Содержание к диссертации
Введение
Глава І.Обзор литературы 10
1.1 Этиопатогенетические и клинические особенности экссудативного среднего отита у детей 10
1.2 Лечебная тактика при экссудативном среднем отите у детей 20
1.3 Использование искусственных нейронных сетей в медицинской практике 29
Глава 2. Объем наблюдений и методы исследования 39
Глава 3. Клинико-диагностические аспекты выбора тактики лечения экссудтивного среднего отита у детей 50
3.1 Клинико — аудиологические параллели экссудативного среднего отита у детей 50
3.2. Особенности лечебной тактики и характеристика рецидивов и осложнений экссудативного среднего отита у детей 60
3.3. Прогностическое значение пневматизации сосцевидных отростков при экссудативном среднем отите у детей 65
Глава 4. Выбор тактики лечения ЭСО на основе нейросетевых классификационно-прогностических моделей 73
4.1. Методы предварительной обработки статистических данных по лечению детей с ЭСО при нейросетевом анализе данных 73
4.2 Разработка модели искусственной нейронной сети для решения задач прогнозирования тактики лечения больных ЭСО 79
4.3. Анализ и выбор программных средств, реализующих технологию нейровычислений и их применение для прогнозирования тактики лечения больных с ЭСО 86
Заключение 98
Выводы 107
Практические рекомендации 108
Список литературы 109
Приложение 134
- Лечебная тактика при экссудативном среднем отите у детей
- Особенности лечебной тактики и характеристика рецидивов и осложнений экссудативного среднего отита у детей
- Методы предварительной обработки статистических данных по лечению детей с ЭСО при нейросетевом анализе данных
- Анализ и выбор программных средств, реализующих технологию нейровычислений и их применение для прогнозирования тактики лечения больных с ЭСО
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы в России и за рубежом наметился рост числа детей с кондуктивной тугоухостью, основную долю среди которых составляют больные экссудативным средним отитом (ЭСО) (Загорянская М.Е., 2002, Bluestone С, Klein J., 1995). Поданным многоцентрового исследования (Sederberg-Olsen J., ThomsenJ., 1997) менее 10 % соматически здоровых детей достигают 7 лет, не имея хотя бы одного эпизода скопления секрета в полостях среднего уха. Диагностика ЭСО в детском возрасте представляет серьезные трудности из-за отсутствия болевого синдрома, скудной клинической симптоматики. Тугоухость является одним из наиболее постоянных симптомов ЭСО и в 15-25 % она приобретает смешанный характер, что часто приводит к социальной дезадаптации больного. Даже одностороннее длительное снижение слуха до 30-35 дБ у детей первых лет жизни значительно влияет на развитие когнитивной и речевой функций (Teele D., 1990).
Множество работ посвящено внедрению комплексного клинико-аудиологического обследования пациентов и разработке оптимальных методов лечения ЭСО (Дмитриев Н.С., Милешина НА., 1996, Лебедев Ю.А.,1993, 1997, Арефьева Н.А., Стратиева О.В., 1998, 2001, Le С, 1994, Sade J., 1997). Несмотря на многообразие предложенных консервативных методов лечения и разработку микрохирургических вмешательств, направленных на дренирование полостей среднего уха и уменьшение процесса экссудации, в 10-45 % случаев процесс приобретает рецидивирующий тип течения и приводит к развитию тим-паносклероза или адгезивного отита (Лебедев Ю.А, 1996, Милешина Н.А., 2001, Seberg-OlsenX, 1989, TosM., 1990).
Актуальность исследований обусловлена недостаточностью изучения взаимосвязи течения и степени прогрессирования экссудатив-ного процесса с клинико-аудиологической характеристикой заболевания, потребностью оптимизации диагностики, выявлением специфических признаков, определяющих прогноз, и на основе этого определения принципов выбора метода лечебного воздействия. Изучение комплекса проблем ЭСО создает научную основу для предупреждения рецидивов заболевания и предотвращения возможности социальной дезадаптации детей.
Отечественные и зарубежные исследования показали перспективность применения искусственных нейронных сетей в практическом здравоохранении для решения задач диагностики, классификации, распознавания и прогнозирования. Однако до настоящего времени в оториноларингологии нейросетевое моделирование не использовалось.
