Національна академія наук України

ІНСТИТУТ КІБЕРНЕТИКИ ІМЕНІ В.М. ГЛУШКОВА

Джога Наталія Василівна

УДК 681.3.06:518.62:612.172(043.3)

МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ОЦІНКИ Стану системи зовнішнього дихання ЛЮДИНИ ТА ЇХ КОМП’ЮТЕРНИЙ АНАЛІЗ

01.05.02 – математичне моделювання та обчислювальні методи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем НАН України та Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор біологічних наук, професор

КОТОВА Аліна Борисівна,

Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України та Міністерства освіти і науки України, завідуюча відділом

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор

ОНОПЧУК Юрій Миколайович,

Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України,

завідувач відділу

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

РУСАКОВА Людмила Трохимівна,

Інституту гігієни і медичної екології імені О.М. Марзеєва АМН України, завідуюча лабораторією

Провідна установа: |

Вінницький національний технічний університет, кафедра проектування медико-біологічної апаратури, м. Вінниця

Захист відбудеться “ 14 ” квітня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.194.02 при Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України за адресою:

03680 МСП Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічному архіві Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України за адресою:

03680 МСП Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 40.

Автореферат розісланий “__7 __” , березня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради |

В.Ф. Синявський

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією з основних фізіологічних систем організму людини є система дихання. Її дослідження провадиться з різних позицій вивчення процесу саморегуляції системи дихання, вивчення вкладу системи зовнішнього дихання і кровообігу в цей процес (Онопчук Ю.М., Полінкевич К.Б., Бобрякова І.Л. та ін.), пошуку та розробки методів інтеграції різних оцінок стану системи зовнішнього дихання (Антомонов Ю.Г., Котова А.Б., Кабікін В.Є. та ін.). Сучасна практика медичної діагностики системи зовнішнього дихання спрямована, в основному, на виявлення прихованих порушень дихальної функції, патогенних механізмів цих порушень та більш обґрунтоване призначення лікувальних заходів. Отже, завдання діагностики, прогнозування і управління (лікування) залишаються актуальними в медичному аспекті.

Другий аспект актуальності пов’язаний з масовими профілактичними обстеженнями населення, що відіграють важливу роль в збереженні та укріпленні здоров’я. В зв’язку з цим активізуються задачі створення автоматизованих систем підтримки прийняття рішень лікарем при масових медичних оглядах, впровадження автоматизованого скринінгу, розробки біотехнічних систем дослідження, діагностики та лікування (Амосов М.М., Алєєв Л.С., Попов А.А., Мінцер О.П., Баєвський Р.М., Гедеванішвілі Г.С. та ін.). Практичне використання системи автоматизованого скринінгу дозволить отримати якісно нові дані про стан здоров’я великих контингентів осіб. Цей метод більш ефективний та економічний, ніж звичайні профілактичні огляди, сповна відповідає сучасним задачам ранньої активної діагностики.

Третій аспект актуальності – розробка комп’ютерної підтримки діагностичних рішень – актуальна в зв’язку з наростаючим процесом інформатизації медичного знання в математико-комп’ютерних базах знань, тобто створення свого роду інформаційної бази медицини, госпітальних інформаційних систем, єдиного медичного інформаційного простору.

Розглянуті вище аспекти актуальності і обумовили вибір теми даного дослідження.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно наукових планів Міжнародного науково-учбового центру інформаційних технологій та систем НАН і Міносвіти та науки України в рамках НДР “Розробка та узагальнення методів інформаційних технологій рішення задач біологічної та медичної спрямованості” (номер держреєстрації 0199U002283). При написанні звіту по даній НДР автор приймав участь у слідуючих підрозділах:

- 1.2 Аналіз найбільш розповсюджених теоретико-алгоритмічних методів дослідження первинних інформаційних масивів медико-біологічних даних;

- 2.5 Інфотом дослідження системи дихання та газообміну;

- 3.1 Використані засоби інтелектуалізації технології дослідження.

Мета та задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є розробка методів та алгоритмів комп’ютерної підтримки діагностики стану системи зовнішнього дихання людини, що забезпечує скорочення часу та підвищення якості масових обстежень.

Для досягнення мети необхідно було вирішити такі задачі:

- розробити метод уніфікації різноякісних натурних показників без втрати їхнього змістового навантаження;

- розробити метод узагальнення уніфікованих показників в інтегральні оцінки стану системи зовнішнього дихання та її складових;

- розробити засоби формування кількісних градацій та якісних верифікацій;

- розробити логіко-вербальні моделі формування висновків;

- інтегрувати комп’ютерну систему діагностики стану системи зовнішнього дихання людини та провести її апробацію.

Об’єкт дослідження. Діагностика стану системи зовнішнього дихання людини.

Предмет дослідження. Теоретичні та практичні основи технології синтезу математичних моделей діагностики стану системи зовнішнього дихання людини.

