автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Автоматизированная система дифференциальной диагностики степени тяжести диффузного токсического зоба

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

БУРИЛИЧ Ирина Николаевна

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТЕПЕНИ ТЯЖЕСТИ ДИФФУЗНОГО ТОКСИЧЕСКОГО ЗОБА

Специальность 05.13.09 — Управление "в биологических и

медицинских системах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск-1998

Работа выполнена в Курском государственном техническом

Ведущая, организация:

Белгородский государственный университет

Защита диссертации состоится 23 декабря 1998 г. в 12 часов на заседании специализированного Совета Д 064.50.02 Курского государственного технического университета по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 20 ноября 1998 г.

университете

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Кореневский Н. А. Лисов С. П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат медицинских наук

Родионов О. В. Булгакова Е. А.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент

Довгаль В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проблему тиреотоксикоза при диффузном токсическом зобе врачи рассматривают не только как эндокринологическую, но в значительной мере как кардиологическую. Это определяется тем, что тиреотоксикоз часто сопровождается поражением сердца той или иной степени выраженности. Патология сердца при тиреотоксикозе нередко является ведущей в клинике заболевания и часто приводит к утрате трудоспособности. При этом у больных, помимо выраженных субъективных признаков заболевания таких как выраженная слабость, одышка, ощущение сердцебиений, имеют место и объективные симптоты в виде ускоренной частоты сердечных сокращений, неспецифических изменений на электрокардиограмме, эхокардиограмме.

Однако хорошо известно, что степень ускорения пульса при тиреотоксикозе зависит от двух составляющих: первый - это адренергический (симпатоадрена-ловый) и второй - тироксиновый компонент за счет влияния тиреотропных гормонов. Степень адренергического контроля хронотропной функции сердца у больных тиреотоксикозом сохраняется, но оказывается значительно меньшей, чем у здоровых людей. Поэтому при лечении диффузного токсического зоба врач сталкивается с большими трудностями при оценке эффективности терапии с позиций снижения степени токсикоза по данным простого подсчета частоты сердечных сокращений. Тем более, что известна возможность достижения одной и той же средней частоты сердечных сокращений при помощи различных способов организации внутренней структуры ритма сердца. В связи со сказанным представляется весьма-актуальным использование математических методов обработки временной упорядоченности пульса у больных диффузным токсическим зобом для решения задач оценки степени тяжести последнего.

А это в свою очередь определяет то, что разработка принципов формирования системы информативных признаков, методов и алгоритмов автоматизированной диагностики степени тяжести и функциональных характеристик больных диффузным токсическим зобом с использованием математических методов, позволяющих повысить эффективность диагностического процесса и оптимизировать лечебные мероприятия, является актуальной проблемой.

Целью диссертации является повышение качества принятия решений при диагностике степени тяжести пациентов, страдающих диффузным токсическим зобом посредством разработки автоматизированной системы принятия решений по характеристикам переходных процессов в регистрируемых ритмокар-диосигналах,

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику дифференциальной диагностики степени тяжести при заболеваниях диффузным токсическим зобом;

- разработать алгоритм выделения информативных признаков по переходным процессам, отражаемым ритмокардиосигналами;

- разработать метод синтеза решающих правил с нечеткой классификацией многомерных данных в двумерных классификационных пространствах;

- синтезировать решающие правила диагностики степени тяжести при заболеваниях диффузным токсическим зобом.

Методы исследования. В работе использованы элементы теории распознавания образов, математической статистики, теории моделирования и нечетких множеств.

Научная новизна. 1. В диссертационной работе разработана методика дифференциальной диагностики степени тяжести при диффузно токсическом зобе на основании информации, получаемой в процессе перехода системы регулирования ритма сердца с одного уровня функционирования на другой.

2. Разработаны алгоритмы выделения информативных признаков через ряд специально вводимых показателей по переходным процессам, содержащимся в упорядоченных во времени межпульсовых интервалах.

3.Разработаны методы синтеза решающих правил с нечеткой классификацией многомерных данных в двумерных классификационных пространствах.

