работ по созданию автоматизированных комплексов для многопрофильного скрининга, для чего счедует решить ряд следующих задач
Разработать формальную модель автоматизированной системы скринирующей диагностики (АССД) как системы логического вывода основанного на экспертных знаниях
Разработать типовую структуру медицинской информационной системы многопрофильного скрининга с унифицированным представлением базы экспертных медицинских знаний (БЭМЗ)
Разработать методику многоэтапной верификации БЭМЗ АССД
Разработать обобщенную методику построения АССД на базе унифицированного представления экспертных знаний
Разработать программное обеспечение АССД и реализовать в виде автоматизированных комплексов диспансерного обследования (АКДО)
Объектом исследования является система автоматизированного многопрофильного скрининга населения, предназначенная для выявления отклонений в состоянии здоровья пациентов
Предметом исследования является информационное (знания медицинских экспертов), методическое и алгоритмическое обеспечения АССД
Методы исследования Исследование базируется на методах системного анализа и теории биотехнических систем, методов прикладной математики и теории представления знаний
Новые научные результаты.
Научная новизна работы в целом определяется системным подходом к унификации представления экспертных знаний, которые являются основой для последующей разработки систем многопрофильного скрининга
Формальная модель АССД отличается от известных реализацией методов логического вывода, основанного на знаниях
Типовая структура медицинской информационной системы многопрофильного скрининга отличается унифицированным представлением знаний
Разработанная методика многоэтапной верификации БЭМЗ позволяет, в отличие от известных, проводить верификацию только с помощью экспертов Обобщенная методика построения АССД реализована на базе унификации представления экспертных знаний
Практическая ценность работы Использование разработанных модели и методик позволяет, повысить эффективность процесса разработки, верификации и модернизации АССД Модель и методики использованы при создании комплексов, серийно выпускаемых в Научно-исследовательском конструкторско-технологическом институте биотехнических систем (НЖТИ БТС) Это позволило значительно сократить временные и экономические затраты при разработке таких комплексов Так для первичной разработки комплекса общие затраты сокращаются в 1.5 раза, а для повторной разработки комплекса с измененным содержанием БЭМЗ - в 4.5 раза
Научные положения, выносимые на защиту:
Формальная модель автоматизированной системы скринирующей диагностики, основанная на экспертных медицинских знаниях
Типовая структура медицинской информационной системы многопрофильного скрининга с унифицированным формальным представлением экспертных знаний
Методика многоэтапной верификации базы экспертных медицинских знаний систем скринирующей диагностики
Обобщенная методика построения автоматизированных систем скринирующей диагностики на базе унифицированного представления экспертных знаний
Внедрение результатов работы. Внедрение разработанных методов при создании АССД1
автоматизированные комплексы для диспансерных обследований детей и подростков (АКДО),
программные компчексы «Управление Иммунизацией»,
программной системе «Пренатальный скрининг синдрома Дауна»,
комплекс программ для мониторинга врожденных пороков развития
Подтверждено в двух актах внедрения (от Комитета здравоохранения при администрации Санкт-Петербурга и НИКТИ БТС)
Апробация работы Основные положения работы и полученные результаты обсуждались на следующих конференциях и семинарах на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2005 - 2008 гг), научно-технической конференции НТО РЭС им А. С Попова (2005 - 2007 гг), I Национальном конгрессе по валеологии "Качество жизни и здоровье" (Санкт-Петербург, 2006г), V Международном симпозиуме «Электроника в медицине Мониторинг, диагностика, терапия» (Санкт-Петербург, 2006г), VI Международном симпозиуме «Электроника в медицине Мониторинг, диагностика, терапия» (Санкт-Петербург, 2008г).