Методи дослідження. В якості методів дослідження (комп’ютерної діагностики) використовувались: метод інфотомування, метод уніфікації різноякісної інформації, метод ієрархічного згортання, логіко-вербальні алгоритми побудови висновків.

Наукова новизна отриманих результатів:

- запропоновано метод уніфікації різноякісної інформації без втрати первинного смислового навантаження, що може розглядатися як один з прийомів інтелектуалізації при усвідомленні даних;

- вперше запропоновано метод ієрархічного згортання побудови кількісних оцінок стану, що дозволив з єдиних позицій оцінити стан системи зовнішнього дихання в цілому та її складових, обґрунтовано стиснути багатопараметричний простір показників і отримати нове інформаційне знання (кількісну оцінку), що неможливо отримати шляхом прямого вимірювання;

- розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення комп’ютерної системи, що надало можливість автоматичного отримання висновку в текстовій (з використанням понятійного апарату медицини) і графічній формі. При цьому оцінки стану всіх ієрархічних рівнів системи зовнішнього дихання в їх кількісному вираженні співставимі між собою та є результатом ієрархічного інформаційного скринінгу.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:

- розроблено автоматизовану систему комп’ютерної підтримки винесення діагностичних рішень стану системи зовнішнього дихання людини;

- можливості її використання при масових скринінгах та/або моніторингу стану системи зовнішнього дихання, що підтверджено її ефективною апробацією на різних контингентах населення при оздоровчій реабілітації осіб, що постраждали внаслідок Чорнобильської катастрофи; при скринінгу стану здоров’я жителів міста Славутич; при оцінці ефективності відновлювального лікування неспецифічних захворювань легенів на базі санаторію “Авангард” (м. Немирів). Це дає привід стверджувати, що нові прогресивні інформаційні технології такого типу можуть слугувати доповненням існуючим медичним методам, а саме підтримкою винесення діагностичних рішень стану фізіологічних систем організму;

- основні методичні положення дослідження використовуються в навчальному процесі з дисципліни “Інформаційні технології в біології та медицині ” та підготовці магістрів із спеціальності “Інтелектуальні системи прийняття рішень” на кафедрі “Математичні методи системного аналізу” при Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем НАН та МОН України.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці алгоритмічного та програмного забезпечення комп’ютерної системи підтримки прийняття діагностичної рішень щодо стану системи зовнішнього дихання людини.

Особистий внесок автора у роботи, які склали основу дисертації та виконані у співавторстві:

[1]: конкретизація методу інфотомування, який застосовано до системи зовнішнього дихання;

[2]: технологія синтезу системи комп’ютерної підтримки діагностики системи зовнішнього дихання;

[3]: підходи до автоматизованої обробки електрокардіосигналу з метою діагностики;

[4]: метод ієрархічного згортання інформаційних показників, який застосовано до системи зовнішнього дихання людини;

[5]: ідеї алгоритмічного забезпечення оздоровчої реабілітації;

[6]: практична реалізація програмно-алгоритмічного забезпечення;

[7]: алгоритм функціонування системи зовнішнього дихання людини.

Наведені в дисертації результати теоретичних та практичних досліджень та висновки належать виключно автору.

Апробація результатів дослідження. Основні наукові положення та висновки дисертаційної роботи обговорювались та були схвалені на: 1-й Міжвідомчій науково-практичній конференції з оздоровчої реабілітації персоналу ПО ЧАЕС та жителів м. Славутич (Київ, 1994); 2-й науково-практичній конференції з оздоровчої реабілітації персоналу та жителів м. Славутич (Київ, 1994); науково-практичному семінарі з міжнародною участю, присвяченому 10-річчю Чорнобильської аварії в рамках Міжнародної спеціалізованої виставки “Чорнобиль: екологія, людина, здоров’я” (1996); науковому семінарі “Інформаційні технології та програмно-алгоритмічні засоби в медицині, біології та екології” (Київ, 1998); I та V Міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології в охороні здоров’я та практичній медицині” (Київ, 2001, 2005).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових статей. З них 4 публікації у наукових фахових журналах згідно переліку ВАК України, та 3 статті у матеріалах конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку літератури та додатку. Загальний обсяг роботи складає 172 сторінки, в тому числі 17 рисунків і 9 таблиць і додаток – 31 сторінка. Список літератури складається з 185 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовані актуальність теми дисертації, мета і задачі дослідження, його наукова новизна, практичне значення, зв’язок роботи з науковими програмами.

У першому розділі "Сучасний стан проблеми" в комплексі розглянуті як основні фізіологічні відомості щодо функціонування системи дихання людини, так і існуючі системи скринінгу стану системи дихання і інформаційні технології в медичній діагностиці. Проаналізовано деякі теоретичні та практичні аспекти, які визначають роль і місце інформаційних технологій у розв’язуванні задач медичного спрямування. Розглянуто проблеми, пов’язані з областю застосування автоматизованих систем діагностики.