4.Предложены новые математические модели для классификации степени тяжести больных диффузным токсическим зобом.

Практическая ценность. Разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение позволяют поднять на новый уровень качество медицинского обслуживания населения. В частности позволяют повысить достоверность решений по диагностике степени тяжести больных диффузным токсическим зобом.

Реализация. Разработанные методы, алгоритмы и программы переданы в опытную эксплуатацию в медицинские учреждения г.Белгорода и используются в учебном процессе кафедры "Биомедицинских и информационно-технических аппаратов и систем" Курского государственного технического университета и медицинском факультете Белгородского государственного университета.

Апробация. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (г.Рязань), на IV Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии" (г.Курск), на международной конференции "Медико-экологические информационные технологии" (г. Курск), на научно-технических семинарах Курск ГТУ и Белгород ГУ (1997-1998г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка литературы. Основная часть работы изложена на 102 страницах машинописного текста. Работа содержит 1 приложение, и 16 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, определяются цели и задачи исследования, кратко передается содержание глав диссертации.

Глава I посвящена характеристике состояния проблемы в области создания и использования автоматизированных диагностических систем. Показывается, что повышение качества диагностики, особенно в сложных случаях может достигаться на пути использования современных компьютерных технологий.

В п.1.1 на основании анализа литературных данных показывается, что повысить качество диагностики степени тяжести заболевания диффузно токсическим зобом можно путем разработки новых методологических приемов по получению информативных признаков и соответствующих решающих правил для автоматизированных диагностических систем,

В п.1.2 определяются пути достижения поставленной цели и определяются соответствующие задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке моделей принятия решений для диагностики степени тяжести заболеваний диффузным токсическим зобом в условиях сложной структуры исходных данных и диагностируемых классов.

В п.2.1 разрабатываются методические основы диагностики степени тяжести при заболеваниях диффузным токсическим зобом и общая структура системы.

Для исследований различных функциональных состояний пациента и степеней тяжести заболеваний предлагается специальная методика, включающая непрерывную регистрацию временной упорядоченности пульса в процессе последовательного выполнения анткортостатической пробы на специальном поворотном столе.

Актиортостатическая проба позволяет смоделировать нагрузку объемом правого желудочка и недогрузку объемом левого желудочка. Возникающие при этом переходные процессы обусловлены интракардиальными адаптационными механизмами, включающими и вегетативное обеспечение с динамикой внутренней структуры ритма сердца.

Проба включает четыре последовательных положения: исходное горизонтальное, вниз головой под углом 30 градусов, вертикальное и возврат в горизонтальную позицию. В каждом из положений осуществляют непрерывную регистрацию 100 межпульсовых интервалов в переходном процессе и еще по одной регистрации в каждом из положений в установившемся режиме.

На рис.1 представлена обобщенная структура предлагаемой автоматизированной системы.

Рис, 1.

Информация о пульсовой волне пациента через датчик пульса и драйвер связи формируется во входном файле системы. После регистрации 100 ударов в работу включается алгоритм выделения информативных признаков, который формирует данные для блока решающих правил, где реализуется диагностическое заключение. В базе данных накапливается информация о пульсовых интервалах, о списке и значениях информативных признаков, о реализуемом диагностическом заключении, а также электронная медицинская карта на пациента. С помощью интерфейса пользователя врач может наблюдать графики пульсограмм, характеризующих состояние пациента, выделять на них характерные участки для проведения специальных расчетов, выводить список и значения полученных информативных признаков, результат работы решающих правил, вводить в электронную карту пациента необходимые сведения и читать различные ее разделы, обращаться к справочнику по рекомендуемым методам коррекции состояния пациента.

Получив соответствующую диагностическую информацию, врач, исходя из собственного опыта и (или) пользуясь советами системы, назначает процедуры коррекции состояния пациента.

В п.2.2 рассматриваются вопросы разработки алгоритма выделения информативных признаков по переходным процессам ритмокардиосигналов.

Анализ кардиоциклов, формируемых в соответствии с разработанной методикой проведения исследований по диагностике диффузного токсического зоба при различных функциональных состояниях пациента, позволил выделить два различных их типа.

