Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время, в медицинской практике, широкое применение находят различные электронные сираггачпые системы, системы интеллектуальной поддержки врача при выборе диагноза, планировании лечебных мероприятий. При наличии разнообразного арсенала лекарственных средств и разработанных показаний к их применению практически очень трудно врачу выбрать те препараты, которые будут наиболее полезны больному в конкретной ситуации. Этим качеством владеют лишь опытные врачи с большим стажем практической аналитической работы. Поэтому использование новых информационных технологий для создания медицинских советующих систем, объединяющих знания и опыт врачей-экспертов, является важной задачей.
Проблемы, связанные с построением моделей заболеваний, прогнозированием различных исходов, принятием оптимальных решений при выборе тактики лечения, занимают важное место в автоматизированных системах, входящих в состав АРМ врача. Сложность и многообразие решаемых задач обусловливают повышенные требования к построению процедур моделирования и оптимизации, и эффективности средств их алгоритмической и программной поддержки.
Организация процессов оптимального планирования осложняется спецификой представления знаний в данной предметной области: многие показатели не имеют количественной оценки, архивная информация, как правило, содержит определенный процент ложных измерений, имеет место неоднородность характеристик больных, в результате чего в каждом отдельном: случае требуется свой подход.
Большинство существующих в настоящее время подсистем моделирования, прогнозирования и выбора лечения основывают свою работу на стандартных, жестко заданных типовых схемах, что не позволяет выбирать план лечения, оптимальный для отдельного больного. Поэтому является важной задача разработки моделей выбора оптимальной тактики лечения, позволяющих адаптировать типовые схемы лечения для конкретного пациента с учетом эффективности, совместимости, противопоказаний и цены каждого отделыгого препарата. В качестве алгоритмических средств, как правило, выбираются стандартные библиотеки языков программирования высокого уровня, что осложняет создание мощных систем, содержащих реализацию различных математических методов обработки информации. Большой интерес представляет использование стандартных математических пакетов (Maple, Matematika) для облегчения процесса создания подсистем моделирования и прогнозирования, основывающих свою работу на
классификационных и прогностических моделях. Таким образом, тематика диссертации, связанная с разработкой алгоритмического и программного обеспечения компьютерной системы выбора оптимального, плана лечения больных, является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Биокибернетика, компьютеризация в медицине".
Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка комплекса моделей, алгоритмов и программ прогнозирования исходов, выбора эффективной схемы и тактики лечения с учетом не-однородностей. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
разработка алгоритмов фильтрации и исключения параметрической избыточности для обработки статистической информации с последующим построением формализованных моделей заболеваний на основе классификационных методов;
построение оптимизационных моделей, позволяющих учесть эффективность, стоимость и совместимость отдельных воздействий при выборе начального плана лечения;
формирование библиотеки проблемно-ориентированных модулей для процедур моделирования, прогнозирования, оценки эффективности лечения и выбора оптимального плана лечения;
создание средств диалогового взаимодействия с ЛИР и апробация созданного комплекса для прогнозирования осложнений острого инфаркта миокарда и выбора адекватной превентивной терапии.
Методы исследования основываются на методах математического моделирования, математической статистики, теории управления биологическими и медицинскими системами, теории систем, теории вероятностей, теории искусственного интеллекта, имитационного моделирования, аппарате вычислительной математики, на экспериментальных исследованиях. При разработке программных средств использовались методы модульного программирования и технологии объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. Основные результаты диссертации, выносимые на защиту и имеющие научную новизну, состоят в следующем:
предложены алгоритмические схемы обработки архивной информации, позволяющие выявить и исключить недостоверные сообщения, выбрать оптимальное признаковое пространство, характеризующееся минимальной размерностью при достаточной информативности ;
алгоритм построения формализованных моделей заболеваний позволяет выделить однородные группы больных, характеризующиеся различными эталонами параметров, обеспечивающими идентификацию состояния вновь поступивших объектов;
метод оценки эффективности лечения при использовании различных терапевтических схем воздействия отличается возможностью проведения оценки по нескольким показателям с учетом динамики их изменения;
алгоритм выбора оптимального начального плана лечения обеспечивает быстрое получение решения при большом числе ограничений за счет использования модификации метода «ветвей и границ», позволяющей учесть специфику ограничений и сократить дерево возможных вариантов.
Практическая ценность заключается в следующем:
используемый при разработке алгоритмического и программного обеспечения принцип модульного синтеза позволил оформить отдельные подсистемы как автономные комплексы, способные решать задачи классификации, идентификации, построения регрессионных моделей применительно к любым данным;
в результате проведенных исследований разработана оптимиза-ционипл модель, позволяющая учитывать эффективность, стоимость и другие характеристики каждого препарата; выбирать наиболее приемлемую схему терапевтических воздействий для каждого больного, что повышает эффективность лечения в целом;
разработанная система инвариантна к предметной области приложения, обладает высокой гибкостью и может быть использована при решении поставленных задач в любой области медицины; за счет использования средств стандартной СУБД имеется возможность хранения и обработки большого объема архивной статистической информации ;
сформирована информационная база, позволяющая врачу-кардиологу использовать разработанный комплекс для прогнозирования на ранней стадии возможных осложнений острого инфаркта миокарда и выбора оптимальной превентивной терапии.
Реализация результатов работы. Разработанный на основе интеграции подсистем моделирования и оптимального планирования лечебных мероприятий программный комплекс внедрен в 3-й больнице г. Воронежа с годовым экономическим эффектом 20,88 млн рублей в ценах 1997 г.
Теоретические и практические результаты работы, реализованные автором в комплексе программных средств выбора оптимальных лечебных мероприятий, внедрены в учебный процесс на межвузовской
кафедре медицинских и гуманитарных систем и используются для проведения лабораторных работ по курсу "Медицинские информационные системы".
Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1994, 1996, 1997); Всероссийском совещании "Проблемы создания национальной академической системы баз данных и баз знаний" (Уфа, 1995); Международной научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза, 1995); научно-практической конференции "Высокие технологии в практике учреждений здравоохранения г. Воронежа" (Воронеж, 1995); VII Международной научн.-тех. конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (г. Сергиев Посад, 1996); семинарах кафедр «Системы автоматизированного проектирования и информационные системы», «Медицинские и гуманитарные системы»; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, изложенных на 115 с, списка литературы (104 наименования) на 11 с, четырех приложений на 32 с, содержит 10 рисунков, 10 таблиц.