Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ОБЮРМЕТОДОВИ(ЖаЕМАВТОМАТШИЮВАННОЙДИАгаОСТИКИ
ЗАБОЛЕВАНИЙ 9
ГЛАВА2. ДИАгаОСТИЮВАНИЕНАОШОВЕВЕЮЯгаОСТНЬІХІФИТЕРИЕВ 26
Модель диагностирования 26
Информативность проверок 31
Различающие свойства элементарных проверок 35 2.3.1 Проверки с единичными условными вероятностями исходов 38
Таблица проверок 41
Алгоритмы диагностирования 46
Безусловные и условные алгоритмы диагностирования 48
Оптимизация алгоритмов диагностирования 50
Иерархическая вероятностная модель диагностики заболеваний 59
Процедура диагностики 60
Подготовка информации 62
ГЛАВА 3. СЕТЕВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ВЕРОЯТНОСТНОЙ СИСТЕМЫ
ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ЗАБОЛЕВАНИЙ 65
Технологии реализации распределённых систем 66
Структура распределённой системы диагностики 71
Особенности функционирования системы дистанционной диагностики заболеваний в среде Интернет 78
Временные задержки при передаче данных 79
Время обработки запроса 80
Организация веб-узла 81
ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИАгаОСТИЮВАНИЯОЦЕШСАВРЕМЕННЬКХАРАКТТ^ИСТИКРАБОТЬІ СИСТЕМЫ
В СЕТЕВОЙ СРЕДЕ 85
Имитационное моделирование процесса диагностирования 85
Оценка времени транзакции и времени диагностирования 89
4.2.1 Время обработки запроса 91
4.2.2 Время диагностирования 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен значительный опыт разработки и применения средств вычислительной техники и математических методов для решения задач теоретической и практической медицины. На начальных этапах работ в этом направлении основное внимание уделялось разработке методов и моделей, позволяющих углублено исследовать патологические процессы на уровне отдельных органов и систем организма.
Современный уровень развития вычислительной техники делает возможным создание информационных продуктов нового поколения - распределенных автоматизированных медицинских информационных технологий, предлагающих те или иные научно-обоснованные врачебные решения в зависимости от особенностей клинической ситуации, складывающейся на каждом конкретном этапе ведения больного. Такие системы, выступающие в качестве полноправных участников медицинского технологического процесса, в состоянии обеспечить недостижимые для обычных клинических рекомендаций сочетание широты охвата решаемых проблем и детальности их проработки [1, 2, 8, 13, 18, 25, 36, 37].
В связи с развитием сети Internet, реализация таких систем в виде Web-приложений, которые могут быть установлены на любом общедоступном Web-сервере, имеет большой практический интерес и найдёт широкое применение. Разработка подобных систем выглядит задачей, которую возможно решить лишь при интеграции сил квалифицированного технического и медицинского научного персонала [7,23,24,38, 61, 73, 86].
Работами профессоров Устинова А.Г., Попова Э.В., Ратнера Л.Г., Куликовского К.Л., Лихтциндера Б.Я., Попечителева Е.П., Пятаковича Ф.А., Подвального Е.С., Переверзева-Орлова B.C., Д.Уотермана, Л.Шортлифа, Р.Девитса и др., было показано, что при решении сложных задач автоматизированной диагностики заболеваний, хороших результатов удается достичь при использовании лишь только таких интерактивных систем, для которых в контуре диагно-
4 стики и управления активно функционирует лицо, принимающее решение, обладающее соответствующим запасом знаний, умений и навыков в медицинской предметной области [31, 63,64, 77,91,92, 99,115].
Одной из основных проблем здравоохранения РФ остаётся нехватка и не достаточная квалификация врачей общей практики, особенно касающаяся районных поликлиник и сельской местности. При всём многообразии причин, определяющих как летальность, так и перерастание острого заболевания в хроническое, одними из основных являются несвоевременная диагностика, диагностические ошибки и сложность выбора рациональной лечебной тактики. Все эти факторы отрицательно влияют на качество лечебно-диагностического процесса, следствием чего становится неясным исход заболевания.
Известно достаточно большое количество автоматизированных систем, решающих различные задачи диагностики.
Например, система МОДИС предназначена для анализа гипертонии, система КОНСУЛЬТАНТ-2 - для диагностики острых заболеваний брюшной полости, ЛЕДИ-2 - для выявления заболеваний терапевтического профиля [8, 15, 18, 29, 63, 81] и т.д.
В настоящее время появилась целая серия медицинских достаточно универсальных экспертных оболочек типа INTERNIST, ТАИС, ENMYCIN [5, 19, 25, 28,42,62,101,115,116] и др.
При этом следует иметь в виду, что как специализированные системы, так и универсальные оболочки требуют приведения решающих правил к стандартному виду, например, правилу продукций, фреймам и т.д., и для каждой предметной области необходимо осуществить поиск решающих правил, что составляет основную работу при построении соответствующих экспертных систем.
