Система многопрофильного скрининга на базе унификации экспертных знаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Система многопрофильного скрининга на базе унификации экспертных знаний

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Разработка и внедрение систем многопрофильного скрининга, основанных на экспертных знаниях, занимает длительный период времени, большая часть которого уходит на разработку и верификацию базы экспертных знаний. Это обусловлено недостаточно чётким взаимодействием экспертов (носителей медицинских знаний) и программистов в силу специфических особенностей их областей знаний. Таким образом, разработка инструментария (методики и средств унификации представления экспертной составляющей) для формирования, верификации и корректировки базы экспертных знаний в системах многопрофильного скрининга силами самих экспертов представляется своевременной и актуальной.

Целью работы является повышение эффективности работ по созданию автоматизированных комплексов для многопрофильного скрининга, для чего следует решить ряд следующих задач:

1. Разработать формальную модель автоматизированной системы скринирующей диагностики (АССД) как системы логического вывода основанного на экспертных знаниях.

2. Разработать типовую структуру медицинской информационной системы многопрофильного скрининга с унифицированным представлением базы экспертных медицинских знаний (БЭМЗ).

3. Разработать методику многоэтапной верификации БЭМЗ АССД.

4. Разработать обобщённую методику построения АССД на базе унифицированного представления экспертных знаний.

5. Разработать программное обеспечение АССД и реализовать в виде автоматизированных комплексов диспансерного обследования (АКДО).

Объектом исследования является система автоматизированного многопрофильного скрининга населения, предназначенная для выявления отклонений в состоянии здоровья пациентов.

Предметом исследования является информационное (знания медицинских экспертов), методическое и алгоритмическое обеспечения АССД.

Методы исследования. Исследование базируется на методах системного анализа и теории биотехнических систем, методов прикладной математики и теории представления знаний.

Новые научные результаты

Научная новизна работы в целом определяется системным подходом к унификации представления экспертных знаний, которые являются основой для последующей разработки систем многопрофильного скрининга.

Формальная модель АССД отличается от известных реализацией методов логического вывода, основанного на знаниях.

Типовая структура медицинской информационной системы многопрофильного скрининга отличается унифицированным представлением знаний.

Разработанная методика многоэтапной верификации БЭМЗ позволяет, в отличие от известных, проводить верификацию только с помощью экспертов. Обобщенная методика построения АССД реализована на базе унификации представления экспертных знаний.

Практическая ценность работы. Использование разработанных модели и методик позволяет, повысить эффективность процесса разработки, верификации и модернизации АССД. Модель и методики использованы при создании комплексов, серийно выпускаемых в Научно-исследовательском конструкторско-технологическом институте биотехнических систем (НИКТИ БТС). Это позволило значительно сократить временные и экономические затраты при разработке таких комплексов. Так для первичной разработки комплекса общие затраты сокращаются в 1.5 раза, а для повторной разработки комплекса с изменённым содержанием БЭМЗ - в 4.5 раза.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Формальная модель автоматизированной системы скринирующей диагностики, основанная на экспертных медицинских знаниях.

2. Типовая структура медицинской информационной системы многопрофильного скрининга с унифицированным формальным представлением экспертных знаний.

3. Методика многоэтапной верификации базы экспертных медицинских знаний систем скринирующей диагностики.

4. Обобщённая методика построения автоматизированных систем скринирующей диагностики на базе унифицированного представления экспертных знаний.

Внедрение результатов работы. Внедрение разработанных методов при создании АССД:

· автоматизированные комплексы для диспансерных обследований детей и подростков (АКДО);

· программные комплексы «Управление Иммунизацией»;

· программной системе «Пренатальный скрининг синдрома Дауна»;

· комплекс программ для мониторинга врождённых пороков развития.

Подтверждено в двух актах внедрения (от Комитета здравоохранения при администрации Санкт-Петербурга и НИКТИ БТС).