Все эти проблемы создали предпосылку для проведения работы по выделению критериев ранней диагностики ЭСО, способствующих неблагоприятному течению заболевания, и разработке тактики, оптимизирующей выбор лечебного воздействия на основе использования искусственных нейронных сетей.
Цель исследования: оптимизировать выбор лечения экссудатив-ного среднего отита у детей при помощи искусственной нейронной сети на основе клинико-аудиологических параметров.
Задачи исследования:
1. Определить аудиологические особенности экссудативного
среднего отита у детей на разных стадиях развития заболевания.
Изучить прогностическое значение пневматизации сосцевидных отростков на течение экссудативного среднего отита.
Выявить взаимосвязь между типами пневматизации сосцевидных отростков и развитием ретракций барабанных перепонок.
Выделить факторы, определяющие рецидивирующий тип течения заболевания.
Установить возможность использования искусственных нейронных сетей для выбора оптимального метода лечения на основе клинико-аудиологических параметров ЭСО.
Научная новизна. Для определения прогноза заболевания проведен статистический анализ, который предоставляет возможность количественно оценить информативность каждого из исследуемых признаков, с учетом его взаимосвязи со всеми другими признаками.
Описаны клинико-аудиологические особенности рецидивирова-нияЭСО.
Выявлено, что смешанная форма тугоухости при ЭСО у детей развивалась на всех стадиях заболевания, и количество пациентов с повышением порогов костного звукопроведения постепенно увели-
чивалось в зависимости от стадии прогрессирования заболевания.
Определено прогностическое значение пневматизации сосцевидных отростков на течение ЭСО. Выявлено, что у больных со склеротическим типом пневматизации сосцевидного отростка значительно чаще развиваются ретракции барабанной перепонки с последующим прогрессированием адгезивного процесса.
Впервые использовано нейросетевое моделирование для выбора оптимальной модели лечения детей с ЭСО на основе клинико-аудиологических параметров и прогнозирования рецидивов ЭСО.
Практическая значимость. Исследование степени пневматизации сосцевидных отростков методом рентгенопланиметрии у больных ЭСО позволит прогнозировать рецидивирующее течение ЭСО и выбор консервативного или оперативного метода лечения заболевания. Это дает возможность рекомендовать включать в комплекс кли-нико-аудиологического обследования больных с ЭСО метод рентгенопланиметрии.
Представленные в работе клинико-аудиологические параметры ЭСО, способствующие рецидивирующему течению патологического процесса позволят оториноларингологам своевременно диагностировать заболевание и выбрать адекватный метод лечения.
Результаты применения нейросетевого моделирования позволяют сделать вывод о возможности использования этого метода в практике оториноларингологического отделения с целью оптимизации выбора метода лечения ЭСО, а также для определения варианта течения и прогноза заболевания и при выборе метода лечения у больных с другими ЛОР-заболеваниями.
Положения, выносимые на защиту. Развитие смешанной тугоухости при ЭСО может происходить на любой стадии заболевания.
Степень прогрессирования ретракционно-адгезивного процесса в барабанной полости зависит от пневматизации сосцевидных отростков.
Пневматизация сосцевидных отростков имеет прогностическое значение на течение ЭСО, и метод рентгенопланиметрии должен быть включен в протокол обследования детей с ЭСО.
Использование нейросетевого моделирования у детей с ЭСО позволяет прогнозировать рецидивы ЭСО и выбирать оптимальную модель лечения на основе клинико-аудиологических параметров.
Внедрение в клиническую практику. Результаты исследования используются в работе ЛОР-отделения и сурдологического центра Воронежской областной детской клинической больницы № 1.
Апробация работы. Основные материалы диссертационных исследований представлены и обсуждены на научно-практической конференции "Состояние здоровья детей Воронежской области" (Воронеж, 1997 г.), III Международном симпозиуме "Современные проблемы физиологии и патологии слуха" (Москва, 1998 г.), V конгрессе педиатров России (Москва, 1999 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Современные вопросы аудиологии и ринологии" (Курск, 2000 г.), IV Международном симпозиуме "Современные проблемы физиологии и патологии слуха" (Суздаль, 2001 г.), Российской научно-практической конференции "Проблемы и возможности микрохирургии уха" (Оренбург, 2002 г.), V Международном симпозиуме "Современные проблемы физиологии и патологии слуха" (Суздаль, 2004 г.).