Первый тип характеризуется высокой дисперсией получаемого сигнала с

Второй тип имеет ярко выраженный переходный процесс с изменяющимися характеристиками при смене положения испытуемых (рис.3). Я *

01а 2 в 3 с 4 d N

Рис.3.

Для выделения информативных признаков из сигналов первого типа предлагается способ оценки параметров на основе ранжирующей процедуры по точкам переключений исследуемого сигнала.

Ранжирование параметров сигнала по точкам переключений основано на выделении из исследуемых процессов комплекса показателей (периодометри-ческих, частотных, амплитудных, планометрических, ассиметрических и др.), различные временные составляющие которых рассчитываются относительно точек переключения сигнала и ранжируются по убыванию скорости их изменения.

В качестве точек переключения могут быть выбраны точки перегибов, нарушения монотонности, минимумов, максимумов, разрывов и т.д. Ранжирую-

щая процедура использует специальный оператор переключения в^, для которого у определяется как порядковый номер точки в *-ом ранге.

Ранги определяются и упорядочиваются по номеру «скоростных» составляющих, образующих исследуемый процесс. Будем считать, что точки отсчета первого ранга формируются после обработки оператором переключения исходного сигнала =Л, (£=0), а точки отсчета каждого последующего ранга - при применении оператора переключения к точкам переключения предыдущего ранга.

Оператор переключения будем определять индикаторной функцией вида:

(1, при наличии переключения в .к - ом ранге; 9= т. (О

(0, при отсутствии переключения,

т.е. оператор 6\к определен только в моменты переключения сигнала или его рангов.

Выражение для у'-го элемента решетчатой функции к-го ранга определим следующим образом:

= (2)

Моменты времени переключения для исследуемого сигнала и его рангов определяются по формуле:

^к^^к- (3)

Полученные двойки будем в дальнейшем использовать как

точки отсчета для /-го участка к-го ранга при построении различных характеристик (0, отражающих те или иные свойства исследуемого сигнала.

Динамические свойства изучаемых характеристик удобно описывать с помощью элементарной ступенчатой функции:

' __ • (4)

[О, если г £ ТТ,

путем введения зависимости:

те

М0 = 2>лс(0, (5)

где Фд(0- величина функции исследуемой характеристики, вычисляемая для каждого участка каждого ранга. Здесь и в дальнейшем ТТ - интервал времени

Функции ф д (0 отражают различные свойства структурных составляющих исследуемых процессов для всех рангов: временные, частотные, амплитудные, ассиметрические и планометрические.

Графически функция Ц/^ (I) представляет собой ступенчатую функцию, на которой, как показали экспериментальные исследования, можно выделить участки относительно устойчивого (колебания в малых пределах) поведения параметра ф**(0» участки с большим разбросом Фу* (О» с дрейфом математического ожидания и среднеквадратичного отклонения, переходные процессы между соседними участками устойчивости. Для участка устойчивости в качестве характеристик исследуемого параметра на интервале измерения рассчитываются среднее значение М^к, средний разброс СО,* относительно среднего значения и максимальный разброс.

К участкам неустойчивого поведения будем относить участки, для которых на заданном интервале измерений Ти значения ук(0 выходят за пределы априори заданной "трубки" фиксированной ширины ДНк более чем допустимое число раз.

Для этих участков вводится ряд соотношений, которые в дальнейшем проверяются на информативность и используются как соответствующие диагностические признаки.

п-1

1. Суммарная величина скачков = (б)

И

1 « » I

2. Средняя величина скачков 828 =-- ]Г (0 - (1)|. (7)

л — 1 Н

п-1

3. Величина дрейфа ОУ = ' (8)

И

| п-1 (

4. Средний дрейф ЭЭУ =--][>]+1,к ^ ~ ^ <4 (9)

п 1

5. Приведенный дрейф РО = . (10)

Если для всех точек переключения на Ти имеет место постоянное возрастание (убывание) фд (0. величина РО стремится к +1 (-1). При нарушении монотонности фд (/) величина РО уменьшается.

