автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Прогнозирование и автоматизированная комплексная диагностика мочекаменной болезни на основе визуализации информации и гис-технологий

-¿0-/¿<05

/

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

БУХОНОВА Оксана Валентиновна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ КОМПЛЕКСНАЯ ДИАГНОСТИКА МОЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНИ НА ОСНОВЕ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИИ И ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 05.13.09 - Управление в биологических

и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

д.т.н., профессор Фролов В.Н.

Научный консультант: д.м.н. Назаренко Е.А.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИКИ

ОСТРОЙ УРОЛОГИЧЕСКОЙ ПАТОЛОГИИ........................................................12

1.1. Анализ методов диагностики острой урологической патологии 12

1.2. Диагностика острой урологической патологии на основе высоких медицинских технологий..........................................................................................................20

1.3. Цель и задачи исследования..............................................................................................................31

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ СТРЖТУРЫЩМЩЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА

МОЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНИ....................................................................32

2.1. Моделирование и прогнозирование динамики заболевания мочекаменной болезнью с применением ГИС-технологий .... 32

2.2. Медицинский кадастр мочекаменной болезни....................................................41

2.3. Построение прогностических оценок уровня заболеваемости мочекаменной болезнью..........................................................................................................................60

Выводы второй главы..................................................................................................................................................94

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И МОДЕЛИ КОМПЛЕКСНОЙ ДИАГНОСТИКИ

МОЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНИ........................................................................................................95

3.1. Формирование информативных диагностических критериев..........95

3.2. Визуализация диагностической информации............................................................103

3.3. Логические модели диагностического процесса..................................................109

3.4. Алгоритмизация диагностического процесса на основе комплексной визуализации информации........................................................................116

Выводы третьей главы....................................................................................119

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ И АПРОБАЦИЯ В КЛИНИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ..................................................................................................................................................................120

4.1. Структура автоматизированной системы диагностики острой урологической патологии........................................................................................................................120

4.2. Компьютерный атлас ультрасонограмм..........................................................................124

4.3. Результаты апробации в клинических условиях..........................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................................................136

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основная цель отечественной и мировой урологии как прикладной клинической части медицинской науки - стремление к достижению профилактики урологических заболеваний. Там, где добиться этого не позволяют социальные причины и недостаточность наших знаний, важна система ранней диагностики урологических заболеваний. Ранняя диагностика обеспечит своевременное лечение, основополагающими принципами которого являются: 1) идти от простого к сложному; 2) максимально приблизиться к мечте больного и врача - лечить быстро и надежно. При этом большую роль играет профилактика рецидивов урологических заболеваний, что требует учета взаимодействия компенсаторных систем организма на общем, органном, клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. По сути это и есть вечная генеральная концепция всей медицины, в том числе и урологии [17].

Анализ общих принципов развития медицинской науки позволяет отметить, что дальнейшее развитие урологии будет характеризоваться и во многом определяться прежде всего широким использованием в научной и практической урологии достижений медицины в целом, а также биологии, физики, химии, медицинской кибернетики, техники, скоростью внедрения этих достижений в практику через совершенствование имеющихся и создание новейших методов диагностики и лечения урологических заболеваний [45].

Настоящее состояние охраны здоровья матери и ребенка требует от общества, как бы оно не развивалось, повышения внимания ко всем возможным путям предотвращения, современной диагностики и лечению заболеваний женщин и детей, среди которых существенное место занимают урологические заболевания.

Отрицательные демографические сдвиги в нашей стране, происшедшие за последние годы, выявили тенденцию общего постарения населения на фоне

общемировой тенденции к увеличению средней продолжительности жизни [45]. В результате на государственный уровень вышла проблема профилактики и своевременной диагностики болезней старости, к которым причисляются некоторые урологические заболевания.

С ростом урологических заболеваний особо актуальной стала проблема быстрой и точной диагностики этих заболеваний на ранних стадиях. Достигнуть поставленной задачи можно, использовав качественно новый, кибернетический подход к решению данной проблемы.

С учетом внедрения новых методов лучевой диагностики (ультразвуковое исследование (УЗИ), компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ)) в урологии пересмотрена роль традиционных методик обследования больного, включая рентгенологическое и эндоскопическое, которые при отдельных видах острой урологической патологии утратили приоритетную роль.