Апробация диссертации проведена 6 апреля 2005 г. на заседании Ученого Совета Российского научно-практического центра аудиологии и слухопротезирования Министерства здравоохранения и социального развития РФ.
По теме диссертации опубликовано 15 работ.
Структура диссертации. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, собственных наблюдений (2, 3 и 4 главы), заключения, выводов, практических рекомендаций, приложения, списка литературы. Библиографический указатель включает 233 наименования, из них 85 — отечественных и 148 - зарубежных. Работа содержит 19 таблиц и 16 иллюстраций.
Лечебная тактика при экссудативном среднем отите у детей
Лечение ЭСО является трудоемкой и сложной задачей, не смотря на множество предложенных вариантов терапии [3, 8, 10, 16, 17, 34, 52, 74, 103]. Все авторы сходятся во мнении, что в первую очередь необходимо устранить все причины тубарной дисфункции [2, 44, 46, 49, 57, 59, 65, 80, 92, 161, 221]. В связи с этим в комплекс лечебных мероприятий могут входить корригирующие операции в полости носа, санирующие операции на придаточных пазухах, аденотомия, тонзилэктомия, методы восстановления функции слуховой трубы. Применяя столь большой объем лечебных мер у детей, Преображенский Н.А. (1987) считал, что важно придерживаться принципа «шаг за шагом», начиная лечение с наиболее щадящих вариантов.
Большинство авторов считают, что аденоиды подлежат удалению, так как в них могут гнездиться вирулентные микроорганизмы [17, 28, 43, 46, 61, 66, 77, 85, 163, 221]. Эффект аденотомии более выражен при больших аденоидах и составляет по разным данным 60 - 75 %.
М. Tos (1989) полагает, что хотя имеется определенная корреляция между величиной аденоидов и характером содержимого в барабанной полости (при больших аденоидах экссудат более вязкий), все же аденотомия не всегда бывает успешной.
Существует мнение, что у детей надо не ограничиваться аденотомией, а вслед за ней проводить миринготомию с введением вентиляционной трубки, чтобы предотвратить развитие стойкой тугоухости, влияющей на психо-речевое развитие ребенка [34, 52, 109, 120, 123, 124, 143, 177, 215].
Leek (1987) провел интересное исследование: 31 ребенку с двусторонним ЭСО на фоне аденоидов произвел аденотомию, а затем с одной стороны (правой) выполнил миринготомию и ввел дренажную трубку. При контрольном осмотре через год не выявлено заметной разницы в результатах лечения правого и левого уха. Подобное исследование провел Н. Vogi (1987), только на двух равноценных группах больных (в одной аденотомия сопровождалась шунтированием барабанной полости, а в другой - нет), и также не получил достоверной разницы.
I.Gandt и R. Hiernaux (1983) даже считают, что дренажные трубки для длительной вентиляции уха у детей 2-3 лет следует применять с профилактической целью, так как в этом возрасте нет смысла удалять аденоиды из-за склонности их к рецидивированию. По их наблюдениям в этом возрасте аденоиды рецидивируют в 60 % случаев. При наличии экссудата в барабанной полости авторы предпочитают сразу производить миринготомию и на длительное время вводить в ухо шунт, а аденотомию осуществлять в возрасте 5 - 6 лет, когда аденоиды рецидивируют значительно реже.
Однако последнее время большинство отиатров придерживаются мнения, что вопрос о миринготомиии у детей с ЭСО на фоне аденоидов должен решаться индивидуально спустя 10 — 30 дней после аденотомии, лишь после повторного аудиологического обследования [17, 29, 46, 49, 56, 57, 65, 74, 79].
Среди медикаментозных препаратов широко применяются антигистаминные и сосудосуживающие средства [91, 92, 100, 125, 150, 178]. Однако существует мнение, что длительное применение сосудосуживающих препаратов значительно снижает мукоцилиарную активность мерцательного эпителия полости носа и слуховой трубы; даже при нормальном функционировании последней они могут стать косвенной причиной нарушения ее дренажной функции и способствовать развитию отита [17, 30, 77]. От применения общей гормонотерапии при ЭСО (исключая местное введение) отечественные авторы в последнее время отказались [35, 46, 57].
Многие отиатры отмечают хороший эффект от применения витаминов группы В и биостимуляторов (ФИБС, алоэ и др.) [10, 15, 20, 30, 49, 74].
