Введение к работе
Актуальность темы. Внедрение средств вычислительной техники в системы управления в различных сферах человеческой деятельности выдвинуло на первый план проведение фундаментальных и прикладных исследований, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации вычислительной техники в решении проблем в трудно формализуемых областях знаний.
Особую значимость приобретают исследования, связанные с при
нятием решений и управлением в сложноорганизованных объектах.
Сложные системы управления представляют интерес с содержатель
ной и с алгоритмической точек зрения при изучении структурных и
I функциональных условий, выполняющихся в конкретной системе, для
разработки общих подходов к многоуровневым методам оптимизации.
Проблемы, связанные с задачами принятия решений и управления в сложноорганизованных объектах, рассматриваются в работе на примере задач медицины.
Системы поддержки принятия решений (СППР) в ситуации неопределенности предназначены для решения трудных практических задач, когда требуется из многообразия проявлений заболевания выделить то существенное, что обеспечит правильную оценку состояния конкретного больного.
Слово «поддержки» в названии является ключевым, отражая тот факт, что такие системы не подменяют врача при принятии решения. Их назначение, аккумулируя «опыт» решения аналогичных ситуаций,— предоставить конкретному врачу необходимую информационную поддержку.
Можно выделить три основные функции СППР: количественный анализ регистрируемых сигналов, преобразование их в пространство информативных признаков для конкретной задачи и построение решающих правіш классификации. Практическая ценность таких систем зависит от разрешающей способности построенных решающих правил и их устойчивости при использовании на контрольных объектах.
Успешное решение одной из наиболее актуальных проблем здра-
4 воохранения, а именно, задачи ранней диагностики, невозможно без комплексного использования современных достижений в смежных областях, в том числе, в области биофизической медицины, изучающей биохимические, электрофизиологические и другие показатели организма. Многочисленными исследованиями показана возможность получения диагностической информации с биологически активных точек — точек акупунктуры (ТА) с помощью регистрации и анализа их электрического отклика. Использование методов электропунктурной диагностики базируется на установленной связи характеристик электрического отклика ТА с состоянием внутренних органов. Отмечено, что несмотря на достигнутые успехи, существующим методам электропунктурной диагностики свойственны определенные недостатки, приводящие к тому, что диагностически значимая информация, которую несет в себе ТА, используется ими лишь в незначительной степени.
В связи с этим возникла необходимость разработки метода, который обеспечивает более совершенные способы регистрации, анализа и оценки отклика ТА, включая в том числе и компьютерные технологии классификации для диагностики состояния пациентов.
В связи с вышеизложенным автором (в соавторстве с В.П. Карп и Д.С.Чернавским) был разработан метод компьютерной кинетической электропунктурной диагностики— КАСКЭД-метод, а на его базе— программно-аппаратный комплекс «КАСКЭД».
Научная проблема состоит в необходимости выявить такие характеристики отклика точек акупунктуры на слабое электрическое воздействие, которые позволили бы диагностировать состояние соответствующих органов и систем человека, дать научное обоснование технических и технологических решений, реализуемых в системе поддержки принятия решений.
Целью исследования является разработка метода информационного и алгоритмического обеспечения системы поддержки принятия решений для оценки состояния организма по анализу реакции на слабое электрическое воздействие в ТА.
В соответствии с поставленной целью основные задачи работы
5 определены следующим образом:
-
Разработка и обоснование информационной методологии синтеза систем поддержки принятия решений при КАСКЭД-диагностике состояния пациентов.
-
Конструирование проблемно-ориентированного пространства признаков для адекватного описания исследуемого динамического процесса («производные характеристики»).
-
Разработка решающих правил, структурных и иерархических методик классификации состояния объектов исследования.
-
Разработка архитектуры и алгоритмического обеспечения системы поддержки принятия решений при оценке состояния пациентов КАСКЭД-методом.
-
Создание программно-аппаратного комплекса «КАСКЭД».
-
Верификация предложенных моделей и алгоритмов оценки состояния и практическое применение разработанной системы поддержки принятия решений.
Методы исследования. В работе использовались основные положения теории принятия решений, теории множеств и теории алгебры логики, теории распознавания образов, элементы теории искусственного интеллекта, методы математической статистики, анализа временных рядов и эвристические методы решения задач математического программирования, метод программно-целевого проектирования систем.
В диссертации использованы основные принципы организации клинических наблюдений и сбора данных, а также критерии формирования групп состояний больных, материала обучения и контроля.
Научная новизна:
-
Впервые разработан метод компьютерной кинетической элек-тропунктурной диагностики (КАСКЭД-метод), основанный на анализе реакции организма на слабое электрическое воздействие в точках акупунктуры.
-
Разработаны специальные методы анализа и комплексной оценки кинетических характеристик исследуемого процесса.
-
Сконструирован информативный словарь признаков (производных характеристик), отражающих различия объектов по классам состояний.
-
Предложен подход к решению задачи дифференциальной КАСКЭД-диагностики с учетом возможных сочетанных состояний объектов.
-
Построены решающие правила классификации на разных уровнях иерархической системы поддержки принятия решений и правила формирования множества управляющих решений на примере дифференциальной диагностики состояния молочных желез и гинекологических органов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработанный КАСКЭД-метод применим для оценки состояния органов и систем организма человека.