Апробация работы. Основные положения работы и полученные результаты обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2005-2008 гг.), научно-технической конференции НТО РЭС им. А.С. Попова (2005-2007 гг.), I Национальном конгрессе по валеологии «Качество жизни и здоровье» (Санкт-Петербург, 2006 г.), V Международном симпозиуме «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия» (Санкт-Петербург, 2006 г.), VI Международном симпозиуме «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия» (Санкт-Петербург, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 научных работ, из них - 3 статьи (3 статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 9 работ в трудах международных и российских научно-технических конференций и симпозиумов. Получены 3 свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ и 1 патент на изобретение от федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 135 наименований, и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 131 страницах машинописного текста. Работа содержит 29 рисунков и 1 таблицу.

Содержание работы

медицинский информационный программный скрининг

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дается характеристика работы, приводится краткое содержание работы по главам.

В первой главе диссертации приводится обоснование необходимости унифицированного представления БЭМЗ АССД. Проведён анализ структуры и специфики создания БЭМЗ автоматизированного многопрофильного скрининга. Сформулировано одно из важных требований к АССД - требование к «гибкости» системы и её адаптивности к меняющимся условиям среды.

Во второй главе проведена формализация структуры и процессов функционирования АССД. Разработана формальная модель медицинской информационной системы многопрофильного скрининга. Разработана структура экспертных медицинских знаний, входящих в БЭМЗ. Для возможности унифицированного представления БЭМЗ разработаны соответствующие языки описания предметной области.

Процесс скринирующей диагностики состоит из трёх последовательно выполняемых этапов: получение первичных данных, вычисление обобщенных медицинских показателей, определение количественной оценки состояния здоровья и формирование заключения.

Содержание первого этапа определяется реализацией оператора D_S(S, P_X), применяемого к субъекту S с целью получения значений X множества показателей P_X.

Множества показателей P_X и их значений Х включают в себя соответственно три подмножества:

показателей P_И, идентифицирующих субъекта S в среде его жизнедеятельности, и их значений Х_И;

показателей P_Ж, характеризующих условия жизнедеятельности субъекта S, и их значений Х_Ж;

показателей P_З, характеризующих состояние здоровья субъекта S, и их значений Х_З.

Следует отметить, что среди установочных данных пациента P_И только их часть P_ИО используется в интересах вычисления оценки состояния здоровья

Вектора Х_ИО (значений P_ИО), Х_Ж и Х_З представляют множество первичных медицинских данных (ПМД) Х_ПМД - значений параметров, характеризующих факторы, явления и процессы морфологического, функционального, электрического, биохимического и социально-педагогического характера, получаемые путем опроса и обследования пациента и имеющие отношение к его здоровью, функционированию его органов, состоянию его организма.

На втором и третьем этапах определяются количественные оценки состояния здоровья Z и формирование заключения W в некоторой документальной форме, принятой в АССД. Помимо Z, в заключение могут входить подмножества значений параметров из числа P_ХО.

Состав выходных данных P_Z определяется целевым назначением системы скрининга и реализацией оператора R_Z. Которые, как правило, базируются на известных нормативах состояния здоровья, составляющих «идеальную модель» М_П и предполагает построение «реальной модели» М_П', нахождения величины отклонений М_П' от М_П и оценки этих отклонений.

Вышеизложенное позволяет определить содержание процесса скрининга, осуществляемого АССД, как автоматизированное получение (сбор) ПМД и последующее формирование заключения по некоторым решающим правилам, описывающим преобразование ПМД в выходные данные АССД.