Анализ условий, в которых должна функционировать автоматизированная система диагностики заболеваний (ограничения на время принятия решений, неоднородность структуры классов, разнотипность представления признаков и классов, неопределенность в представлении данных и диагностических заклю-
5 чениях), позволил сделать вывод о том, что существующие системы в полной мере не обеспечивают выполнение этих требований. Кроме того, большинство данных систем, не предназначены для дистанционной поддержки принятия решения медицинским специалистом.
В свете данных проблем, создание методов и программных средств, обеспечивающих дистанционную помощь в принятии решений врачами-специалистами, может принести значительные сдвиги, как в повышении вероятности правильной постановки диагноза, так и поддержании на должном уровне знаний медицинского персонала, поэтому задача разработки новых сетевых, компьютерных систем дистанционной диагностики заболеваний является актуальной.
Целью работы является создание и реализация в компьютерных ІР-сетях автоматизированной информационно-аналитической системы, с использованием новых методов и адаптивных алгоритмов, основанных на вероятностных критериях.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
разработка вероятностных моделей заболеваний для систем дистанционной диагностики, использующих ІР-технологии;
разработка адаптивных алгоритмов выбора диагностических проверок по критерию максимальной информативности для сетевых компьютерных систем диагностики заболеваний;
разработка и реализация в web-среде программного обеспечения адаптивной системы дистанционной диагностики заболеваний;
. исследование функционирования системы в сетевой среде (оценка времени и информационных характеристик).
Объектом исследования являются: системы дистанционной автоматизированной диагностики заболеваний, функционирующие в сетевой компьютерной среде.
Предметом исследования являются: адаптивные алгоритмы диагностики заболеваний, основанные на вероятностных критериях оценки, процесс компьютерной диагностики и тестирования, процессы передачи и обмена тестово-диагностической информации в компьютерных сетях.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. При разработке моделей диагностических проверок и алгоритмов дистанционной диагностики заболеваний использовались методы теории вероятностей, теории информации, дискретной математики, комбинаторики, а также основы проектирования экспертных систем.
При реализации системы в виде программного продукта использовались объектно-ориентированное программирование, основы реляционных баз данных, основы технологии сети Интернет.
Исследование функционирования системы в сети Интернет, а также оценка временных задержек проводились на основе теории передачи дискретных сообщений, теории вычислительных систем, теории массового обслуживания.
Имитационное моделирование процессов диагностики, а также моделей массового обслуживания проводилось на основе статистических методов (методе Монте-Карло).
Достоверность изложенных положений работы обосновывается корректным выбором исходных данных, строгим использованием математического аппарата при получении выводов. Она подтверждается результатами имитационного моделирования процессов диагностики, результатами практического применения разработанного программного обеспечения, научными трудами и апробациями созданного научно-технического продукта на представительных научных форумах.
На защиту выносятся: новые адаптивные алгоритмы дистанционной диагностики ориентированные на использование в компьютерных сетях;
программные средства системы дистанционного диагностирования, реализованные на основе сетевых web-технологий;
вероятностная модель диагностики и алгоритм направленного поиска очередной диагностической проверки, позволяющие достигнуть уменьшения объёмов передаваемой информации;
вероятностные модели основных типов диагностических проверок;
результаты исследования работы системы в сетевой среде: оценка временных характеристик на различных стадиях транзакций, оценка выигрыша по количеству диагностических проверок и объёмам передаваемой информации.
Научная новизна заключается в следующем:
разработан ранее не применявшийся алгоритм направленного поиска ди
агностических проверок, осуществляющий выбор очередной проверки по
критерию максимальной информативности, что позволяет снизить коли
чество диагностических проверок, а, следовательно, объём передаваемой
информации;
. разработан направленный поиск диагноза при малом числе диагностических проверок;
разработана новая вероятностная модель диагностики, обеспечивающая, в
отличие от других, высокий уровень надёжности постановки диагноза с
заданной вероятностью, при малом количестве диагностических прове
рок.
Практическая ценность работы заключается в том, что на её основе созданы адаптивные автоматизированные системы дистанционной диагностики заболеваний, ориентированные на работу в сетевой среде.
Программное обеспечение системы диагностирования реализовано в виде web-приложения. Размещение его в сети Интернет позволяет проводить дистанционную, автоматизированную диагностику заболеваний и обеспечивает высокую доступность данной услуги.
Реализация и внедрение работы. Разработанные системы используются в учебном процессе различных кафедр ГОУВПО «Самарский государственный медицинский университет», Самарский медицинский институт «Реавиз», в лечебно-профилактической работе ООО «Амбулаторный центр №1».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на российских и международных научно-технических конференциях и конгрессах: Международных конференциях «Интерактивные системы: проблемы человеко-компьютерного взаимодействия» (Ульяновск, 2003 и 2005); Международном конгрессе конференций «Информационные технологии в образовании» (Москва, 2003); X, XI, XII и XIII Российских научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (Самара, 2003, 2004, 2005, 2006); V и VII Международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2004, 2006); Международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2005)» (Самара, 2005); 5-й Международной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004-2005).
Публикации. Результаты работы опубликованы в 16 научных работах, в том числе: 7 статей в научно-технических журналах и сборниках, 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях и 4 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Объём и структура диссертационной работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 111 листах. В работу включено 37 рисунков, 7 таблиц, библиографический список из 117 наименований.