Перспективным направлением в диагностике урологических заболеваний является использование новых диагностических технологий на основе визуализации информации, логических моделей и алгоритмов процессов диагностики, которые помогут сократить время диагностики, повысят вероятность правильного диагноза, появится возможность наиболее рационального ведения больного при необходимости с применением методов щадящей хирургической коррекции, уменьшить время пребывания больного в стационаре, повысить уровень реабилитации.

Мочекаменная болезнь является широко распространенным заболеванием, краевой патологией Воронежской области. Основной причиной заболеваемости является нарушение общего обмена веществ в организме человека и минерального обмена в частности [8], корни которой кроются в неблагополучных факторах окружающей среды: загрязненном воздухе, воде.

Воронежская область по загрязненности окружающей среды стабильно

занимает одно из первых мест среди регионов России. По данным областного и городского комитетов экологии и природных ресурсов ежегодно выбросы вредных веществ в атмосферу области уже превысили 700000 тонн. В выбросах промышленных предприятий содержится более 100 различных ядов. Суммарная масса выбросов от стационарных источников в г.Воронеже в 1993 году составила 28,699 тысяч тонн. Ежегодно в открытые водоемы области сбрасывается около 700 млн.куб.м., из которых 25,9 млн.куб.м. сбрасывается совсем без очистки. Вода в Воронежском водохранилище содержит повышенные концентрации нефтепродуктов, железа, аммиака, фосфора, нитратов, меди, цинка [28]. Не случайно повышается интенсивность исследований самых различных аспектов данной проблемы, а наряду с использованием новых диагностических технологий, в работе рассматривается информационный мониторинг мочекаменной болезни, основанный на моделировании и прогнозировании динамики заболевания мочекаменной болезнью с помощью ГИС-технологий.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета.

Целью диссертации является разработка и научное обоснование методов прогнозирования, моделей и алгоритмов автоматизированной комплексной диагностики мочекаменной болезни на основе визуализации информации и ГИС-технологий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ современных методов диагностики острой урологической патологии;

создать информационный мониторинг по заболеваемости мочекаменной

I

разработать методы, модели и алгоритмы диагностического процесса мочекаменной болезни на основе комплексной диагностики и визуализации информации;

разработать структуру автоматизированной системы диагностики острой урологической патологии;

сформировать компьютерный атлас типовых ультрасонограмм верхних мочевых путей при острой урологической патологии;

провести клиническую апробацию автоматизированной системы диагностики острой урологической патологии, проанализировать эффективность ее использования.

Методы исследования. В данной диссертации для решения поставленных задач были использованы основные положения теории управления биологическими и медицинскими системами, математической статистики, методы системного анализа, группового ранжирования, логического моделирования, математико-картографического анализа и ретроспективного анализа отчетных и учетных данных по заболеваемости мочекаменной болезнью областного бюро по медстатистике.

Научная новизна. Основные результаты диссертации, выносимые на защиту и имеющие научную новизну, состоят в следующем:

структурная схема интеграции математического моделирования и процедур геоинформационных систем для комплексного автоматизированного медицинского кадастра, отличающаяся возможностью визуализации пространственных взаимосвязей объектов исследования;

прогностические оценки уровня заболеваемости мочекаменной болезнью по районам Воронежской области и математические модели динамики, позволяющие разрабатывать и осуществлять планирование лечебно-

профилактических мероприятий в системе управления здравоохранением;

информативные диагностические критерии мочекаменной болезни на основе экспертной информации, обеспечивающие формирование диагностического процесса при сокращении объема обследований;

логическая модель обследования и диагностики при мочекаменной болезни, ориентированная на рациональное решение и отличающаяся простой машинной реализацией в рамках автоматизированной системы;

алгоритм комплексной диагностики на основе визуализации информации, обеспечивающий наиболее целесообразный диагностический поиск;

компьютерный атлас типовых ультрасонограмм верхних мочевых путей при острой урологической патологии, позволяющий машинным способом осуществлять визуальную трансформацию информации при диагностике заболеваний;

структура, информационное и программное обеспечение автоматизированной системы, обеспечивающая более точную диагностику на основе комплексной диагностики и визуальной трансформации.