6. Скорость дрейфа УО = £>Г / Ти . (11)

Формулы (8-10) чувствительны к дрейфу оценки среднего значения параметра фу* (/). При дрейфе среднего отклонения для расчета соответствующих величин необходимо отдельно оценивать величины положительных и отрицательных скачков по формулам (6-11).

Использование одних и тех же базовых точек отсчета для одного и того же

ранга при вычислении различных показателей фд(0 позволяет рассматривать

состояние объекта на у-ом интервале как точку многомерного пространства, а совокупность отсчетов создает многомерное «облако». Различным состояниям человека в целом ряде практических задач, например, в задачах распознавания стадий и степеней тяжести заболеваний, соответствуют различные «облака», что позволяет ставить задачу диагностики в терминах распознавания образов.

. Для второго варианта ритмокардиограмм вводится система показателей, характеризующих их переходные процессы.

Первый участок (пациент в состоянии покоя) считается эталонным, и он характеризуется двумя признаками

где Л| - величина М1-интервала на ¡-ом участке между соседними зубцами II.

Экспертный анализ семейства пульсограмм этого варианта позволил выделить на них четыре основных типа поведения ЯЛ-интервалов: участок с плоской вершиной и "малым" разбросом - полочку; участок с плоской вершиной, "средним" разбросом Б?^ и выше - гребешок; восходящий участок; нисходящий участок.

Для формального определения различных типов участков введем понятия фиксированного окна наблюдения т-1 = п0 / к, где п0 - число ЯЯ-интервалов за эпоху наблюдения (в нашем эксперименте по=100), к-экспериментальная константа (в нашем случае 10).

Пусть 1={1,...,п} множество текущих номеров 1-ых ИК-интервалов с величиной при ¡=[1,___,100]. Пусть б и г номера Я* такие, что они входят в одно из

введенных выше понятий (полочка, восходящий участок, нисходящий участок, гребешок). Тогда понятие полочка определяется следующей системой соотношений:

(т.е. э и г формируются как номера совпадающих амплитуд кардиоинтервалов на участке [а",а"]).

полочке; а,, АА| — информативный признак полочки I.

Понятие восходящий участок определяется системой соотношений:

ее [а?,а?], ге[а?,а?], 8 = 8 + 1,

Г = Г +1, Э < Г, Б * Г,

VI

Здесь а", а®- нижняя и верхняя границы полочки с номером V, Ът=0,7- порог по

se[b?,b?], r e[b",btB], s = s + l, r = r + l, s<r, s*r, s,re{l|Rs<Rr},

dot = dbt = Zs>

i=b? S=b|c

bBt=^->bnB, dot>rbj, bt=b?-br,

dot

BBt=5>w-R«)» VBt=BBt/b„ BA = Rtmax-Rtmin. i

Здесь b", bf - граничные значения восходящего участка; Ьпв=0,7 - порог вос-содящего участка; BBt, bt, VB,, ВА - информативные признаки восходящего участка.

Понятие нисходящий участок определяется системой соотношений:

s <= [c",cf ], г е [с",с®], s = s +1, r = r + l, s < г, s*r, s,re{l|Rs>Rr},

е? С?

dot = Z1' dct =

dot > fCj, ct=c?-c?,

dot

:ct=£ (Rw-Ri). VCt=CCt/ct> CA = Rtmax-Rtmin. i

десь с", С| - граничные значения нисходящего участка; Ьпс=0,7 - порог нис-одящего участка; CCt, ct, VCt> СА - информативные признаки нисходящего частка.

Гонятйе гребешок определяется системой соотношений:

3at<bna) & (bBt<bns) & (bc,<bnc), ь'

1« = Ць dot > faj, dt=d?-d?,

)At[i + l] = DA,[i] + 7(Ri-DAt[i]), l

)St[i +1] = DSt [i] - |[(R; - DAt[i +1]) - DSt[i]]. l

Здесь с1", <1( - граничные значения гребешка; 0А|( ББ, - нформативные признаки гребешка.