Последние годы зарубежные оториноларингологи используют антибактериальные препараты, как альтернативу хирургическому лечению [102, 106, 120, 125, 126, 184, 197, 209, 216]. Учитывая значение бактериальной флоры в развитии ЭСО, в частности Н. Influenca, М. Cataralis и т.д., наибольшее применение получили амоксициллин и амоксиклав (аугментин). Так J. Thomsen и соавт. (1997), проведя лечение 1450 детей, получили положительный результат (подтвержденный тимпанометрически) в 31 % и 44 % случаев при соответственно 14- и 28-дневном курсе лечения амоксиклавом. Среди отечественных авторов бытует мнение, что назначение антибиотиков при такой форме среднего отита нецелесообразно, более того, они задерживают излечение [17,46,57].
Большое значение в лечении ЭСО придается функциональным методам лечения, восстанавливающим функцию слуховой трубы. Так, Гаудинь Э.П. (1970) предложил больным ЭСО самостоятельно пользоваться приемами Тойнби и Вальсальвы, поочередно применяя их 5-6 раз подряд и повторяя эту процедуру несколько раз в день. Он считает, что благодаря упражнениям в носоглотке создается периодический перепад давления: отрицательного при опыте Тойнби и повышенного при опыте Вальсальвы, когда воздух, проникая в барабанную полость, как бы подталкивает ее содержимое к выходу. Голове при этом придают соответствующее положение.
Широкое применение в лечении ЭСО нашло продувание слуховых труб по Политцеру. И, несмотря на то, что часто выравнивание интратимпанального давления носит кратковременный характер, данная процедура бывает полезна из-за ее массирующего действия [5, 57, 59, 74, 77]. При каждом продувании барабанная перепонка изменяет свое положение, вследствие чего вытягивается сократившееся сухожилие мышцы, натягивающей барабанную перепонку, и расслабляются слуховые косточки в суставах. Все это имеет значение для профилактики слипчивых процессов в барабанной полости и анкилоза косточек. Однако в литературе описаны случаи разрыва барабанной перепонки и мембраны окна улитки при форсированном продувании [74].
Наиболее часто используемая схема включает продувание по Политцеру, пневмомассаж барабанных перепонок в сочетании с внутримышечном введении витаминов группы В и биостимуляторов (алоэ, ФИБС и др.) [30, 49, 57, 59, 74]. Данная методика приводит к выздоровлению у 80 % больных.
По данным Лопотко А.И. (1986) хороший функциональный результат (у 82 % больных) в лечении ЭСО отмечается при применении эндауральной баротерапии. После установления в слуховом проходе вакуума различного уровня в зависимости от типа тимпанограммы, осуществляют декомпрессию со скоростью 40 — 50 мм водн. ст./ с. до 0. Цикл автоматически повторяют 2-5 раз.
В литературе имеются сообщения о положительном влиянии электростимуляции мышц мягкого неба на течение ЭСО [55, 56]. В момент электрического раздражения сокращаются мышцы, открывающие просвет трубы, что снимает отрицательное давление в среднем ухе и способствует эвакуации отделяемого. Парфенова А.Л. (1999) отмечает эффективность электростимуляции в 73,7 % случаев лечения детей с ЭСО, причем лучший результат получен у больных с 1-й и 2-й стадиями болезни (по классификации Дмитриева Н.С. и соавт.).
Крайне распостраненным видом лечения является введение лекарственных веществ в барабанную полость методом эндаурального электрофореза или фонофореза [17, 30, 57, 77]. Наиболее часто для этой цели используются растворы лидазы (или других ферментов) и йодида калия.
Шпотин А.Г. и Мухамедова Г.Р. (2000) выявили хороший функциональный эффект при использовании лазеротерапевтического внутриушного введения смеси димексида с лидазой у детей с ЭСО [83]. Авторы отметили преимущество данной схемы у детей до 6 лет, когда проведение инструментальных манипуляций затруднено.