Система дихання – сукупність органів, що забезпечують постачання організму киснем, виведення вуглекислого газу та вивільнення енергії, необхідної для всіх форм життєдіяльності. У людини дана система включає органи зовнішнього дихання та транспорту газів кров’ю; органели, що реалізують тканинне дихання; механізми регуляції та інтеграції системи в єдине ціле. Терміном "дихання" у фізіології позначають процес вентиляції легенів та газообміну. У структурі дихання людини виділяють етапи зовнішнього дихання, транспорту газів кров’ю, тканинного дихання. Зовнішнє дихання – це процес вентиляції легенів, що забезпечує газообмін між організмом та зовнішнім середовищем. Основними елементами системи зовнішнього дихання є легені та шляхи, по яких повітря проходить у легені, тобто дана система відкрита у зовнішнє середовище. Процес зовнішнього дихання здійснюється завдяки наявності дихального центру – системи взаємопов’язаних нейронів центральної нервової системи, що керують цим процесом. По суті під терміном "дихальний центр" належить розуміти всю сукупність центральних механізмів регуляції дихання. Для характеристики функціонування системи зовнішнього дихання звичайно використовується ряд динамічних та статичних показників, величини яких характеризують функціональні та структурні особливості легеневої системи.

Достатню увагу в цьому розділі приділено інформаційним технологіям у медичній діагностиці. Сучасне становище в медичній практиці, пов’язане в тому числі з процесами інформатизації, потребує все більш широкого впровадження методів та засобів інформаційних технологій у діагностику, що дозволяє більш усвідомлено рухатись шляхом постановки діагнозу, підвищуючи рівень узагальнення та системності дослідження. В наш час медицину вже неможливо представити без використання новітніх інформаційних технологій: комп’ютерні системи діагностики, прогнозування, лікування (управління); медичні інформаційні системи (довідкові, аналітичні, консультаційні) тощо. Найбільший розвиток на даний момент отримали експертні та біотехнічні системи. Серед вітчизняних розробок останніх років як приклад можна відмітити:

- біотехнічну систему "Фазаграф" – нову комп’ютерну технологію оцінки функціонального стану серцево-судинної системи операторів, що працюють у стресових ситуаціях. Система реалізує новий метод аналізу та інтерпретації електрокардіограм у фазовому просторі координат (Файнзільберг Л.С.);

- біотехнічну систему діагностики легеневих патологій за допомогою комп’ютерної реєстрації та обробки – отримання акустичних портретів шумів дихання (Вовк І.В., Дахно С.Л. та ін.);

- біотехнічну систему відновлення порушених або втрачених рухових функцій людини з використанням біологічного зворотного зв’язку "Біоміотон" (Алєєв Л.С., Вовк М.І.).

В медичній експертній системі діагностики об’єкт дослідження (діагностики) представлено опосередковано через набір параметрів, що характеризують стан органів, фізіологічних систем і організму пацієнта в цілому. Експертні системи працюють при вирішенні задач диференціації ступеня патологічного процесу і при постановці діагнозу. Характерною рисою системи є формалізація результатів індивідуальної та колективної експертизи, розробка на цій основі програм, що дозволяють автоматизувати процес класифікації та діагностики. Експертні системи виступають по відношенню до лікаря в якості радника. У сучасних експертних системах діагностики можна побачити два основних напрямки комп’ютерного використання медичних знань. Перший пов’язаний з спробою закласти у діагностичну програму формалізоване представлення про правила постановки діагнозу. Другий напрямок пов’язаний з використанням статистичних методів та так званих "навчальних програм". Останні в процесі розробки вирішуючого правила часто дозволяють оцінити діагностичну значимість різних симптомів, що дає можливість суттєво скоротити число потрібних даних про хворого. До другого напрямку, як приклад, можна віднести розроблені останнім часом вітчизняними вченими:

- експертну систему кардіологічної діагностики "ЕСКОРД". Модель представлення знань в цій системі базується на технології фреймів. В основу технології ЕСКОРДу покладений метод генерації та диференціації гіпотез (Долгополов І.М.);

- експертна система експрес-діагностики станів при пороках серця. Модель представлення знань базується на теорії графів. Навчання побудованої моделі захворювання виконується на верифікованому матеріалі (Мінцер О.П., Книшов Г.В., Циганій А.А. та ін.).

