Інформаційна технологія підтримки прийняття рішень в системі моніторингу при діагностиці захворювань - Автореферат

Високотехнологічні прилади здійснюють моніторинг поведінки важливих процесів в технічній і соціальній сферах діяльності людини та накопичують інформацію, аналіз якої вимагає застосування автоматизованих систем обробки даних. При розвязанні широкого кола практичних задач автоматизовані системи діагностики створюються із залученням методів збору даних і телеметрії, теорії обробки сигналів, теорії масового обслуговування, теорії ймовірностей та математичної статистики і теорії штучних нейронних мереж тощо. В галузі аналізу даних добового моніторингу артеріального тиску (ДМАТ) автоматизовані системи дозволяють створювати системи стандартизації медичної інформації шляхом ведення електронної історії хвороби пацієнтів та обчислювати різноманітні точкові оцінки показників артеріального тиску (АТ) та пульсу в різні періоди доби, але більшість цих показників не враховує динаміку процесу зміни АТ та пульсу в цілому, що недостатньо для прийняття коректного рішення при діагностуванні. Короткострокові коливання АТ за різні періоди доби (день, ніч, ранкові години, доба) розраховуються як стандартне відхилення значень АТ в точках замірів від середнього значення АТ, інтерпретація якого має свої недоліки, головним з яких є неможливість дослідити динаміку процесу зміни АТ, виконати коректний аналіз цього процесу з встановленням закономірностей його зміни. В основу нової інформаційної технології пропонується покласти математичні моделі, що створюються шляхом поєднання еволюційних та нейромережевих моделей, які описують динаміку процесу зміни АТ та пульсу, дозволяють визначати принципово нові показники ДМАТ та провадити їх глибинний аналіз.У першому розділі висвітлено існуючі методи обробки даних в системах серцево-судинного моніторингу, а саме розглянуто методологічні основи його проведення, методи та обчислювальні схеми обробки даних, функціонуючі програмні засоби, які дозволяють автоматизувати процес обробки даних серцево-судинного моніторингу, наведено постановку задачі та обрано методи дослідження. У другому розділі розглянуто процес формування початкових даних за даними ДМАТ пацієнта, обчислювальні процедури визначення функцій інтенсивності переходів між станами, моделі функціонування показників ДМАТ та їх порівняльний аналіз. Для більш достовірного та адекватного аналізу такої інформації необхідно використовувати кількісні методи оцінки показників АТ, у якості яких пропонується застосовувати моделі аналізу варіабельності АТ за даними ДМАТ. Таким чином, за даними ДМАТ пацієнта необхідно для первинних показників ДМАТ сформувати масиви даних для визначення оцінок функцій інтенсивності переходів між станами; провести емпіричну оцінку ризику перебування первинних показників ДМАТ у кожному з можливих станів; побудувати моделі поводження первинних показників ДМАТ і визначити аналітичний вигляд функцій ризику знаходження цих показників в певних зонах контролю. За результатами моделювання процесу ДМАТ за даними ДМАТ для кожного з пацієнтів окремо отримано набір параметрів, який містить для моделей показників САТ, ДАТ, ПАТ і ЧСС сталі оцінки функцій інтенсивності, ймовірнісні характеристики стаціонарного режиму і час входу в зону стаціонарності процесу зі сталими та кусково-сталими оцінками функцій інтенсивності переходів між станами.У дисертації наведено теоретичне узагальнення та новий розвязок актуальної задачі, що полягає у побудові математичних моделей артеріального тиску і пульсу, розробці методики, методу та реалізації інформаційно-моделюючої програмної системи класифікації пацієнтів на основі створеної інформаційної технології. Вперше запропоновано модель процесу добового моніторингу артеріального тиску і пульсу у вигляді одновимірних неперервних марківських ланцюгів, що надає можливість визначати сталі та кусково-сталі оцінки функцій інтенсивності переходів між станами, аналітичні функції ризику знаходження процесу у певному стані, ймовірнісні характеристики функціонування процесу в умовах стаціонарності та момент часу входу процесу в зону стаціонарності. Розроблено метод, який поєднує ланцюги Маркова та штучні нейронні мережі в системі добового моніторингу артеріального тиску і пульсу, що надало змогу на основі результатів математичного моделювання провести діагностику пацієнтів та їх перегрупування з метою формування уточнених діагнозів. Показано, що для підвищення достовірності оцінок функцій інтенсивності переходів артеріального тиску і пульсу між станами при побудові уточненої оцінки зміни профілю артеріального тиску і пульсу потрібно використовувати згладжування поліноміальними сплайнами, на відміну від побудови оцінок функцій інтенсивності за первинними замірами артеріального тиску і пульсу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та новий розвязок актуальної задачі, що полягає у побудові математичних моделей артеріального тиску і пульсу, розробці методики, методу та реалізації інформаційно-моделюючої програмної системи класифікації пацієнтів на основі створеної інформаційної технології.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. Вперше запропоновано модель процесу добового моніторингу артеріального тиску і пульсу у вигляді одновимірних неперервних марківських ланцюгів, що надає можливість визначати сталі та кусково-сталі оцінки функцій інтенсивності переходів між станами, аналітичні функції ризику знаходження процесу у певному стані, ймовірнісні характеристики функціонування процесу в умовах стаціонарності та момент часу входу процесу в зону стаціонарності.