Особенности лечебной тактики и характеристика рецидивов и осложнений экссудативного среднего отита у детей
Лечение детей осуществлялось поэтапно. Вначале, при наличии показаний, проводилась санация верхних дыхательных путей, направленная на восстановление носового дыхания. Данный вид лечения был проведен 174 больным. Из них хирургическая санация применялась у 97 детей: 96 аденотомий и 1 подслизистая резекция носовой перегородки. 82 пациентам проводилось консервативное лечение верхних дыхательных путей, которое зависело от этиологического фактора, вызвавшего развитие ЭСО. При вазомоторном и аллергическом ринитах использовалась криотерапия или ультразвуковая дезинтеграция нижних носовых раковин в сочетании с физиотерапевтическим лечением. Для санации носа и придаточных пазух при синусите применялись: метод перемещения лекарственных веществ по Proetz, пункции верхнечелюстных пазух, антибактериальная, десенсибилизирующая терапия и физиолечение (лазеротерапия, УВЧ, СВЧ). Лечение острого среднего отита помимо антибактериальной и десенсибилизирующей терапии включало компрессы по Цытовичу и УВЧ на область уха. У 5 детей консервативное лечение предшествовало аденотомий. Через 3 — 4 недели после восстановления носового дыхания слух исследовался повторно и проводился второй этап лечения. У 44 пациентов (25,3 %) наступило полное восстановление слуха и дальней шее лечение им не потребовалось.
На втором этапе лечение проводилось по трем направлениям -консервативный курс, катетеризации слуховой трубы и хирургическое лечение. Больные получавшие катетеризации слуховых труб выделены в отдельную группу, так как данный метод использовался у части больных как монотерапия. Курс консервативной терапии проведен 173 детям и включал: продувание слуховых труб по Политцеру, пневмомассаж барабанных перепонок, инъекции биостимуляторов (алоэ, ФИБС) и витаминов В1 и В6, электрофорез 32 ЕД лидазы или 2 % раствора йодида калия эндаурально. Катетеризации слуховых труб, с введением в барабанную полость лекарственных веществ, применялись у 41 больного. Для введения в барабанную полость использовались три группы лекарственных веществ (общим объемом до 1 мл.): 0,05 % адреналин, кортикостероид (дексаметазон или суспензия гидрокортизона) и муколитик (лидаза, амбробене или флуимуцил). На курс лечения достаточно было 5-8 катетеризации. В 24 случаях (54,5 %) катетеризации слуховой трубы сочетались с курсом консервативного лечения. Эффективность консервативного курса лечения составила 73 % (выздоровление и улучшение), эффективность курса катетеризации — 95 %.
Были использованы три методики хирургического лечения: тимпаностомия (30 больных), тимпанопункция (23) и миринготомия (11). Причем, тимпанопункции и миринготомия проводились на фоне или в завершении консервативного курса (в связи с его низкой эффективностью). Миринготомия заключалась в рассечении барабанной перепонки в заднєнижнем квадранте и удалении экссудата с последующим нагнетанием гормонов до полного закрытия перфорации. При тимпанопункции, после прокола перепонки проводилось отсасывание экссудата и введение в барабанную полость раствора муколитика и гормона. Тимпаностомия использовалась как отдельный вид лечения.
Нами проводилась тимпаностомия в переднее-нижнем отделе барабанной перепонки по следующей методике. Эпидермис рассекается впереди рукоятки молоточка и отслаивается от среднего слоя перепонки, циркулярные волокна перепонки рассекаются, а радиарные - раздвигаются тупым путем микроиглой. Распатором формируется отверстие овальной формы и вводится полиэтиленовый шунт Армстронга собственного изготовления или титановые тимпаностомические трубки фирмы "Kurz" модели "Tubingen" №1. При данной методике не бывает досрочного самопроизвольного выпадения вентиляционной трубки, благодаря плотному облеганию ее радиальными волокнами среднего слоя барабанной перепонки. Введением шунта в передние отделы удается достигнуть не только оптимальной вентиляции барабанной полости, но и уменьшить возможность развития осложнений в виде ателектаза и мирингосклероза барабанной перепонки. Сама трубка оказывает минимальное влияние на звукопроведение у больных. В дальнейшем трубки выпадали самостоятельно: полиэтиленовые через 3 — 12 месяцев, и титановые трубки модели "Tubingen" №1 - через 12-18 месяцев. Эффективность тимпаностомии составила 100 %, тимпанопункции -78 %, а миринготомии — 54 %.