Структура формальной модели приведена на рис. 1. Модель имеет блочную структуру и содержит следующие компоненты:

- требования U, являющиеся внешними по отношению к АССД и определяющие контингент пациентов, подлежащих обследованию, периодичность обследований, цель и ведущую функцию системы, нозологическую ориентацию обследования (состав профилей патологии и диагнозов, выделяемых в процессе обследования) и др.;

- множество информационных профилей всех субъектов, прошедших обследование в АССД - каждый профиль I_S содержит статическую часть (значения X_И параметров P_И, которые заносятся в профиль при первом обследовании и при необходимости корректируются во время последующих осмотров) и динамическую часть, каждый элемент которой соответствует одному проведенному обследованию;

- элемент динамической части информационного профиля содержит установочные данные о проведенном обследовании Х_О (дата, сведения о медицинском персонале, проводившем осмотр, и т.д.), а также совокупность ПМД, ОМП и оценку состояния здоровья, полученные в процессе осмотра;

- в блоке получения исходных данных представлены компоненты, обеспечивающие получение первичных данных и их структурированное представление - информационные компоненты А, содержащие перечень параметров P_X и их значения X;

- в множество A обязательно входит компонент A_У (установочные данные), а также не менее одного компонента А_ОП на каждый вид обследования.

Структура каждого компонента из множества А определяется описанием O_S, который задается с помощью отображения P_S O_S, а процесс получения исходных данных представляет собой заполнение шаблонов A', определяемых интерпретацией O_S, сведениями, собираемыми при непосредственном контакте с субъектом S, в соответствии с методиками и алгоритмами _S, после чего каждый информационный компонент в А приобретает вид

(i) (A_i={(p, x) | (p O_S(P_И, A'_i)) (x X))}.

Часть методик _S реализуется автоматически (например, съем и расчет параметров электрокардиограммы) (_S1), а другая - автоматизированно (_S2), на основании интерпретации O_S..

Описания O_X определяют структуру хранения исходных данных.

Вычисление комплексной оценки Z производится путем интерпретации описания решающих правил O_R, описывающих применение оператора R_Z к ПМД и ОМП.

По результатам проведенных осмотров формируются отчетные документы, составляющие множество B, данный процесс определяется отображением G_Z: I_SB' B - помимо заключения W в множество B могут входить разного рода отчетные документы.

Процесс создания U, D, O, R, , P, G, A' и B' является макропроектированием АССД. Это позволяет перейти от абстрактных компонентов формальной модели АССД к структуре компонентов БЭМЗ и сформулировать закономерности процесса их построения в терминах автоматизации процессов скринирующей диагностики состояния здоровья.

Реализация экспертных знаний, составляющих содержание БЭМЗ, основана на схеме процесса обследования с применением АССД. Можно выделить три функциональных блока:

· регистратура (регистрация пациента, определение значений Р_У);

· медицинская карта (выполнение обследования, определение значений Р_ОП и вычисление значений оценок Z);

· документооборот (формирование документов на основании шаблонов).

Адаптивная часть АССД реализована с использованием технологии метауправления и состоит из нескольких уровней представления метаинформации, используемой для описания области применения.

· Первый уровень - это уровень представления языков описания экспертных знаний.

· Второй уровень формализации - это уровень описаний предметной области при помощи разработанных на первом уровне языков.

Сформированные описания относятся к одному классу, который состоит из паспорта и содержательной части, отражающей структуры сведений.

Содержательная часть описывается при помощи информационных элементов (ИЭ) и информационных групп (ИнС), соответствующих сущностям.

Информационный элемент(IE) представляет собой кортеж вида

IE = (N, {A}, R_c, ED),

где N - наименование сущности, {A} - множество свойств (атрибутов) сущности, R_c - правило, определяющее допустимое количество экземпляров сущности (R_c {П1, П+, П*, Н}), ED - внешние данные, связанные с сущностью.

Информационная группа представляет собой кортеж вида

IS = (N, {A}, R_u, R_c, ED, {Ch}),

где R_u - правило, определяющее возможные сочетания подчиненных сущностей (R_u {И, ИЛИ, МИЛИ}), {Ch} - множество дочерних (подчиненных) ИЭ и / или ИнС.