Необхідно звернути увагу на ряд сучасних вітчизняних дослідників, яким належать вагомі результати в області дослідження системи дихання з використанням методів інформаційних технологій. Так, заслуговують на увагу роботи, в яких розглядаються:

- управління системою дихання з використанням математичного моделювання в різних умовах навантажень (Онопчук Ю.М., Лябах Є.Г., Бобрякова И.А. та ін.);

- синтез автоматизованої оцінки функції дихання (Попов А.А., Бокша В.Г., Шульга В.А. та ін.);

- синтез автоматизованого комплексу для дослідження функцій зовнішнього дихання "Пульмовент" (розробка ООО "Сенсорні системи").

Використання інформаційних технологій для діагностики стану системи зовнішнього дихання є принципово важливим для України, територія якої зазнала радіаційного забруднення через Чорнобильську катастрофу, оскільки досягнення в цій області дозволяють створювати ефективні засоби моніторингу і діагностики населення на предмет захворюваності органів дихання.

Другий розділ "Математичні моделі діагностики стану системи зовнішнього дихання людини" присвячено розгляду концептуальних основ рішення даної задачі та обґрунтуванню інформаційних технологій синтезу уніфікованих оцінок стану системи в цілому та її різних розділів.

В кінці 80-х років двадцятого сторіччя діагностика захворювань визначається як невід'ємна частина лікувального процесу, з одного боку, і як специфічний вид пізнавання, з іншого (Н.В. Іванов, П.І. Піскалов, 1987). Згідно останнього, щоб цілковито проникнути в процес діагностики, необхідно в цілому усвідомити цей процес, тобто виробити систему поглядів відносно рішення даної задачі. Система поглядів виражається вербальними формулюваннями, відносно різних сторін задачі, що розглядається. В той же час опис задачі практично завжди допускає структурування свого інформаційного змісту на різноякісні інформаційні блоки, що складають інформаційно-структурну модель (ІСМ) рішення задачі. По суті справи, ІСМ являє собою концептуальне моделювання рішення задачі. В даному розділі розглянуто ІСМ рішення задачі діагности стану системи зовнішнього дихання людини. Ця модель (рис. 1) включає два різноякісних блоки: структурні елементи системи зовнішнього дихання та інформаційні технології дослідження, які, в свою чергу, розділяються на ряд підблоків.

Рис. . ІСМ проблеми.

Так, до першого блоку включаються підблоки: легені та бронхи різних розмірів. Другий блок доцільно розділити на два підблоки: технологія отримання знань та комп’ютерна система діагностики, зміст яких розкрито на рис. 1. Блоки та підблоки, що виділено, в їх взаємозв’язку окреслюють в цілому рішення задачі діагностики системи зовнішнього дихання людини.

Постановка задачі сформульована таким чином: на основі вимірюваних натурних показників, що характеризують стан різних відділів системи зовнішнього дихання, сконструювати ієрархічну систему уніфікованих інформаційних оцінок, які відображають стан пошарової структурно-функціональної організації системи, тобто отримати свого роду інформаційний портрет стану даної системи і синтезувати систему кількісної підтримки такої діагностики.

Рішення цієї задачі складалось з побудови алгоритмів діагностики шляхом переведення багатопараметричного простору показників в одновимірну кількісну оцінку – метод ієрархічного згортання, що градуально відображає ступінь порушення різних легеневих структур. Це, в свою чергу, зажадало різних засобів селекції показників, методів уніфікації інформаційного масиву, узагальнення уніфікованих показників в інтегральні оцінки стану, засобів формування кількісних градацій та якісних верифікацій.

Рис. . Структура інфотому.

Конструювання ієрархічної системи оцінок стану легеневих структур і системи в цілому базувалось на методі інфотомування – отримання інформаційного знання про пошарову структурну організацію об’єкту дослідження (Ю.Г. Антомонов, А.Б. Котова). Інфотом системи зовнішнього дихання (рис. 2) побудовано за правилом інтегро-диференціальної розбивки: система зовнішнього дихання – на природні структурні підсистеми; підсистеми – на складові, що характеризують стан структури і функції підсистеми; складові – на показники. Якщо на цю структуру інфотому накласти значення інформаційних показників (уніфіковані натурні) і узагальнені оцінки стану визначених (виділених) блоків, отримаємо інформаційний портрет стану системи зовнішнього дихання людини.

Інформаційна технологія уніфікації даних включала два етапи: перший етап пов’язаний з загальноприйнятим в медичній практиці переведенням абсолютних значень показників у відносні за формулою:

(1)

де Xабс , Х належн - відповідно абсолютне та належне значення вимірюваного показника.

Для визначення належних значень з урахуванням статі, віку та ваги розроблені регресійні математичні моделі.

Вважається, що коли показник перевищує 100то це відповідає нормальному функціонуванню системи по даному показнику. Медичні спостереження дали можливість визначити нижні границі норми для всіх показників. Порушення в системі зовнішнього дихання означає зменшення показників відносно нижньої границі норми. Діапазон зміни різних показників в області порушення: від нижньої границі норми до 100різний та залежить від статі.

