Введение к работе
Актуальность темы исследования: Развитие вычислительном техники, пояпление новых методов анализа данных привело к их широкому использованию в непромышленных сферах, в том числе, в медицине и, более конкретно, в иммунологии.
Иммунология, изучая законы функционирования биологического объекта, является относительно новой наукой. Эмпирические знания и теории находятся в ней в стадии формирования, поэтому негг единой, целостной картины о протекающих процессах Имеются лить отдельные теоретические предположения о процессах, модели некоторых вариантов функционирования иммунной системы, данные, получаемые в разных условиях. Развитие многих перспективных направлений в ютннігческой иммунологии в настоящее время не возможно без применения средств вычислительной техники и интенсивного внедрения математического моделирования, экспертных систем, современных методов анализа данных.
В настоящее время все большую важность наряду с логическими методами обработки информации приобретает разработка техники интуитивной обработки, свойственной человеку. Методики, применяемые для распознавания образов, многовариантного анализа данных, нейронные, нечеткие и интервальные вычисления -все это попытки реализовать интуитивную обработку информации для тех слабо формализованных областей знаний, где применение традиционных методов не является эффективным. Именно такой предметной областью является клиническая иммунология. Здесь неопределенность, размытость, неполнота, противоречивость и т.п. свойства информации обуславливаются не только свойствами биологических объектов, являющихся неоднородными л внутренне конфликтными, но и следствием использования теоретически и практически различных подходов при анализе результатов наблюдений, которые зачастую бывают получены на различных объектах изучения и требуют совместной и непротиворечивой интерпретации
Иммунная система (ИС) имеет свойства сложных систем и описывается как слабо формализованная область неточных и нечетких знаний, сформированных из различных источников Всеобъемлющий эксперимент для этой сложной системы, дающий полную картину о функционировании изучаемого биологического объекта, поставить не возможно, данные, требующие совместной обработки, как правило, получаются в разных условиях Вследствие этого необходимо иметь процедуры, которые позволяли бы выполнять корректно интерпретацию данных, полученных при наблюдении сложной системы, например, в рамках решения диагностических задач.
В связи с изложенным актуальной является разработка теоретических основ построения компьютерных систем, позволяющих автоматизировать массовое решение (доврачебных) диагностических задач в иммунологии, во-первых, в реальных условиях функционирования иммунной системы и получения информации о ней, во-вторых, в отсутствии, либо недостаточности высококвалифицированных специалистов-иммунологов.
Связь темы исследований с планами ч. программами НИР: Актуальность
выбранной темы подтверждается тем, что диссертационная работа является частью
научно-исследовательских работ, выполняемых в Новосибирском государственном
техническом университете (НГТУ), а также в институте клинической иммунологии СО
РАМН в рамках следующих грантов:
1 Грант МинВУЗа РФ "Интеллектуальная автоматизированная система моделирования и
прогнозирования временных рядов" (1994-95 г.г.) (НИИ радиоэлектронных систем
прогнозирования чрезвычайных ситуаций, г. Санкт-Петербург). Работа выполнялась в
НГТУ на кафедре СА под рук. д.т.н., проф. В,В. Губарева.
2. Грант ГНТПР 02.05 "Здоровье населения России", раздел 02.05 ГНТП "Диагностика,
профилактика, лечение и реабилитация девочек и женщин, страдающих воспалительными
'заболеваниями гениталий в Новосибирской области за 1993-94 год". Работа выполнялась в ИК и ЭЛ СО РАМН и ИКИСО РАМН под рук. к.м.н. ТИ. Дергачевой. 3. Грант Минвуза №108 «Разработка средств выбора методов компьютерного анализа данных под прикладную задачу» (1996-97 г.г.). (СПГЭТУ, г. Санкт-Петербург). Работа выполнялась в НГТУ на кафедре ВТ под рук. д.т.н., проф. В.В. Губарева.