Эффективность лечебного воздействия отражает процесс обратного развития ретракций в процессе лечения (Табл. 3.8). Наличие в исследуемой группе больных только с I и II степенями ретракций pars flaccida и pars tensa предопределило последующий регресс ретракций в процессе лечения. Лучший результат в плане регресса ретракций предопределяла тимпаностомия, также высокий функциональный результат показали катетеризации слуховой трубы. Практически не повлияло на ретракции проведение тимпанопункции, то есть, не смотря на эвакуацию секрета и промывание барабанной полости раствором муколитика и кортикостероида, пневматизация барабанной полости не восстанавливалась.
У 27 пациентов, не смотря на проводимое лечение, сохранялись повышенными пороги воздушного (20 человек) и костного звукопроведения (7 человек), что свидетельствовало о сохранении экссудата в полостях среднего уха. Таким образом, данной группе больных был неправильно определен тип лечебного воздействия, что и предопределило в последующем рецидивирующий тип течения ЭСО. Также некоторым больным последовательно проводилось несколько методов лечения, в связи с неэффективностью предыдущих. Все выше перечисленное поставило автора перед необходимостью проведения оптимизации лечения ЭСО на основе ИНС.
Рецидивы ЭСО отмечены у 62 человек (26 %), всего 107 рецидивов. Причем у 28 больных наблюдалось от 2 до 4 рецидивов болезни. Среди детей с односторонним ЭСО отмечено 44 рецидива (26 больных), а среди детей с двусторонним ЭСО - 63 рецидива (36 больных). У пациентов с двусторонним процессом рецидивы возникали в равном проценте как в двух ушах, так и в одном ухе. Дети с односторонним ЭСО развивали рецидивы в одном и том же ухе. У мальчиков рецидивирующий тип течения заболевания встречался чаще, чем у девочек - соответственно 68 % и 32 % (р 0,01). Отмечена четкая зависимость (р 0,01, г=0,24) между длительностью течения патологического процесса и рецидивами ЭСО (Табл. 3. 9).
Развитию рецидивов сопутствовали такие этиологические факторы, как: острый средний отит - 29 %, ОРВИ - 25 %, рецидив аденоидов -11%. Однако среди этиологических факторов наиболее неблагоприятным в плане рецидивирования ЭСО явился вазомоторный ринит (р 0,01, г=0,15): из 23 - в 13 случаях рецидивы (56,5 %). Данная особенность, по-видимому, связана с непродолжительным эффектом терапии, направленной на устранение отека слизистой носа и восстановление носового дыхания или с общими механизмами патогенеза вазомоторного ринита и ЭСО.
Методы предварительной обработки статистических данных по лечению детей с ЭСО при нейросетевом анализе данных
Исследования, проведенные профессором Горбанем А.Н. (1996) показали, что эффективность использования искусственных нейронных сетей во многом зависит от предварительной обработки исходных данных, полученных на этапе проведения исследовательских работ в группах больных с различной патологией.
Общая схема процесса предварительной обработки данных приведена на рисунке 1.
Основными операциями предварительной обработки статистических исходных данных при нейросетевом анализе являются:
Кодирование входов-выходов. На данном этапе необходимо привести все обрабатываемые данные в числовую форму.
- Нормировка данных. Включение этого этапа обусловлено тем, что в большинстве случаев ряд оцениваемых параметров имеет разные единицы измерения и следует их привести к единому - единичному масштабу.
- Обучение нескольких нейросетей с различной архитектурой.
- Отбор оптимальных сетей: тех, которые дадут наименьшую ошибку предсказания на неизвестных пока данных.
- Оценка значимости предсказаний.
В диссертационной работе основная часть параметров и критериев, относящихся к исходным (входным для нейросетевого моделирования) и выходным (прогностическим) данным имели числовой, а часть качественный характер. Проведение этапа кодирования числовых входных-выходных данных нецелесообразно. Качественные данные были кодированы следующим образом: наличие признака соответствовало 1, а его отсутствие - 0.
Приведение данных к единичному масштабу обеспечивается нормировкой каждой переменной на диапазон разброса ее значений. В простейшем варианте это - линейное преобразование: в единичный отрезок: х( є [0, lj. xt - значение і-го параметра клинико аудиологического обследования пациента.
Нормировка данного типа в ситуации нейросетевого моделирования выбора тактики лечения больных с ЭСО не всегда хорошо описывала имеющуюся статистику, так как подобная методика применима в случае отсутствия выбросов наблюдений намного превышающих типичный разброс. Выбросы такого рода при определении значений исследуемых параметров определяют масштаб нормировки.