Другий етап уніфікації пов’язаний з підвищенням інформативності показників, що виражені у відсотках, з точки зору визначення ступеня порушення функціонування системи за тим або іншим показником. Уніфікація показників – переведення в інформаційні – на цьому етапі проводилась за формулою:

(2)

Інформаційні показники, розраховані за формулою (2), знаходяться у діапазоні 0 1, причому нульове значення відповідає нормі, а ненульове – відхиленню від норми. При такому перетворенні всі показники можна порівняти між собою, а їх кількісні значення говорять про ступінь відхилення системи зовнішнього дихання від нормального функціонування за відповідним показником.

У випадку, коли кількісні значення показників лежать в межах середньостатистичної норми, їх переведення в інформаційні здійснюється за наступною формулою: |

(3)

Величина Хвідн говорить про ступінь використання резервів нормального функціонування за відповідним показником, причому Хвідн = 0 відповідає оптимальному стану, тобто 100%-вій наявності резервів здоров’я, а Хвідн = 1 – повному вичерпанню резервів нормального функціонування. Відмітимо, що у випадку, коли значення показника приймає належне значення, тобто більше 100%, значення Хвідн приймається рівним нулю.

Задача синтезу математичних моделей оцінок стану пов’язана з необхідністю кількісно оцінювати ступінь порушення в системі зовнішнього дихання диференційовано за рівнями ієрархії згідно структури інфотому (рис. 2). Взагалі, оцінювати порушення можна роздільно за кожним показником, синтезуючи в кінцевому підсумку загальний вербальний висновок. При цьому приймається до уваги ступінь порушення за кожним показником, але відсутнє кількісне вираження загального порушення в системі зовнішнього дихання. Тому розробка процедури згортання багатопараметричного простору в узагальнену оцінку стану з узагальненим вираженням ступеню порушення системи в цілому з медичної точки зору є доцільною. А саме узагальнення можна розглядати як більш високий рівень ієрархії по відношенню до рівня натурних показників. Природно, що при цьому бажано не втратити значимості медичних висновків, а також побудувати процедуру формалізації їх отримання.

Процедура згортання багатовимірного параметричного простору в узагальнені одновимірні форми була проведена на основі лінійно виважених сум показників на рівні складових підсистем та системи в цілому (рис. 2). Таким чином на рівні складових підсистем:

(4)

де xi – уніфіковані значення показників, розрахованих за формулами (2) або (3);

i – вагові коефіцієнти показників.

Рівень підсистем:

(5)

де j - вагові коефіцієнти.

Рівень системи зовнішнього дихання:

(6)

де Jk - вагові коефіцієнти.

Всі узагальнені оцінки стану (4) – (6) повинні бути такими, що порівнюються між собою, та змінюватися в межах 0 1. Для цього вагові коефіцієнти віднормовано таким чином, що їх сума в кожній з оцінок дорівнює одиниці.

Вагові коефіцієнти i визначалися за співвідношенням нижніх границь норми за формулою:

(7)

Вагові коефіцієнти i та j також визначалися з врахуванням нижніх границь норми, усередненій для кожного блоку рівня складових підсистем і рівня підсистем (рис. 2). Система ієрархічних оцінок стану має вигляд:

Рівень складових підсистем

Рівень підсистем

Рівень системи

де x1 x9 - інформаційні показники відповідно ЖЄЛ, ФЖЄЛ, ОФВ1/ФЖЄЛ, ПОШ, МОШ25, МОШ50, СОШ25-75, МОШ75, СОШ75-85;

15 - оцінки стану відповідно структури легенів, функціональної характеристики легенів, великих бронхів, середніх бронхів, малих бронхів;

п - оцінка стану легенів в цілому;

бр - оцінка стану бронхів в цілому;

СД - оцінка стану системи зовнішнього дихання в цілому.

Система оцінок, що наведена, працює як в області порушень функціонування системи зовнішнього дихання (в цьому випадку значення x1 x9 визначались за формулою (2)), так і в діапазоні середньостатистичної норми (в цьому випадку значення x1 x9 визначались за формулою (3)).

Висновки щодо стану системи зовнішнього дихання потребують визначення шкали узагальнених оцінок, причому ця шкала визначалась, виходячи з медично верифікованих піддіапазонів: помірної та значної рестрикції і обструкції. Так, наприклад, для показників ЖЄЛ, ФЖЄЛ та узагальненої оцінки 1 визначення шкали діапазону порушень було проведено таким чином. Ці показники мають нижню границю помірної рестрикції – 70а верхню – 80Визначали значення нижньої межі у відносних одиницях за формулою (2):

Підставивши ці значення в узагальнену оцінку 1, отримаємо:

=0,125

Тепер маємо можливість визначити шкалу діапазону зміни x1, x2 та 1 через піддіапазони, що прийняті в медицині, та надати вербальне трактування кількісним значенням оцінок в медичних термінах:

, , = 0 норма

0 < , , 0,125 помірна рестрикція

0,125 < , , 1 значна рестрикція

Аналогічно визначено шкалу всіх показників, що вимірюються, та оцінки стану всіх рівнів ієрархії інфотому системи зовнішнього дихання.