В ИКИ СО РАМН консультирующая система «Вторичные иммунодефициты» (ВИД) успешно использовалась для выполнения программы ГКНТ РФ "Оценка последствий воздействия на население Алтайского края антропогенного загрязнения окружающей среды и испытаний ядерных устройств на Семипалатинском полигоне":
задания 1993 г. - "Влияние радиационного воздействия на распространенность и структуру вторичных иммунодефицитов и групп риска по их формированию у лиц трудоспособного возраста, проживающих в зонах радиационного воздействия на Алтае" (под рук. д.м.н., проф. B.C. Ширинского);
задания 1994 г. - «Сравнительное семейное исследование отдаленных последствий воздействия радиационных факторов Семипалатинского полигона, обуславливающих развитие иммунопатологических состояний у жителей Алтайского края, разработка медицинских критериев прогноза их формирования и профилактики иммунокоррекции» (под рук д.м.н., проф. В.И. Коненкова, д.м.н., проф. B.C. Ширинского).
Цель диссертационного исследования: Исходя из изложенного ранее, целью диссертационной работы является разработка основ построения и создание компьютерных консультирующих систем, позволяющих осуществлять (доврачебный) диагноз состояний иммунной системы в условиях ограниченного количества (или отсутствия) высоко квалифицированных специалистов-иммунологов и наличия типовых исходных данных и знаний о пациенте и окружающей среде.
В соответствии с указанной целью в рамках диссертационной работы поставлены и решены следующие задачи:
- систематизация и анализ особенностей иммунной системы (ИС), данных и знаний об
ИС, методов и средств математического моделирования ИС, а также медицинских
экспертных систем с точки зрения их применения для компьютерной диагностики состояний
ИС;
разработка технологии подготовки и принятия диагностических решений о состоянии ИС, пригодной для реализации ее в иммунологических консультирующих диагностических системах, и проведение необходимых исследований по ее обоснованию и детализации;
разработка структуры компьютерных иммунологических консультирующих систем, создание и апробация действующих вариантов систем.
Методы исследований: Полученные результаты исследования базируются на использовании методов и средств системного и математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, статистических решений, теории классификации, экспертных систем, компьютерного анализа данных.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты анализа доступной информации об иммунной системе (ИС), включая особенности данных и знаний о ней, методов математического моделирования ИС и медицинских экспертных систем с точки зрения их применения для компьютерной диагностики состояний ИС. Постановка задачи построения компьютерных иммунологических консультирующих систем.
-
Технология подготовки и принятия диагностических решений о состоянии иммунной системы по реальным качественным клиническим и (или) количественным лабораторным эмпирическим данным.
3 Результаты исследования законов распределения вероятностей показателей функционирования иммунной системы
-
Технология приобретения и агрегирования знаний экспертов и синтеза диагностических правил.
-
Типовая структура автоматизированных компьютерных иммунологических консультирующих' систем, структуры и результаты апробации действующих систем «ВИД» и «Интерпретатор».
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обоснованной постановкой теоретических задач, результатами систематических аналитических исследований, положительными результатами апробации и внедрения действующих систем в реальных условиях.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
Впервые поставлена и решена задача построения автоматизированных компьютерных иммунологических консультирующих систем (АКИКС), позволяющих проводить массовую доврачебную диагностику состояния иммунной системы человека в реальных условиях функционирования как иммунной системы, так и рядовых медицинских учреждений, в частности при отсутствии в них высоко квалифицированных специалистов-иммунологов и специального лабораторного оборудования.
-
Теоретические основы построения систем рассматриваемого класса (АКИКС) составляют:
выявленные в ходе проведенных исследований особенности иммунной системы человека (с точки зрения построения АКИКС, получения, обработки, интерпретации и применения данных и знаний об ИС), условия и факторы, влияющие на нее и на экспериментально полученные значения показателей ее функционирования, особенности данных и знаний о ней и условиях их получения, результаты систематизации и области возможного применения существующих математических моделей и экспертных систем для построения АКИКС;
обобщенная математическая модель ИС как средство компактного описания происходящих в ИС процессов при качественном пояснении механизмов функционирования ИС и интерпретации автоматизированных диагностических решений,
технологии автоматического її автоматизированного принятия диагностических решений о состоянии ИС, в том числе оригинальная автоматизированная адаптивная инвариантная к изменениям факторов и непатологическим индивидуальным особенностям пациентов технология, отличающаяся использованием, агрегированием информации из разных источников, настройкой, нормативных границ изменения значений показателей функционирования ИС (ПФИС) и правил принятия решений, адаптации к индивидуальным данным пациента, включением эксперта в контур принятия решений, корректировкой состава ПФИС и базы знаний;
апостериорные законы распределения ПФИС;
элементы оригинальной технологии приобретения, агрегирования и использования знаний экспертов и синтеза диагностических правил, полученных от разных экспертов;
структуры и практика построения двух АКИКС.