Выходом из сложившейся ситуации явилось использование при нормировке не экстремальных значений, а типичных, т.е. статистических характеристик данных, таких как среднее и дисперсия
В этом случае основная масса данных имела единичный масштаб, то есть типичные значения всех переменных были сравнимы. При использовании вышеописанных процедур нормированные величины не принадлежат гарантированно единичному интервалу и максимальный разброс значений х. заранее не известен. Для обеспечения соответствия между обучающей выборкой (набором обучающих примеров) и искусственной нейронной сетью, используемой в дальнейшем для решения задачи классификации выходных параметров и прогнозирования тактики лечения необходимо ограничить диапазон изменения выходных переменных (параметров). В этом случае использовалась функция активации нейронов - нелинейное преобразование вида которое нормирует основную массу данных, одновременно гарантируя, что X; є [0,1J. Таблицы исходных данных до и после нормировки приведены ниже в таблице 4.1.
Одной из основных задач, решение которых существенно повышает эффективность нейросетевого моделирования, явилась задача выбора наиболее значимых входных параметров с точки зрения их влияния на результирующие показатели.
Наиболее распространенным методом оценки значимости [13, 14] является метод, предполагающий линейную зависимость выходов от входов
При решении задач прогнозирования лечебного воздействия у больных с ЭСО набор выходных, прогнозируемых, переменных фиксирован, и требуется подобрать наилучшую комбинацию ограниченного числа входных величин. Оценка значимости входов позволяет построить процедуру систематического предварительного подбора входных переменных до этапа обучения искусственной нейронной сети.
Нами использован метод формирования пространства признаков с учетом реальной значимости входов - постепенный подбор наиболее значимых входов в качестве очередных признаков. В качестве первого признака выбирался вход с наибольшей индивидуальной значимостью
Вторым признаком становится вход, обеспечивающий наибольшую предсказуемость в паре с уже выбранным и так далее. На каждом следующем этапе добавлялся вход, наиболее значимый в компании с выбранными ранее входами
Список клинико-аудиологических показателей детей с ЭСО, проранжированный по показателю значимости в соответствии с приведенной методикой приведен в таблице 4.2.
На основании анализа результатов ранжирования наибольшую значимость для определения типа лечебного воздействия имели: ретракции pars flaccida и pars tensa, тип В тимпанограммы, пороги костнопроведенных звуков и костно-воздушный интервал.
Таким образом, проведение нормировки и выбора наиболее значимых входных параметров с точки зрения их влияния на результирующие показатели позволило представить показатели в корректном виде и в последующем повысить эффективность нейросетевого моделирования.
Анализ и выбор программных средств, реализующих технологию нейровычислений и их применение для прогнозирования тактики лечения больных с ЭСО
В настоящее время при решении многих неформализованных задач в медицинской практике существенное внимание уделяется вопросам выбора наиболее эффективных программных средств анализа больших объемов многомерной медицинской статистической информации и их оценки с использованием современных методов математического анализа. Следует отметить, что пока не получили достаточного распространения специализированные пакеты прикладных программ обработки медицинской статистической информации. Именно этот факт заставляет ориентироваться на использование универсальных пакетов прикладных программ при обработке медицинских данных.
Исходя из специфики постановки решаемых задач и выбора методов их решения, наиболее целесообразным является ориентация на универсальные программные средства, позволяющие решить задачи прогнозирования и классификации на основе нейросетевого моделирования.
Универсальность того или иного пакета прикладных программ моделирования и анализа искусственных нейронных сетей (нейропакета) является субъективным фактором, так как один и тот же нейропакет может быть и универсальным и специализированным, в зависимости от того, для решения какого круга прикладных задач он предназначен [14].
Для получения объективной оценки нейропакетов была выбрана задача многомерного прогнозирования. В качестве модели нейронной сети выбрана многослойная нейронная сеть. Все нейропакеты показали практически одинаковые результаты по времени обучения многослойной нейронной сети с помощью алгоритма обратного распространения.
На первый план выдвинулись критерии, связанные с простотой использования нейропакетов, наглядностью представляемой информации и возможностями использования различных нейронных структур, критериев оптимизации и алгоритмов обучения нейронных сетей.
Основными критериями на которые следует ориентироваться при выборе нейропакета обработки медицинской статистической информации являются:
1. Простота создания и обучения- нейронной сети, интуитивно понятный интерфейс.