Обозначения правил Ru и Rc имеют и более развернутую запись: «И» - «все из», «ИЛИ» - «одно из», «МИЛИ» - «несколько из», «П1» - «повтор один раз», «П+» - «повтор хотя бы один раз», «П*» - «повтор один раз, несколько раз или ни разу», «Н» - «необязательно».

ИнС используется для описания составных (сложных) сущностей, такие сущности раскрываются (объясняются) посредством подчиненных информационных элементов и / или информационных групп. ИЭ соответствуют листьям, а ИнС - узлам и корню дерева сущностей.

Механизм связи между сущностями реализован отношениями «предок - потомок» и посредством специальной сущности типа «ссылка».

В соответствии со структурой экспертных знаний, представляющих содержание БЭМЗ, разработан ряд языков описания для:

§ описания регистратуры;

§ описания структуры медицинской карты;

§ описания объектов, то есть ПМД, ОМП;

§ описания правил принятия решений, основанных на экспертных знаниях;

§ декларативного описания основных математических функций, используемых в описании правил принятия решений;

§ описания номенклатора понятий.

Сформированы обобщённые требования к клиентской части АССД, которые заключаются в:

· регистрации обследуемых в системе и обслуживания необходимых справочников;

· проведения обследований, т.е. ведение списка обследований, ввод данных конкретного обследования и их обработка, формирование заключений по результатам обследования;

· формирования описаний документов и непосредственно документов на основании данных информационной БД и / или ранее сформированных документов;

· обмена данными с другими комплексами;

· настройки АРМ под конкретные потребности пользователя.

Третья глава диссертации посвящена решению комплекса задач верификации БЭМЗ АССД. Разработана обобщённая методика построения АССД. Проведена оценка эффективности применения предложенной методики.

Верификация БЭМЗ является важным этапом в разработке АССД и предназначена для достижения требуемых значений по достоверности выявления отклонений в состоянии здоровья.

Верификация состоит из нескольких этапов:

· статическая верификация;

· динамическая верификация;

· верификация по данным дообследования врачами-специалистами (на основании обратной связи).

Этап статической верификации выполняется при разработке содержания БЭМЗ и проводится без использования исходных данных. Основными задачами, решаемыми на данном этапе, являются проверка корректности используемых математических моделей и фактической реализации решающих правил, и выявление ошибок оператора. Для выполнения данного этапа разработаны специализированные программные средства.

Динамическая верификация (верификация на основе набора исходных данных) выполняется на стадии опытной эксплуатации комплекса. Для проведения этого этапа необходим эталонный набор проверенных исходных данных, на котором верифицируются правила принятия решений заложенные в БЭМЗ.

Выполнение данного этапа проводится с использованием двух критериев оценки работы комплекса и БЭМЗ в частности. Первый критерий - это способность АССД распознавать патологические и пограничные состояния там, где они есть, и принимать адекватные решения. Второй критерий - это гипердиагностика, т.е. вероятность того, что система распознает патологию и пограничные состояния там, где их на самом деле нет.

Этап динамической верификации является основным в процессе верификации медицинского обеспечения.

Механизм «обратной связи» реализован с целью определения достоверности БЭМЗ в ходе эксплуатации комплекса. По результатам обследования АССД выдаёт направления к врачам-специалистам. Данные по дообследованию в режиме обратной связи попадают в АССД. Проведение сопоставительного анализа исходных данных и данных дообследования, позволяет определять корректность реализации БЭМЗ. Кроме того, применение данного механизма позволяет выявлять редко встречающиеся формы патологии. На основании данных «обратной связи» возможна подстройка БЭМЗ под этнические, территориальные или иные особенности применения комплекса, которые невозможно предусмотреть на этапе разработки.

Основу обобщённой методики построения АССД, составляет формирование содержания БЭМЗ (см. рис. 4). Формирование содержания БЭМЗ начинается с разработки описаний ПМД и решающих правил. Параллельно с формированием описаний, выполняется программная реализация основных математических функций, применяемых в решающих правилах, в виде отдельной библиотеки.