У третьому розділі "Комп’ютерна підтримка діагностики стану системи зовнішнього дихання" викладено основи синтезу комп’ютерної технології діагностики: наповнення банку знань, алгоритм функціонування даної системи. Модельно-інформаційне забезпечення системи комп’ютерної підтримки пов’язано зі створенням банку знань – банків даних, методів та моделей. Характер синтезу банку знань визначався об’єктом діагностики – система зовнішнього дихання та областю застосування – діагностика при масовому скринінгу. Банк даних містить показники, що характеризують систему зовнішнього дихання: ЖЄЛ, ФЖЄЛ, ОФВ1/ФЖЄЛ, ПОШ, МОШ25, МОШ50, МОШ75, СОШ25-75, СОШ75-85. Окрім цих показників, до банку даних занесено значення нижніх границь норми для цих показників та значення піддіапазонів вимірювання помірної та значної рестрикції і обструкції для тих же показників. Банк методів містить регресійні моделі визначення належних значень натурних показників з врахуванням статі, віку, зросту та ваги; всі формули переведення абсолютних значень показників у відсоткові відношення (формула (1)); формули переведення показників в інформаційні (формули (2) та (3)).

До банку моделей занесено математичне представлення системи ієрархічних оцінок, вербальні моделі висновків про стан системи зовнішнього дихання та її структур, алгоритм побудови висновку.

Алгоритм функціонування системи комп’ютерної діагностики діє наступним чином. Після запуску програми вводяться дані про стать, вік, вагу та зріст людини, що обстежується, дані вимірювання. Під час розрахунку результатів за цими даними визначаються належні значення показників. Програма здійснює перехід до відсоткових значень, потім до інформаційних показників і розраховується система ієрархічних оцінок. Результати діагностики в текстовому та графічному вигляді виводяться на екран дисплею. В разі необхідності надання пояснень до діагностичного висновку є можливість отримання додаткової інформації, що дозволяє детально розшифрувати логіку діагностики. Результати діагностики можуть бути збережені у файлі або роздруковані на пристрої друку.

Четвертий розділ "Апробація комп’ютерної діагностики стану системи зовнішнього дихання людини" присвячено аналізу результатів апробації даної інформаційної технології діагностики при скринінгу різних контингентів осіб.

Оцінка ефективності та працездатності системи комп’ютерної підтримки діагностики стану системи зовнішнього дихання була проведена при оздоровчій реабілітації осіб, що постраждали в результаті аварії на чорнобильській АЕС, при скринінгу стану здоров’я жителів м. Славутич, при оцінці ефективності відновлювального лікування неспецифічних захворювань легенів на базі санаторію "Авангард" (м. Немирів). В розділі також наведені результати верифікації медичних та теоретичних висновків. Верифікація підтвердила правомірність розробленої комп’ютерної діагностики стану системи зовнішнього дихання. Практично у всіх випадках спостерігалося співпадання медичних і теоретичних висновків.

Перевагою розробленої інформаційної технології діагностики є наявність кількісної міри. Саме за величиною оцінок стану системи зовнішнього дихання в цілому та її складових можна судити про ефективність тих або інших управляючих впливів. Так, наприклад, при апробації даної комп’ютерної системи в санаторії "Авангард" визначались оцінки стану системи зовнішнього дихання в цілому, усереднені по групі людей, що проходили обстеження, до і після курсу відновлювального лікування. В якості обстежуваних були відібрані особи з різними видами патології: пневмонія, бронхіальна астма, хронічний бронхіт. Аналіз цих оцінок показав, що найбільший ефект видужання відновлювальне лікування мало на хворих хронічним бронхітом. Однак, позитивним моментом такої апробації став той факт, що узагальнені оцінки п до і після відновлювального лікування відрізнялися між собою. Таким чином, комп’ютерна інформаційна технологія діагностики, що розглядається, є ефективною при масовому скринінгу і/або моніторингу стану системи зовнішнього дихання людини. Доцільність застосування даної технології була підтверджена і в двох інших випадках: оздоровча реабілітація і скринінг стану здоров’я жителів м. Славутича.

Висновки

Результатом дисертаційної роботи є розв’язання важливої соціально значимої проблеми, а саме, скорочення часу та підвищення якості масових обстежень системи зовнішнього дихання людини за рахунок використання математичних моделей оцінок стану та комп’ютерної системи діагностики.