2. Простота подготовки обучающей выборки.
3. Наглядность и полнота представления информации в процессе создания, и обучения нейронных сетей.
4. Простота обмена информацией между нейропакетом и другими приложениями операционной системы.
5. Открытость архитектуры, т.е. возможность расширять нейропакет за счет собственных программных модулей.
Проведенный анализ показал, что в наиболее полной степени вышеизложенным критериям удовлетворяет пакетом прикладных программ NeuroPro. Данный пакет является свободно распространяемым русскоязычным пакетом прикладных программ для работы с нейронными сетями и производства знаний из данных с помощью обучаемых искусственных нейронных сетей. Основным преимуществом пакета является возможность обучения нейронной сети решению задачи предсказания или классификации; вычисление показателей значимости каждого из входных сигналов для решения задачи, сохранение вычисленных показателей значимости в файле на диске; генерация и визуализация вербального описания нейронной сети. Нейропакет содержит также большое число алгоритмов обучения нейронной сети.
Таким образом, анализ показал, что наиболее целесообразной при решении задач выбора лечения. ЭСО является ориентация на использование пакета NeuroPro.
Рассмотрим процессы обучения, функционирования описанной ИНС на основе использования пакета NeuroPro для решения задач прогнозирования и выбора рациональной тактики лечения у детей с ЭСО.
1. Подготовка обучающей выборки. Проведенные ранее нормировка и выбор наиболее значимых входных параметров позволили представить показатели в корректном виде для дальнейшей работы ИНС. Обучающая выборка представляет собой 150 примеров. Данные анамнеза, клинико-аудиологического обследования и лечения вводились в базу данных программы. 2. Формирование структуры ИНС в программе NeuroPro.
Ранее проведенные расчеты выявили, что для решения задач оптимизации лечения ЭСО наиболее целесообразными явились следующие характеристики ИНС: входной слой, состоящий из 12 нейронов; 3 скрытых слоя, в каждом слое -10 нейронов; в выходном слое (методы лечения) — 5 нейронов. Полученное число слоев и количество нейронов во входном, выходном и скрытых слоях задавалось в программе NeuroPro (Рис. 4. 6).
Для прогнозируемого качественного признака точность означает максимально допустимое отклонение прогноза сети от истинного значения признака. Желательно задавать как можно менее жесткие требования к точности. Это ускорит как процесс обучения, так и процесс упрощения сети. Также задачу можно будет решить на основе нейронной сети с меньшим числом слоев или нейронов, и, обычно, на основании меньшего числа входных сигналов. Требуемая точность ни в коем случае не должна превосходить погрешностей получения сигнала (погрешностей измерительных приборов, погрешностей огрубления значений при вводе их в компьютер). Для качественного признака точность (надежность) означает уверенность в принадлежности качественного признака тому или иному дискретному состоянию. Чем больше уровень требуемый уверенности, тем более надежно должна сеть диагностировать отличия каждого дискретного состояния от других. Нами был задан уровень надежности 0,1.
3. Описание полей в файле данных.
На первом этапе задавались клинико-аудиологические показатели, являющиеся входными для сети и сгруппированные после предобработки (Табл. 4. 2), а также варианты лечебного воздействия, являющие выходными данными сети (Рис. 4. 7). Затем определялось, к какому типу данных (количественные или качественные) относятся показатели. Выходные данные ИНС могут задаваться и как количественные и как качественные, причем это не влияет на точность расчетов. Экспериментальным путем нами было определено, что наиболее оптимально задавать выходные поля в количественном виде, так как это не ставит врача в жесткие рамки и позволяет выбрать метод лечебного воздействия, имеющий наибольший коэффициент значимости.
4. Обучение ИНС. Обучение нейронной сети на задачнике производилось градиентными методами оптимизации, градиент вычислялся по принципу двойственности. Примеру задачника соответствует запись (строка) файла данных. Для включения записи файла данных в задачник в записи должны присутствовать данные для всех полей, используемых нейронной сетью в качестве входных и выходных. В обучающей выборке нами использовались данные обследования и лечения 150 детей с ЭСО.
Обучение прекращается при достижении заданной точности решения задачи либо при невозможности дальнейшей оптимизации. Точность обучения составила для обучающей выборки около 97 %, что было достигнуто 15971 циклом обучения.