Публикации По теме диссертации опубликованы 12 научных работ, из них - 3 статьи (3 статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 9 работ в трудах международных и российских научно-технических конференций и симпозиумов Получены 3 свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ и 1 патент на изобретение от федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 135 наименований, и четырех приложений Основная часть работы изложена на 131 страницах машинописного текста Работа содержит 29 рисунков и 1 таблицу
Структура и специфика разработки медицинского обеспечения автоматизированного многопрофильного скрининга
Медицинское обеспечение любой медицинской системы - это комплекс медицинских предписаний, нормативов, методик и правил, обеспечивающих оказание медицинской помощи с использованием этой системы [129]. МедО АССД обеспечивает проведение автоматизированного профилактического осмотра пациентов с получением заключения о состоянии здоровья каждого пациента. Оно служит основой для информационного, математического и организационного обеспечения. Функционирование АССД является реализацией МедО. 1. В МедО должны быть зафиксированы следующие моменты: контингент пациентов, подлежащих обследованию; периодичность обследований; цель, достигаемую в результате обследования; ведущую функцию системы (и ее подсистем), т.е. функцию, МедО обеспечивающую достижение указанной цели; нозологическую ориентацию обследования, т.е. состав профилей патологии и диагнозов, выделяемых в процессе обследования. 2. Программа обследования Она включает перечни: систем и функций организма, подлежащих обследованию; процедур обследования; систем организма и органов, подлежащих активному тестированию с физической нагрузкой; первичных медицинских данных (ПМД), обобщенных медицин ских показателей (ОМП), и состояний (в целом - признаков), которые подле жат выявлению для определения состояния здоровья обследуемого; ПМД - это факторы, явления, и процессы морфологического, функционального, электрического, биохимического и социального характера, получаемые путем опроса и обследования и имеющие отношение к здоровью пациента, функционированию его органов, состоянию его организма. ОМП - это показатели, получаемые путем целенаправленного преобразования и обобщения ПМД. 3. Методика профилактического осмотра, включающая: последовательность процедур обследования и тестирования; способы и приемы осуществления процедур обследования и тестирования, включая использование технических средств; инструкции для медперсонала; инструкции для пациентов. 4. Методика выявления (формирования) ОМП (методика первичной обработки ОМП), содержащая словесные описания, графики, и формулы преобразования и обобщения ПМД. 5. Нормативы, включающие: возрастную, половую и др. группировки обследуемых; количественные характеристики ПМД и ОМП в норме, патологии и пограничном состоянии; численные характеристики физической нагрузки, противопоказания и ограничения; качественные и количественные характеристики состояния здоровья и показания к обследованию у специалистов; нормативы состояния внешней среды в помещениях для обследования; квалификационные требования к медперсоналу; плановые нормативы труда медперсонала и нормы расхода медицинских материалов. 6. Врачебные решающие правила, представляющие собой словесные алгоритмы, таблицы, формулы и др. для распознавания состояния здоровья и принятия решений путем сопоставительного анализа ПМД, ОМП и нормативов. 7. Документооборот. Сведения о нем включают [105]: перечень документов и сообщений, используемых системой; содержание каждого документа и сообщения; пути следования каждого документа и сообщения с адресацией; содержание информации, заносимой в каждый документ и получаемой из него в каждом адресе: приоритетность документов и сообщений; Качество профилактического осмотра, т.е. его достоверность, правильность решений, способность к выявлению скрытой патологии и пограничных состояний зависит в первую очередь от качества медицинского обеспечения в целом и его частей, от степени совершенства медицинских знаний, положенных в его основу.