На следующем этапе выполняется статическая верификация описаний, и при необходимости, выполняется корректировка описаний. Данные действия повторяются до полного формирования описаний. После чего выполняется формирование структуры информационной БД.

Следующими этапами разработки являются динамическая верификация, и при необходимости, коррекция / доработка описания решающих правил.

Следует отметить, что этап динамической верификации и коррекции, решающих правил может быть выполнен на основании «обратной связи».

Последней стадией формирования содержания БЭМЗ является автоматизированная разработка номенклатора понятий под конкретную область применения.

В четвертой главе приведено описание реализации АССД, на примере АКДО.

Реализация основана на предложенных типовой структуре и обобщённой методике построения комплекса. Базовая структура программной реализации автоматизированного рабочего места (АРМ) врача АКДО представлена на рисунке 5.

АРМ АКДО состоит из следующих функциональных блоков: регистратура; медицинская карта, обследование; подсистема передачи данных; информационная БД; подсистема электронного документооборота.

Блок регистратуры предназначен для редактирования классификаторов и списка пациентов. В состав данного блока входит два интерпретатора, предназначенных для формирования интерфейса пользователя. Первый из них отвечает за формирование экранных форм для ведения / редактирования классификаторов. Второй интерпретатор формирует необходимые экранные формы для работы со списком пациентов.

Блок медицинской карты и обследования предназначен для ведения списка обследований и проведения обследования в частности. Блок состоит из трех интерпретаторов. Первый интерпретатор функционирует на основании описания проекта и отвечает за формирование пользовательского интерфейса в части ведения списка обследований и формирование отображения структуры осмотра. При помощи второго интерпретатора формируется пользовательский интерфейс в части ввода, редактирования данных обследования и получения значений признаков от средств автоматизированного ввода. К средствам автоматизированного ввода, например, относится блок съёма ЭКГ и программные средства обработки ЭКС. Третий интерпретатор предназначен для расчёта решающих правил. Расчёт выполняется посредством интерпретации описания решающих правил, с использованием описания объектов. К данному блоку также относятся средства формирования индивидуального заключения по результатам осмотра.

Подсистема передачи данных предназначена для организации обмена данными как между комплексами АКДО, так и с другими автоматизированными программными комплексами. Она состоит из средств приема-передачи данных обследований, документов и их описаний.

Подсистема электронного документооборота (ПДО) является стандартным расширением АКДО и предназначена для организации процессов описания, формирования, хранения и отображения электронных документов. Данная подсистема, в отличие от стандартных, позволяет формировать документы произвольной структуры на основании выборки данных из информационной базы в соответствии с требованиями некоторого множества фильтров или на основании данных интегрируемых документов. Сформированный документ отображается в виде отчета.

Основными компонентами ПДО являются: описания документов; фильтры данных; выборки; документы; отчеты.

Описание документа определяет форму документа, а также правила его формирования и отображения.

В ПДО под фильтром данных (фильтром) понимается описание правил отбора предметной информации из базы данных с целью последующего формирования документов на выбранном множестве сведений.

Выборка является множеством сведений, получаемых в соответствии с требованиями того или иного фильтра данных.

Под документом понимается совокупность структурированных данных, сформированных на основе указанной выборки в соответствии с тем или иным описанием.

Отчет (отображение документа) представляет документ в форме, удобной для восприятия человеком.

Основными функциональными модулями ПДО являются «Список описаний документов» и «Банк документов».

«Список описаний документов» состоит из нескольких блоков, к которым относятся: непосредственно сам список, специализированный редактор и блок формирования документов по их описанию.

«Банк документов» содержит список ранее сформированных документов с указанием периода, за который они были сформированы.

Основные результаты диссертации

1. Формальная модель АССД, основанная на экспертных знаниях.

2. Типовая структура медицинской информационной системы многопрофильного скрининга с унифицированным представлением БЭМЗ.