2. Запропоновано та обґрунтовано використання оцінок функцій інтенсивності переходу між станами та коефіцієнтів аналітичних співвідношень для функцій ризику знаходження артеріального тиску та пульсу в певних зонах контролю як нових показників добового моніторингу, які отримані з урахуванням динаміки зміни артеріального тиску і пульсу пацієнта.

3. Розроблено метод, який поєднує ланцюги Маркова та штучні нейронні мережі в системі добового моніторингу артеріального тиску і пульсу, що надало змогу на основі результатів математичного моделювання провести діагностику пацієнтів та їх перегрупування з метою формування уточнених діагнозів.

4. Розроблено методику дослідження і аналізу варіабельності показників добового моніторингу артеріального тиску і пульсу за новими показниками ДМАТ, що надало змогу сформувати рекомендації у вигляді номеру діагнозу, які становлять основу підтримки прийняття рішень медичним фахівцем.

5. Показано, що для підвищення достовірності оцінок функцій інтенсивності переходів артеріального тиску і пульсу між станами при побудові уточненої оцінки зміни профілю артеріального тиску і пульсу потрібно використовувати згладжування поліноміальними сплайнами, на відміну від побудови оцінок функцій інтенсивності за первинними замірами артеріального тиску і пульсу.

6. Створено інформаційну технологію, яка надала змогу реалізувати підтримку прийняття рішень медичним фахівцем за рахунок відбору інформативних ознак, циклічного використання результатів роботи нейромереж та здійснення каскадної та гібридної діагностики, що дозволяє врахувати нерівномірну кількість пацієнтів в групах, які досліджувалися. Розроблена інформаційна технологія може бути застосована при дослідженні поведінки нестаціонарних процесів у інших галузях науки й техніки, зокрема в машинобудуванні, транспорті, аерокосмічній галузі, енергетиці, економіці, при екологічному моніторингу та ін. із відповідними пристосовуваннями до обраної предметної галузі.

7. Розроблено програмне забезпечення у вигляді інформаційно-моделюючої системи “NEUROMODELDBPM” групової та індивідуальної діагностики на основі аналізу варіабельності показників ДМАТ. Систему “NEUROMODELDBPM” можна використовувати в дослідженнях інших клініко-біологічних процесів та при створенні моніторингових і апаратно-діагностичних систем на базі сучасних компютерних технологій. Якість і адекватність результатів моделювання процесу ДМАТ досліджено на контрольній вибірці пацієнтів, що надало змогу встановити працездатність та достовірність розробленого методу та методики.

1. Белецкий А.Я., Приставка А.Ф., Хачапуридзе Т.Н. Вероятностные модели мониторинга сердечно-сосудистой системы // Електроніка та системи управління. - К.: НАУ, - 2004. - № 2. - С. 5-11.