Анализ способов и средств формального представления экспертных знаний, составляющих медицинское обеспечение АССД
Реализация экспертных знаний, составляющих содержание БЭМЗ, основана на схеме процесса обследования с применением АССД. Можно выделить три функциональных блока (рис. 2.4): Содержание БЭМЗ состоит из трёх функциональных блоков: регистратура, (регистрация пациента, определение значений Ру); медицинская карта, (выполнение обследования, определение значений Роп и вычисление значений оценок Z); документооборот (формирование документов В на основании шаблонов В ). Обобщённая структура БЭМЗ и взаимосвязи блоков представлены на рис. 2.5. Состоит из описания классификаторов и регистрационных данных пациента, основными из которых являются фамилия, имя, отчество, дата регистрации, дата рождения, пол, адрес проживания, данные об организованности пациента. Для возможности анализа данных, адрес проживания и организованность пациента должны быть описаны в виде соответствующих классификаторов. Медицинская карта. Описывает структуру и состав обследования. Состоит из следующих блоков: Описание структуры медицинской карты, предназначенное для представления общей структуры обследования и перечня индивидуальных документов, формируемых по результатам проведения обследования или его частей; Описание составных обследовании, содержащие описание структуры и состава данных обследований, а также описание решающих правил; Описание перечня математических функций используемых в решающих правилах. Состоит из описания номенклатора понятий, используемого для описания и формирования различных отчётно-аналитических документов. Но-менклатор формируется на основании описаний регистратуры и медицинской карты и содержит описания сущностей, их атрибутов и правил отбора. Инвариантная часть АССД реализована с использованием технологии метауправления [134]. Для представления метаинформации, описывающей адаптивную часть комплекса, необходима соответствующая модель. Разработанная и используемая в настоящее время во множестве приложений базовая модель представления метаинформации (БМПМ) [131] по способу представления знаний наиболее близка к иерархическим семантическим сетям. Дескриптивные знания в БМПМ представляются в виде иерархически организованной сети понятий (дерева понятий). В качестве понятий выступают сущности (объекты), атрибуты, значения атрибутов и отношения. В качестве языка представления метаинформации целесообразно использовать расширяемый язык разметки XML (Extensible Markup Language) [101], соответствующий БМПМ. Адаптивная (инвариантная) часть АССД состоит из нескольких уровней представления метаинформации, используемой для описания области применения. Первый уровень - это уровень описания хга/-базируемых языков соответствующих разделов внутреннего МедО. Данный уровень описывается при помощи Document Type Definition (DTD). Следует отметить, что кроме DTD, возможно использование xml-схем. Выбор одного из средств dtd или xml-схем определяется только используемыми средствами, предназначенными для редактирования (формирования) xml-приложения. В нашем случае DTD был выбран как более простой и удовлетворяющий условиям поставленной задачи. Второй уровень формализации - это уровень XMZ-описаний предметной области при помощи разработанных языков представления последней. Описания на всех уровнях относятся к одному классу XML-описаний, который состоит из следующих секций
Обобщённая методика построения автоматизированных систем скринирующей диагностики на базе унификации представления экспертных знаний
Выполненная разработка позволяет говорить об АССД, как о классе программных комплексов, экземпляры которого формируются и настраиваются посредством создания набора специализированных описаний. Кроме того, для каждого экземпляра необходима разработка соответствующих должностных инструкций, методик применения и описания применения. Структурно, общая методика построения автоматизированных комплексов для диспансерных обследований на базе унифицированного представления экспертных знаний, представлена на рисунке 3.2. Разработка АССД начинается аналогично классической разработке с определения целевой функции АССД. На данном этапе определяются следующие параметры: Цель обследования; Ведущую функцию МедО (и ее подсистем); Нозологическую ориентацию (состав профилей и диагнозов); Периодичность обследования; Следующий этап является этапом детализации и проработки общих требований. На данном этапе выполняется формирование программы обследования, содержащей: Перечень систем и функций организма, подлежащих обследованию; Перечень процедур обследования; Перечень исходных (первичных) медицинских данных (ПМД); Перечень обобщенных медицинских показателей и состояний, подлежащих выявлению (ОМП). Программа обследования является базой для дальнейшей разработки описаний и методик применения, поэтому качество выполнения данного этапа влияет на эффективность последующих этапов. Так же на данном этапе определяется модель решающих правил обработки ПМД, алгоритмы и способы их применения. Дальнейшие этапы являются функциональными, и нацелены на реализацию описаний, составляющих БЭМЗ, и различной документации в виде методик, руководств, инструкций и должностных обязанностей. Этап формирования БЭМЗ представлен на рисунке 3.3, и начинается с формирования описаний ПМД, включающие: описание регистратуры; описания объектов (ПМД, ОМП); описания решающих правил; декларативного описания основных математических функций, используемых в решающих правилах. После разработки описаний выполняется статическая верификация описаний. На основании анализа результатов статической верификации, при необходимости, выполняется корректировка описаний. Данные действия повторяются до полного формирования описаний. На данной стадии разработки, параллельно формированию описания решающих правил, выполняется программная реализация используемых математических функций в виде отдельной библиотеки. Следует отметить, что реализация функций является обязательной только в том случае, если формирование решающих правил предусматривает использование особых функций, не предусмотренных в базовом наборе таковых. Когда описания считаются сформированными, выполняется формирование структуры и разметка информационной БД. Также на данном этапе, после обязательной фиксации состава ПМД, выполняется, при необходимости, реализация функций автоматического ввода ПМД, в виде отдельной библиотеки. Для возможности взаимодействия с различными устройствами, например с блоком съёма ЭКГ, предусмотрен специальный программный интерфейс. В случае использования устройств, применяемых в других, более ранних разработках БЭМЗ АССД, возможно использование соответствующей библиотеки, от этих экземпляров комплекса.
