Модели и алгоритмы дифференциальной диагностики органов слуха, основанные на обработке субъективной информации

Актуальность проблемы. В последние 20 лет успешно развивается новое направление системного анализа и принятия решений, связанное с разработкой методов моделей и алгоритмов обработки экспертных знаний. В работах отечественных ученых (Поспелова Д.А., Попова Э. В., Осипова Г. С., Ларичева. О.И. и Кобринского Б.А.) получены теоретические и практические решения, позволяющие автоматизировать процесс формирования диагностического заключения в ряде областей медицины.

Как отмечено в работах ведущих специалистов (Ларичева О.И. и Кобринского Б.А.) для успешной реализации технологии экспертных систем в задачах медицинской диагностики необходимо по возможности интегрировать процесс исследования и постановки окончательного диагноза. Однако, несмотря на ясность общей концепции построения ДЭС, разработка систем этого класса для каждой новой области медицины требует дополнительных исследований. Последнее утверждение вытекает из мирового опыта разработки экспертных систем, подтверждающего прямую зависимость эффективности систем этого класса от конкретного варианта модели представления знаний и методов организации обработки диагностической информации.

Диагностика заболеваний органов слуха — область медицины, практически не охваченная интеллектуальными информационными технологиями. Это объясняется, прежде всего, сложностью органов слуха и методов их исследования:

1) Особенностей методов оценки функционального состояния объекта: Аудиология использует в основном косвенные оценки слуха, вытекающие из субъективных ощущений пациента. Эта особенность, а также применение качественных показателей, усиливают субъективный характер результатов исследования органов слуха. В области аудиологии диагноз ставиться по итерационной схемы, а функциональные исследования слуха проводятся в течении длительного время и требуют большого внимания как от пациента, так и от врача.

2) Высокой скорости развития заболеваний и их необратимого характера, а также тесной взаимосвязи с состоянием других функциональных систем организма.

При нарушениях слуха связанных с возрастными изменениями большое значение для правильной постановки имеет дополнительная информация об общем состоянии пациента (перенесенные заболевания, травмы, эпиданамнез, реакции на лекарственные препараты и т. д.).

3)Массового характера применения методик исследования-диагностики слуха. Этот факт связан с тем, что настоящее время во всем мире наблюдается рост длительности жизни, для повышения качества которой необходимо своевременно и верно поставить диагноз и вовремя начать лечение.

Основные задачи, решаемые в процессе дифференциальной диагностики заболеваний органов слуха, включают:

— локализацию патологии органов слуха: определяется звукопроводящий или звуковоспринимающий аппарат поврежден, и на каком участке;

— определение вида заболевания органов слуха: распознавание диагностической ситуации на множестве близких по некоторому симптому-комплексу классов заболеваний.

На кафедре Автоматизации технологических процессов Тверского государственнрго технического университета в 2001 году была разработана концепция автоматизированной системы исследования органов слуха и компьютерные варианты методик аудиометрических исследований. Однако, задачи интерпретации результатов функциональных исследований и дифференциальной диагностики заболеваний остались нерешенными. Указанные задачи относятся к классу интеллектуальных, и их решение требует расширения функций автоматизированной системы.

Приведенные факты позволяют сделать вывод об актуальности темы диссертации, которая определяется:

— отсутствием моделей и алгоритмов эффективной обработки субъективной аудиометрической информации, позволяющих ускорить процесс исследования и повысить точность решения задачи локализации патологии;

— большим количеством методик функциональных исследований, для которых характерно пересечение в пространстве оцениваемых диагностических признаков;

— отсутствием алгоритмов и методов формирования и коррекции плана исследования.