У підсумку проведеного дослідження можна сформулювати такі узагальнюючі висновки:

- запропонований алгоритм уніфікації вимірюваних показників з врахуванням діапазону середньостатистичної норми, всієї шкали зміни та місця розташування показника на шкалі, дозволив перевести значення показника у відносні одиниці без втрати первинного смислового навантаження, що дозволило порівнювати між собою різноякісну інформацію;

- метод узагальнення уніфікованих показників в інтегральні кількісні оцінки стану складових системи зовнішнього дихання і системи в цілому у вигляді лінійно зважених сум – метод ієрархічного згортання – дозволив обґрунтовано стиснути багатопараметричний простір показників та отримати нове інформаційне знання (кількісну міру), які неможливо отримати шляхом прямого вимірювання;

- алгоритм визначення вагових коефіцієнтів з врахуванням співвідношення середньо статистичного діапазону норми та всієї шкали зміни показника дозволив в явному вигляді, а не експертним шляхом розрахувати значення вагових коефіцієнтів, а уніфікація їх в лінійно виважених сумах дозволила отримати єдиний діапазон зміни всіх узагальнених оцінок, що дало можливість проводити їх порівняння між собою, а отже і порівняння станів різних відділів системи зовнішнього дихання;

- алгоритм розбивки діапазону змін інформаційних показників та узагальнених оцінок стану на медично верифіковані піддіапазони надав можливість формувати комп’ютерний висновок про стан системи зовнішнього дихання з використанням понятійного апарату медицини;

- результати верифікації теоретичних та медичних висновків, а також результати апробації комп’ютерної діагностики на різних контингентах обстежуваних дозволяють стверджувати правомірність та доцільність використання даних математичних моделей при масових скринінгах і/або моніторингу.

Список опублікованИХ ПРАЦЬ за темою дисертації

1. Котова А.Б., Джога Н.В. Информационный портрет состояния системы дыхания // Кибернетика и вычисл. техника. – 1999. – Вып. . – С. 91 – 98.

2. Кабикин В.Е., Джога Н.В. Компьютерная поддержка диагностики системы внешнего дыхания при скрининге // Кибернетика и вычисл. техника. – 2000. – Вып. 128. – С. 91 – 94.

3. Обвинцев А.В., Джога Н.В. Автоматизированная обработка электрокардиосигнала с целью диагностики. // Кибернетика и вычисл. техника. – 2002. – Вып.136. - С. 103– 110.

4. Волков Ю.Н., Джога Н.В. "Индекс здоровья" системы внешнего дыхания. // Кибернетика и вычисл. техника. – 2002. – Вып.137. - С. – 72.

5. Котова А.Б., Джога Н.В., Зотов В.П. Алгоритмическое обеспечение оздоровительной реабилитации // Материалы 1-й Межведомственной научной конф. по оздоровительной реабилитации. – Киев. 1994. – С.  – .

6. Кабикин В.Е., Джога Н.В. Компьютерная поддержка вынесения диагностических решений // Материалы 1-й Межведомственной научной конф. по оздоровительной реабилитации. – Киев. 1994. – С.  – .

7. Обвінцев О.В., Джога Н.В., Волков Ю.М. Апробація комп’ютерної системи діагностики стану системи зовнішнього дихання людини. // Матеріал V Міжнародної науково-практичної конференції „Інформаційні технології в охороні здоров’я та практичній медицині”. - К., 2005, С. 86-88.

АНОТАЦІЯ

Джога Н.В. Математичні моделі оцінки стану системи зовнішнього дихання людини та їх комп’ютерний аналіз. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 – математичне моделювання та обчислювальні методи. – Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2006.

В роботі синтезовано метод ієрархічного згортання кількісних оцінок стану, який дозволив з єдиних позицій оцінити стан системи зовнішнього дихання та її складових, обґрунтовано стиснути багатопараметричний простір показників і отримати нове інформаційне знання, яке недоступне при прямому вимірюванні. Розроблена інформаційна технологія діагностики склала основу системи комп’ютерної підтримки винесення діагностичних рішень з можливістю автоматичного отримання висновків про стан легеневої системи в цілому та її структурних складових в текстовій (з використанням поняттєвого апарату медицини) та графічній формі. Дана система пройшла апробацію та показала свою працездатність в умовах скринінгу здоров’я різних контингентів населення.

Ключові слова: математичне моделювання, метод інфотомування, алгоритм уніфікації показників, ієрархічна система оцінок, банк знань, комп’ютерна діагностика.

SUMMARY

Joga N.V. Mathematical models of estimation of a man external respiration state and its computer analysis . - Manuscript.

Thesis for Candidate of Technical Science Degree; Specialty 01.05.02 – Mathematical Modelling and Computation Methods – V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2006.