3. Методика многоэтапной верификации БЭМЗ АССД.

4. Обобщённая методика построения АССД на базе унификации представления экспертных знаний и практическая оценка её эффективности в процессе реализации.

Публикации по теме диссертации

1. Кубайчук А.Б. Структура Медицинской Информационной Системы многопрофильного скрининга с унифицированным формальным представлением медицинского обеспечения. Санкт-Петербург, редакционно-издательский центр ГУАП, Информационно-управляющие системы, 2008 г. - Вып. №2 (33). - С. 42-45.

2. Кубайчук А.Б. Критерии эффективности автоматизированных систем скринирующей диагностики. Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Известия ГЭТУ, Вып. №2, 2006. - С. 109-112.

3. Шаповалов В.В., Кубайчук А.Б., Афанасьева В.В. Построение решающих правил для систем автоматизированного скрининга. Санкт-Петербург, редакционно-издательский центр ГУАП, Информационно-управляющие системы, 2006 г. - Вып. №1 (20). - С. 2-6.

4. Афанасьева В.В., Шаповалов В.В., Шерстюк Ю.М., Кубайчук А.Б. Аспекты создания автоматизированного комплекса для диспансеризации взрослого населения (АКДО-В). Информационные технологии в системе модернизации здравоохранения. Труды всероссийской научно-практической конференции. - Москва, 2005 г. - С. 92-93.

5. Кубайчук А.Б. Обработка ЭКГ в системах скринирующей диагностики. Труды 60-ой Научн.-техн. конференции СПб НТОРЭС им. А.С. Попова, апрель 2005 г., Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - С. 209-211.

6. Кубайчук А.Б. Методика построения регистрационной части медицинских ИС. Труды I национального конгресса по валеологии «Качество жизни и здоровье». - Санкт-Петербург, 2006 г. - С. 90-91.

7. Кубайчук А.Б. Съём ЭКГ в системах АКДО. Труды V Международного симпозиума «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия», Санкт-Петербург, Вестник Аритмологии, приложение А, 9 - 11 февраля 2006 г. - С. 664.

8. Кубайчук А.Б. Автоматизированные комплексы для профилактических осмотров взрослого населения (АКДО-В). Труды V Международного симпозиума «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия», Санкт-Петербург, Вестник Аритмологии, приложение А, 9 - 11 февраля 2006 г. - С. 665.

9. Кубайчук А.Б. Особенности реализации пользовательского интерфейса при построении медицинских информационных систем с метауправлением. Труды 61-ой Научн.-техн. конференции СПб НТОРЭС им. А.С. Попова, апрель 2006 г., Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - С. 194-195.

10. Кубайчук А.Б. Аспекты взаимодействия информационных систем на примере автоматизированного комплекса для диспансерных обследований. Труды 62-ой Научн.-техн. конференции СПб НТОРЭС им. А.С. Попова, апрель 2007 г., Санкт-Петербург. - Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - С. 225-226.

11. Кубайчук А.Б. Формализация медицинского обеспечения автоматизированных комплексов для диспансерных обследований (АКДО). Труды 62-ой Научн.-техн. конференции СПб НТОРЭС им. А.С. Попова, апрель 2007 г., Санкт-Петербург. - Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - С. 226-227.

12. Кубайчук А.Б. Верификация экспертной составляющей автоматизированных комплексов диспансерного обследования. Труды VI Международного симпозиума «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия». - Санкт-Петербург. - Вестник Аритмологии. - Приложение А., 14 - 16 февраля 2008 г. - С. 511.

13. Воронцов И.М., Шаповалов В.В., Шерстюк Ю.М., Кубайчук А.Б. «Комплекс аппаратно-программный для диспансерного скринингового обследования детей и подростков (АКДО, АКДО - «ИПС»)» Свидетельство Роспатента РФ №2004611138 от 7 мая 2004 года.

Размещено на Allbest.ru

...