Подсистема электронного документооборота
Подсистема электронного документооборота (ПДО) является стандартным расширением АКДО и предназначена для организации процессов описания, формирования, хранения и отображения электронных документов. Данная подсистема, в отличие от стандартных возможностей программных комплексов по формированию выходных документов фиксированной структуры, позволяет создавать документы в любой требуемой форме. Целесообразность использования ПДО обусловлена следующими соображениями: 1. На практике достаточно часто возникает необходимость формирования разного рода нетиповых документов, что в рамках стандартных возможностей ПК по созданию фиксированных документов является весьма проблематичным; 2. Любая предметная область динамична, что в свою очередь приводит к введению новых форм документов и к изменению существующих. Для ПК со стандартными возможностями адаптация к подобным изменениям возможна только путем выпуска новой версии программы, что сопряжено с определенными временными затратами. ПДО предоставляет пользователю возможность самостоятельно описывать формы необходимых выходных документов в максимально короткие сроки. ПДО позволяет: 1. Формировать описания документов, определяющих форму документов, а также правила их формирования и отображения; 2. Формировать документы в соответствии с указанным описанием на основании данных информационной базы ПК; 3. Формировать документы в соответствии с указанным описанием на основании данных других документов, созданных ПДО; 4. Осуществлять ввод данных в сформированный документ вручную с автоматическим контролем корректности введенной информации и с автоматическим расчетом вычисляемых данных. Правила контроля и расчета опционально указываются при формировании описания документа. Основными компонентами ПДО являются (рис. 4.2 - рис. 4.3): описания документов; фильтры данных; выборки; документы; отчеты. Описание документа определяет форму документа, а также правила его формирования и отображения. \ Фильтр данных (фильтр) в общем случае представляет собой описание правил отбора предметной информации из базы данных (БД). В ПДО под фильтром данных (фильтром) понимается описание правил отбора предметной информации из базы данных с целью последующего формирования документов на выбранном множестве сведений. Выборка является множеством сведений, получаемых в соответствии с требованиями того или иного фильтра данных. Под документом понимается совокупность структурированных данных, сформированных на основе указанной выборки в соответствии с тем или иным описанием. Отчет (отображение документа) представляет документ в форме, удобной для восприятия человеком. Отчет может быть сохранен в виде файла в формате HTML, просмотр которого осуществляется с помощью браузера (Microsoft Ш Internet Explorer и т.п.). Для редактирования html-файла можно воспользоваться программами Microsoft S Excel и Microsoft Ш Word из состава Microsoft Ш Office 97 (или более поздней версии). Для того чтобы при помощи ПДО формировать требуемые документы, необходимо создать описания для этих документов. В описании документа указывается: ? структура документа в виде совокупности элементов документа; ? правила отображения документа; ? правила формирования документа на основании предметной информации и множества фильтров данных; ? правила формирования документа на основании данных интегрируемых документов.