-
Специальные методы анализа кинетики электрического отклика точек акупунктуры позволяют сформировать информативный словарь описания исследуемого кинетического процесса.
-
Предложенная методика построения многоуровневой диагностической системы позволяет произвести дифференциальную диагностику состояния сложноорганизованных динамических объектов с учетом возможных сочетанных состояний.
-
Предложенная информационная методология является адекватным средством разработки систем поддержки принятия решений при использовании КАСКЭД-метода диагностики состояний.
-
Разработанные критерии и алгоритмы, реализованные в системе поддержки принятия решений «КАСКЭД», обеспечивают экспресс-диагностику состояния пациентов с учетом локализации патологического процесса, выявление групп «риска» в плане возможных заболеваний, а также контроль за эффективностью проводимого лечения.
Практическая значимость работы:
-
Создано программное обеспечение (для ОС DOS и Windows9x) для анализа электрического отклика точек акупунктуры.
-
Разработан программно-аппаратный комплекс «КАСКЭД».
-
Изготовлена опытная партия стационарных, на базе офисных компьютеров, и портативных, на базе notebook компьютеров, приборов «КАСКЭД».
-
Программно-аппаратный комплекс «КАСКЭД» успешно прошел официальные технические и клинические испытания в системе Министерства здравоохранения РФ.
-
Показано, что разработанные технические средства обеспечивают безопасность и комфортность обследования для пациентов.
-
Практическое применение разработанной системы поддержки принятия решений «КАСКЭД» обеспечивает неинвазивную экспресс-диагностику воспалений, доброкачественных образований и злокачественных опухолей, выявление групп «риска» в плане возможных заболеваний, а также надежный контроль за динамикой состояния пациентов в процессе лечения.
Достоверность полученных результатов подтверждается математическими расчетами, моделированием на ЭВМ, результатами практического использования предложенных методик и программных средств, а также официальными клиническими испытаниями в системе Министерства здравоохранения РФ.
Реализация и внедрение результатов
Основные результаты диссертации получены автором при выполнении научно-исследовательских работ на кафедре кибернетики Московского Государственного института радиотехники, электроники и автоматики, в Институте общей физики РАН, ЗАО «Центр медицинской компьютерной диагностики «Восточная Корона» в сотрудничестве с Физическим институтом РАН им. П.Н.Лебедева, Московской медицинской академией им. И.М.Сеченова, Городской клинической больницей №33, а также в рамках научной школы «Математическое моделирование биофизических процессов» (РФФИ Per. №96-15-97-782).
В ходе внедрения результатов диссертационной работы получены:
1) Патенты РФ на изобретение №2033785 от 30.04.1995 и № 2093134 от 20.10.1997.
-
Свидетельство об официальной регистрации программы РосА-ПО №960550 от 15.12.1996 на компьютерную программу для диагностики состояния организма на основании анализа электробиофизических характеристик кожи (КАСКЭД).
-
Акт о прохождении технических испытаний прибора электро-пунктурной диагностики автоматизированного компьютерного «КАСКЭД» во Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники Министерства здравоохранения РФ№АТНЛ 0.009.1589 от 24.12.1998.
-
Протоколы о прохождении клинических испытаний прибора элекгропунктурнои диагностики автоматизированного компьютерного «КАСКЭД»:
в НИИ традиционных методов лечения Министерства здравоохранения РФ;
в Центральном клиническом военном госпитале ФСБ РФ;
- в Научно-исследовательском медицинском центре «Ультрамед».
По результатам испытаний «Комплекс аппаратно-программный
электропунктурной диагностики динамики состояния органов и функциональных систем человека по кинетическому методу «КАСКЭД-ВК» рекомендован к серийному производству и применению в медицинской практике (решешіе комиссии по приборам и устройствам, применяемым для экспресс-диагностики функционального состояния организма по физиологическим показателям рефлекторных зон и биологически активных точек и рефлексотерапии по зонам и БАТ Комитета по новой медицинской технике Министерства здравоохранения РФ №29/23-700-99 от 09.07.1999г.)
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы представлялись на отечественных и международных научных конференциях, конгрессах, съездах, симпозиумах и профильных выставках, в том числе: Научно-практическом семинаре «Новые компьютерные технологии для медицины» (Берлин, 1995); выставках СЕВ1Т-95, -96 (Ганновер, 1995 и 1996); выставке SIMO-96 (Мадрид, 1996); Международной конферен-
9 ции «Новые информационные технологии в медицине и экологии» (Гурзуф, 1996); V Российском национальном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва, 1998); I Всероссийской конференции «Информатизация педиатрической науки и практики» (Екатеринбург, 1998); V и VII Международных конференциях «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 1998 и Путино, 2000); выставке «Экспортные возможности Центра России» (Москва, 1999); Всероссийской научно-технической конференции «Нейроинформатика-99» (Москва, 1999); выставке «Прикладные технологии» Министерства образования РФ (1999); семинарах Института общей физики РАН (1996) и Института традиционных методов лечения (1998); Конференции «Потенциал московских вузов и его использование в интересах города» (Москва, 1999), Научно-практической конференции «Медицинская кибернетика в клинической практике» (1999), 3-ей Международной конференции «Радиотехника в медицинской диагностике» (1999), Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, включая И статей, 13 тезисов, 3 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 186 наименований. Общий объем работы включает 161 страницу основного текста, 36 рисунков и 21 таблицу.