Целью диссертационной работы является создания моделей и алгоритмов обработки субъективной аудиометрической информации для дифференциальной диагностики заболеваний органов слуха.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

1.Провести структурный анализ предметной области и существующих медицинских систем с целью определения функций интеллектуальных компонент автоматизированной системы, ориентированных на поддержку врачебных решений при интерпретации результатов аудиометрических исследований и дифференциальной диагностики заболеваний органов слуха;

2.Провести анализ процессов обработки информации при аудиометрических исследованиях и формировании диагностического заключения;

3 .Исследовать субъективные оценки потерь слуха на заданном множестве частот с целью оценки возможности их использования для классификации и распознавания аудиограмм. Сформировать систему признаков для описания результатов аудиометрических исследований;

4.Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для обработки нечеткой субъективной информации, основанной на анализе формы и взаиморасположения аудиометрических кривых;

5.Разработать информационные модели представления знаний о состоянии пациента и модели представления диагностических знаний о заболеваниях органов слуха (на примере отосклероза и невриномы 8 нерва);

6.Разработать алгоритмы управления исследованием и дифференциальной диагностики заболеваний.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в качестве базовой методологии, являющейся основой исследования, в работе использовались методы структурного системного анализа. При разработке моделей и алгоритмов для решения задачи автоматического анализа аудиограмм используется математический аппарат теории нечетких множеств, методы математической статистики и кластерного анализа. Для решения задачи управления исследованием слуха при дифференциальной диагностике класса заболеваний, проявляющихся общим симптомо-комплексом использованы методы и модели интеллектуальных систем.

Новые научные результаты:

1. Модели и алгоритмы анализа результатов функциональных исследований слуха, получаемых на основе косвенных субъективных показателей.

2. Модели и алгоритмы автоматизации всего цикла диагностики (осмотр — исследование — формирование диагностического заключения).

3. База знаний, включающая 190 правил, позволяющих генерировать сценарии работы врача при исследовании и постановке диагноза (для заболеваний отосклероз).

4. Система нечетких признаков и алгоритм обработки субъективной аудиометрической информации, основанной на анализе формы и взаиморасположения аудиометрических кривых, позволяющий решить задачу распознавания принадлежности аудиограммы пациента к одному из 5 классов.

5. Модель представления диагностических знаний о заболеваниях органов слуха, представляющая иерархию правил. Правила первого уровня имеют наивысший ранг и используется для определения группы близких заболеваний. Правила второго уровня позволяют определить вид исследования.

Правила третьего уровня содержат диагностическое заключение Введение иерархии правил позволяет интегрировать процедуры исследования и диагностики.

Практическая ценность работы:

Путем реализации фрагментов системы доказана релевантность и функциональная полнота базы знаний для диагностики заболеваний невриномы 8 нерва и отосклероза.

1. Построено 5 классов аудио грамм и найдены их основные характеристики на множестве лингвистических признаков.

2. Создано программное обеспечение для построения информационной модели пациента, допускающее определение 210 характеристик, и программное обеспечение экспертно-диагностической подсистемы, включающей БЗ по дифференциальной диагностики заболеваний отосклерозом (три стадии) и невриномой восьмого нерва (четыре стадии).

3. Построены функции принадлежности для термов 6 лингвистических переменных, описывающих формы и взаиморасположения аудиометрических кривых.

4. Созданы первая версия интеллектуальной системы исследования и диагностики слуха для лечебных учреждений версия системы для массовых обследований слуха студентов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Задача локализации патологии органов слуха может быть сведена к задаче распознавания принадлежности аудиограмм к одному из пяти классов, заданных на множестве нечетких признаков, характеризующих форму и взаиморасположение аудиометрических кривых.

2. Правило вычисления функций принадлежности для топологических характеристик аудиометрических кривых, основанное на анализе функций принадлежности отдельных участков аудиограмм.

3. Модель представления диагностических знаний о заболеваниях органов слуха, представляющая трехуровневую иерархию продукционных правил.

Внедрение результатов.

Результаты исследований, включающие первую версию интеллектуальной системы исследования и диагностики слуха и методическое обеспечение, переданы в поликлинику и ЛОР отделение Областной центральной клинической больницы г. Твери.

Создана специальная версия системы исследования слуха, предназначенная для массового обследования слуха студентов и применения в учебном процессе кафедры АТП Тверского государственного технического университета.