In thesis the method of a hierarchic convolution of quantitative assessments of a condition permitted with unified stands is synthesized to evaluate system status of an external respiration and its components, is reasonable to shrink multiparameter space of parameters and to receive new information knowledge unapproachable at direct measurement. The designed information technology of diagnostic has formed the basis of a system of computer support of rendition of the diagnostic solutions with a capability of automatic obtaining of conclusions about a condition of a pulmonary system as a whole and its structural components in text and graphic form. The given system has passed approbation and has shown the function ability in conditions of health screening of different quota of the population.

Keywords: mathematical modelling, infotoming method, algorithm of unification of parameters, hierarchic rating system, bank of knowledge, computer diagnostic.

АННОТАЦиЯ

Джога Н.В. Математические модели оценки состояния системы внешнего дыхания человека и их компьютерный анализ. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 – математическое моделирование и вычислительные методы. – Институт кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы.

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, цель и задачи исследования, его научная новизна, практическое значение, связь работы с научными программами.

В первой главе "Современное состояние проблемы" в комплексе рассмотрены как основные физиологические сведения о функционировании системы дыхания человека, так и существующие системы скрининга состояния системы дыхания и информационные технологии в медицинской диагностике. Проанализированы некоторые теоретические и практические аспекты, определяющие роль и место информационных технологий в решении задач медицинского направления. Рассмотрены проблемы, связанные с областью применения автоматизированных систем диагностики.

Вторая глава "Математические модели диагностики состояния системы внешнего дыхания человека" посвящена рассмотрению концептуальных основ решения данной задачи и обоснованию информационных технологий синтеза унифицированных оценок состояния системы в целом и ее отдельных частей. Рассмотрена информационно-структурная модель решения задачи. Конструирование иерархической системы оценок состояния легочных структур и системы в целом базировалось на методе инфотомирования – получения информационного знания о послойной структурной организации объекта исследования. Информационная технология унификации данных включала два этапа: перевод абсолютных значений показателей в относительные и повышение информативности показателей, выраженных в процентах, с точки зрения определения степени нарушения функционирования системы по тому или другому показателю.

В третьей главе "Компьютерная поддержка диагностики состояния системы внешнего дыхания" изложены основы синтеза компьютерной технологии диагностики: наполнение банка знаний, алгоритм функционирования данной системы. Модельно-информационное обеспечение системы компьютерной поддержки связано с созданием банка знаний – банков данных, методов и моделей. Характер синтеза банка знаний определялся объектом диагностики – система внешнего дыхания, и областью применения – диагностика при массовом скрининге. Банк данных содержит показатели, характеризующие систему внешнего дыхания. Кроме этих показателей в банк данных внесены значения нижних границ нормы для этих показателей и значения поддиапазонов измерения умеренной и существенной рестрикции и обструкции для этих же показателей. Банк методов содержит регрессионные модели определения надлежащих значений натурных показателей с учетом пола, возраста, роста и веса; все формулы перевода абсолютных значений показателей в процентные соотношения; формулы перевода натурных показателей в информационные.

Четвертая глава "Апробация компьютерной диагностики состояния системы внешнего дыхания человека" посвящена анализу результатов апробации данной информационной технологии диагностики при скрининге различных контингентов лиц.

Предложен алгоритм унификации измеряемых показателей с учетом диапазона среднестатистической нормы, всей шкалы изменения и месторасположения показателя на шкале, позволивший перевести значение показателя в относительные единицы без потери первичной смысловой нагрузки, что позволило сравнивать между собой разнокачественную информацию.

В работе синтезирован метод иерархической свертки количественных оценок состояния, позволивший с единых позиций оценить состояние системы внешнего дыхания и ее составляющих, обоснованно сжать многопараметрическое пространство показателей и получить новое информационное знание, недоступное при прямом измерении.

Разработан алгоритм определения весовых коэффициентов с учетом соотношения среднестатистического диапазона нормы и всей шкалы изменения показателя, позволивший в явном виде, а не экспертным путем рассчитать значения весовых коэффициентов. Унификация коэффициентов в линейно взвешенных суммах позволила получить единый диапазон изменений всех обобщенных оценок, что дало возможность проводить их сравнение между собой, а, следовательно, и сравнение состояний различных отделов системы внешнего дыхания.

Алгоритм разбивки диапазона изменений информационных показателей и обобщенных оценок состояния на медико верифицированные поддиапазоны дал возможность формировать компьютерное заключение о состоянии системы внешнего дыхания с использованием понятийного аппарата медицины.

Разработанная информационная технология диагностики составила основу системы компьютерной поддержки вынесения диагностических решений с возможностью автоматического получения выводов (заключений) о состоянии легочной системы в целом и ее структурных составляющих в текстовой и графической форме. Данная система прошла апробацию и показала свою работоспособность в условиях скрининга здоровья различных контингентов населения.

Ключевые слова: математическое моделирование, метод инфотомирования, алгоритм унификации показателей, иерархическая система оценок, банк знаний, компьютерная диагностика.