3. Выявленные в процессе эксплуатации систем «ВИД» и «Интерпретатор» новые
знания и факты, как-то: наличие различной информативности одних и тех же ПФИС в
разных технологиях, существование жесткого соответствия между диагностическими
технологиями, областями их применения, оптимальными по минимуму вероятности
ошибочных решений, и компетентностью экспертов; подтверждение необходимости и
целесообразности адаптивных технологий принятия диагностических решений;
конкретные данные по заболеваниям жителей обследованных регионов.
Личный вклад автора; Все выносимые на защиту результаты получены автором лично. В работах, опубликованных в соавторстве, автором дана постановка задачи, предложены основные идеи решения, совместно проведены необходимые исследования, получены теоретические результаты.
Практическая ценность: Разработка новых и формализованное описание существующих вариантов принятия диагностических решений в области клинической иммунологии, выявление источников неопределенности и типов знаний, используемых при создании баз знаний консультирующих систем, классификация этой информации, позволили построить методы учета специфики иммунологических данных и создать две компьютерные консультирующие системы "ВИД" и "Интерпретатор".
Практическая реализация результатов работы: Разработанное программное обеспечение системы "ВИД" внедрено и эксплуатируется в крупных медицинских центрах в ряде городов России: в ИКИ СО РАМН г. Новосибирска, в Волгоградском Центре клинической иммунологии, в Тюменском областном центре клинической иммунологии, в Новосибирском областном герантологическом центре; программное обеспечение системы «Интерпретатор» использовалось в ИКИ СО РАМН в исследовательских целях, о чем свидетельствуют справки о практическом использовании. Система «ВИД» зарегистрирована в Российском генеральном регистре Федерального Агенства Информации РФ. Принципы и алгоритмы приобретения знаний смешанной природы позволяют получать не только осознанную часть опыта эксперта, но и интуитивную, неосознанную, делать доступной ее для последующего использования и изучения. Предложенные подходы позволяют выполнять интерпретации разнотипных данных, обладающих различными статистическими свойствами. В результате применения систем-консультантов по отзывам пользователей в 5-10 раз сократилось время на постановку предврачебного диагноза при обеспечении необходимого качества диагностики без участия высоко квалифицированных кадров.
Апробация работы. Результаты работы и основные положения докладывались на международной научно-технической конференции "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов" (Новосибирск, НГТУ, 1994), на 1-м съезде иммунологов России (Новосибирск, 1992), на Международном симпозиуме по аллергологии и клинической иммунологии (Казахстан, Алма-Ата, 1992), на Международных конференциях "Загрязнение окружающей среды" (ICEP-95) "Нейроиммунные взаимодействия и окружающая среда" (ICONE-95) (Санкт-Петербург, 1995), на международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий" (Новосибирск, НГТУ, 1997), на Международном симпозиуме "Окружающая среда, здоровье человека, развитие Сибири" (Новосибирск, НГУ, 1997).
Программная система «ВИД» демонстрировалась на 1 съезде иммунологов России (Новосибирск, 1992), выставке «Наука и образование в Сибири-95» (Новосибирск, 1995).
Публикации По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ. При участии автора написано 5 отчетов по НИР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения , пяти глав, заключения и списка литературы из 147 наименований, содержит 171 страницу основного текста, 27 рисунков, 20 таблиц и 8 приложений. Каждая глава начинается вводными замечаниями и заканчивается выводами. В приложении даны копии документов об использовании программного обеспечения, фрагменты документации, примеры диагностики и рекомендаций, полученных с помощью программ «ВИД» и «Иитепретатор».