2. Приставка А.Ф., Колесник Т.В., Хачапуридзе Т.Н. Оперативный анализ в мониторировании сердечно-сосудистой системы // Математичне моделювання. - 2003. - № 2(10). - С. 44-49.

3. Приставка А.Ф., Хачапуридзе Т.Н. Формирование и обработка данных суточного мониторинга сердечно-сосудистой системы // Новини науки Придніпровя. Серія: Інженерні дисципліни. - Д.: Дніпро-VAL. - 2005. - № 4. - С. 52-58.

4. Хачапурідзе Т.М. Інформаційне нейромережеве забезпечення діагностики серцево-судинної системи по функціям інтенсивності // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційні технології. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2005. - Т. 9. - С. 34-49.

5. Хачапуридзе Т.Н. Моделирование мониторинга сердечно-сосудистой системы // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційні технології. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2003. - Т. 7. - С. 142-149.

6. Приставка А.Ф., Колесник Т.В., Хачапуридзе Т.Н. Информационное обеспечение мониторирования сердечно-сосудистой системы // Інформаційно-діагностичні системи: Матеріали V Міжнародної науково-технічної конференції ”АВІА-2003” - Т. 1. - К.: НАУ, 2003. - С. 13.35-13.38.

7. Хачапуридзе Т.Н. Моделирование деятельности сердечно-сосудистой системы // Інформаційно-діагностичні системи: Матеріали V1 Міжнародної науково-технічної конференції ”АВІА-2004” - Т. 2. -К.: НАУ, 2004. - С. 23.43-23.46.

8. Хачапуридзе Т.Н. Информационное обеспечение мониторинга в медицине // Тези доповідей I-го Молодіжного науково-практичного форума “Інформаційні технології в XXI віці”, 23-24 квітня 2003. - Д.: УГХТУ. - 2003. - С.197-198.

9. Хачапуридзе Т.Н. Оперативный анализ в мониторировании сердечно-сосудистой системы // Тези доповідей Міждержавної науково-методичної конференції “Проблеми математичного моделювання”, 28-30 травня 2003. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2003. - С. 47-48.

10. Приставка А.Ф., Хачапуридзе Т.Н. Вычислительные процедуры диагностики сердечно-сосудистой системы // Збірник тез VI Міжнародної молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос”, 14-16 квітня 2004. - Д.: НЦАОМУ. - 2004. - С. 223.

11. Приставка А.Ф., Земляная С.В., Хачапуридзе Т.Н.,Гурнов К.Г. Применение нейронных сетей для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы // Тези доповідей Міждержавної науково-методичної конференції “Проблеми математичного моделювання”, 26-28 травня 2004. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2004. - С. 188-189.

12. Хачапуридзе Т.Н. Формирование нейросетевой технологии при диагностике сердечно-сосудистых заболеваний // Тези доповідей Другої міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелекетуальних систем”, 17-19 листопада 2004. - Д.: ДНУ. - 2004. - С. 144-145.

13. Хачапуридзе Т.Н. Нейросетевая технология анализа данных суточного мониторинга артериального давления // Матеріали V міжнародної наукової конференції студентів та молодих учених “Політ”, 12-13 квітня 2005. - К.: НАУ. - 2005. - С. 40.

14. Хачапуридзе Т.Н. Нейросетевая технология диагностики сердечно-сосудистой системы по функциям интенсивности // Збірник тез VII Міжнародної молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос”, 13-15 квітня 2005. - Д.: НЦАОМУ. - 2005. - С. 213.

15. Приставка А.Ф., Хачапуридзе Т.Н. Информационное нейросетевое обеспечение суточного мониторинга артериального давления // Тези доповідей Міждержавної науково-методичної конференції “Проблеми математичного моделювання”, 25-27 травня 2005, ДДТУ, 2005. - С. 167.

16. Хачапурідзе Т.Н. Інформаційно-моделююча нейромережева система аналізу стану пацієнта за даними ДМАТ // Тези доповідей Третьої міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних системи”, 16-18 листопада 2005.-Д.: ДНУ. - 2005. - С. 182.