Практическая значимость и результаты внедрения. Предложены методика и технология комплексной диагностики острой урологической патологии на основе разработанных алгоритмов и логических моделей.

Результаты исследований в виде информационного и программного обеспечения автоматизированной системы комплексной диагностики внедрены в урологическом отделении и в отделение функциональной диагностики Воронежской городской клинической больницы "Электроника". Материалы диссертации используются в учебном процессе межвузовской кафедры "Системного анализа и управления в медицинских и педагогических системах" ВГТУ при обучении студентов специальности 19.05.00 - "Биотехнические и медицинские аппараты и системы".

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

областной научно-практической конференции "Диагностика и новые технологии в здравоохранении" (Липецк, 1997);

научно-технической конференции "Высокие технологии в технике, медицине и образовании" (Воронеж, 1997);

Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1997);

Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 1997);

научно-технической конференции "Актуальные вопросы обеспечения качества медицинской помощи. Аккредитация и лицензирование медицинской и фармакологической деятельности" (Воронеж, 1998);

Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, изложена на 137 листах машинописного текста, содержит список литературы из 117 наименований, 52 рисунка и 18 таблиц. В приложении представлены акты внедрения.

Во введении обоснована актуальность данного исследования, сформулированы цель, задачи и методы исследования, их научная новизна, определена практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении работы.

Первая глава посвящена анализу существующих методов диагностики при острой урологической патологии, рассматриваются преимущества и недостатки каждого из них. Выделяются приоритетные методы.

Рассматриваются современные перспективные направления повышения эффективности диагностического процесса на основе высоких медицинских технологий.

Показано, что системный подход к диагностике заболеваний предусматривает необходимость комплексного применения принципиально различной аппаратуры, позволяющей получать объективную информацию об анатомо-топографических изменениях в функциональном состоянии внутренних органов и систем человека, а внедрение в урологическую практику интеллектуальных возможностей современных компьютеров и компьютерных технологий позволяет строить высокоэффективные диагностические и обучающие программы [44].

Обосновывается необходимость использования новых диагностических технологий на основе компьютеризации, визуализации информации, логических моделей и алгоритмов диагностики острой урологической патологии.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе формируется структура и математические модели информационного мониторинга мочекаменной болезни по районам Воронежской области на основе ГИС-технологий. Отражена динамика уровня заболеваемости за период с 1990 г. по 1998 г., произведен прогноз по заболеваемости мочекаменной болезнью населения Воронежской области по районам и сравнение с уровнем заболеваемости по области в целом. В результате выявлены группы районов с повышенным и пониженным уровнем заболеваемости, общая тенденция заболеваемости.

В третьей главе уделяется внимание вопросу формирования наиболее информативных диагностических критериев ультразвукового исследования для

пациентов с подозрением на мочекаменную болезнь на основе группового ранжирования, что является основой для выработки алгоритмов диагностического поиска. Рассматриваются методы визуализации диагностической информации при мочекаменной болезни. Подчеркивается приоритетная роль УЗИ, как информативного, наиболее безвредного и быстрого метода диагностики. Предлагается логическая модель обследования больного при подозрении на мочекаменную болезнь и алгоритм комплексной диагностики на основе визуализации информации и выбора наиболее рациональной тактики ведения больных.

Четвертая глава посвящена практической реализации результатов исследования и их апробации в клинических условиях. Рассматривается структура автоматизированной системы диагностики острой урологической патологии, формируется компьютерный атлас типовых ультрасонограмм верхних мочевых путей при острой урологической патологии, позволяющий машинным способом осуществлять визуальную трансформацию информации при диагностике заболеваний.

Показано, что в результате внедрения автоматизированной системы острой урологической патологии в клиническую практику Воронежской областной клинической больницы "Электроника" сокращается время постановки диагноза, более активной становится тактика ведения данной категории больных, что, в свою очередь, сокращает время пребывания пациента на койке в среднем до 15 %.

В заключении изложены основные результаты исследования и внедрения.

ГЛАВА 1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИКИ ОСТРОЙ УРОЛОГИЧЕСКОЙ ПАТОЛОГИИ

1.1. Анализ методов диагностики острой урологической патологии

Внедрение достижений научно-технического прогресса в �