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в 2002;2004 году на научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» Тверь 2002, на 8-ой национальной конференции по ИИ «КИИ-2002» Коломна, на всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биомедсистемы 2003» Рязань, на X International Conference «Knowledge-Dialogue-Solution» Varna Sofia 2003, на 4-ой международной конференции Современные сложные системы управления «HTCS'2004», а также на научно-технической конференции 40 -лет биотехнических систем Санкт-Петербург 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 5 статей, 2 тезисов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 160 страницах машинописного текста, 52 рис., 35 таблицах, приложения. Список использованной литературы включает 110 наименований.

ВЫВОДЫ к главе 4:

1. На основе построенных диаграмм потоков данных (ОББ) разработано программное обеспечение для решения основных задач информационной подсистемы: задач передачи информации между подсистемами исследования и диагностики слуха (в рамках интеллектуальной системы исследования и диагностики слуха, ИСИДС) и информационно-справочных задач, решаемых в процессе обследования пациента и постановки диагностического заключения: регистрация пациента, ведение истории болезней пациента, получение отчетной информации о пациенте и получение справочной информации о заболеваниях и лекарственных средствах.

2. Для решения информационно-справочной группы задач был создан специальной многооконный интерфейс, состоящий из двадцати трех экранных форм. Интерфейс позволяет осуществлять ведение баз данных с использованием принятых в медицинских учреждениях стандартов представления документов.

3. Разработано программное обеспечение для решения основных задач экспертно-диагностической подсистемы:

— программное обеспечение для обработки нечеткой субъективной информации, основанной на анализе формы и взаиморасположения аудиомет-рических кривых;

— база знаний, включающая 190 правил, позволяющих генерировать сценарии работы врача при исследовании и постановке диагноза;

— программное обеспечение макета экспертно-диагностической подсистемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенные исследования методами кластерного анализа показали, что субъективные оценки потерь слуха на основе тональной аудиометрии позволяют выделить только два непересекающихся класса аудиограмм (Норма / Ненорма).

2. Выполнена постановка задачи локализации патологии органов слуха как задачи распознавания принадлежности аудиограмм к одному из пяти классов (НОРМА (класс Н) — нарушения звукопроводящего аппарата (класс НЗП), нарушения звуковоспринимающего аппарата (класс НЗВ), смешанное нарушение с преобладанием НЗП (класс СМНЗП) и смешанное нарушение с преобладанием НЗВ (класс СМНЗВ).

3. Создана система нечетких признаков и алгоритм обработки субъективной аудиометрической информации, основанный на анализе формы и взаиморасположения аудиометрических кривых, позволяющий решить задачу распознавания принадлежности аудиограммы пациента к одному из 5 классов.

4. Разработаны информационные модели представления знаний о состоянии пациента. Модель первого уровня представляет собой электронный вариант истории болезни пациента и включает 210 характеристик. Модель второго уровня предназначена для решения задач дифференциальной диагностики, создает обобщенное описание состояния пациента, соответствующее некоторому классу. С каждым таким классом связано обычно одно диагностическое заключение. Модель третьего уровня предназначена для создания описаний групп пациентов, объединенных одним или несколькими общими симптомо-комплексами. Модель позволяет решать задачу выделения подмножества близких диагностических гипотез.

5. Разработана модель представления диагностических знаний о заболеваниях органов слуха (на примере близких по основному симптомокомплексу заболеванийотосклероз и невринома 8 нерва), которая представляет иерархию правил. Правила первого уровня имеют наивысший ранг и используется для определения группы близких заболеваний. Правила второго уровня позволяют определить вид исследования. Правила третьего уровня содержат диагностическое заключение. Иерархия правил позволяет интегрировать процедуры исследования и диагностики.

6. Разработан алгоритм управления исследованиями органов слуха и дифференциальной диагностики заболеваний. Создано программное обеспечение ведения информационной модели пациента и экспертно-диагностической подсистемы.

7. Разработана база знаний, включающая 190 правил, позволяющих генерировать сценарии работы врача при исследовании и постановке диагноза. Путем реализации фрагментов системы доказана релевантность и функциональная полнота БЗ для диагностики заболеваний невриномы 8 нерва и отосклероза.