Дальнейшие исследования показали, что выделение информативных признаков из обеих вариантов рассматриваемых процессов можно осуществлять обоими предлагаемыми подходами. Например, при использовании способа рангового анализа по точкам переключений для второго варианта ритмокардио-сигналов в качестве точки переключения достаточно выбрать условие а

все остальные расчеты производить без каких-либо модификаций.

А при обработке ритмокардиограмм вторым способом практически отсутствуют характеристики типа полочки и гребешки, но ярко выраженный характер приобретают восходящий и нисходящий участки.

Блок-схема алгоритма выделения информативных признаков объединяющая оба рассмотренных способа приведена на рис.4.

На первом этапе работы алгоритма блоком 2 определяется разброс К^ на фоновом участке ритмокардиограммы за первые сто ударов сердца, и если разброс больше порогового (блок 3) поиск информативных признаков и расчет параметров переходных процессов осуществляется по способу рангового анализа (блоки 7-9). Если разброс Х12 меньше порогового, эксперт решает вопрос о целесообразности использования способа рангового анализа (РА) для получения дополнительных информативных признаков (блок 5).

Если ранговый анализ будет использован в качестве точек переключения, тс выбирается условие Я^Им (блок б). Если ранговый анализ не привлекается производится определение типа участка (блоки 10,12,14) и для каждого из ти пов вычисление информативных показателей (блоки 11,13,15 и 16). Заканчива ется процедура выделения информативных признаков расчетом параметров пе реходных процессов (блок 9).

В п.2.3 рассматриваются вопросы синтеза решающих правил с нечетко! классификацией многомерных данных в двумерных классификационных про странствах.

Учитывая сложную геометрическую структуру исследуемых классов I большую долю переходных нечетко определенных зон между классами, в каче стве базового метода классификации был выбран метод динамического конст руирования двумерных классификационных пространств. В соответствии этим методом классификация многомерных объектов осуществляется по попе ■данию отображений неизвестных объектов внутрь границ отображений клас сов, полученных на этапе обучения.

В основном варианте классификация осуществляется по жестким правила: типа попадает или не попадает исследуемый объект в область, отведенную в < под тот или иной класс У/^

Рис.4.

т

-16-

Н^Г-ёГ

ОА,|1 + 1] = ОА,И + ^-ОАгШ) 1

1

-ОБ,И ]

Г 15

С( - С( С,

I

УС, = сс, / с,

СА = Я,тах ~ К|тт

Продолжение рис.4.

В практических же приложениях часто приходится сталкиваться с вариантами, когда объект не принадлежит ни к одному отображенному классу или по-тадает на границу классов. В этом случае предлагается ввести механизм определения уверенности в принятии решения, выразив его через функцию принад-1ежности объекта к тому или иному классу или эталону в отображающем про-:транстве Ф. В качестве носителя для функции принадлежности выбирается засстояние с1к от отображения исследуемого объекта с координатами {у,0, У2°} Ю опорных конфигураций Ц класса \Ук.

В качестве опорных конфигураций в зависимости от целей и типов решаемых задач могут быть выбраны координаты центра отображений классов, шорные точки с координатами {у,2 , У-?} внутри или вне классов, скелетные ^усредняющие) линии классов (прямые линии с уравнениями типа а,У,+ а:У2 + Но = 0, ломанные линии), эталоны различных конфигураций (круги, квадраты, прямоугольники), собственно границы классов, которые в общем случае опи-:ываются уравнениями вида ^(А.Уь У2) = 0.

В этом варианте на этапе обучения специальная компьютерная программа или группа экспертов определяют семейство функций принадлежностей |ак(с1к) этносительно заданных опорных конфигураций. На этапе классификации определяются расстояния ёк от точки {у,0 , У2°} до Ц и по полученной величине определяются Далее уверенность в принятии решения определяется по отношению к ближайшей Ц.

В общем случае для Ьк определяемой аналитическим выражением ^(А.Уь У2) = 0, получаем текущие координаты множества точек принадлежащих линии Ц в соответствии с формулами. У, = Рк(А, У,), У2=Р./(А,У2),

где А- вектор параметров линии определяющей опорную конфигурацию Ц.

Далее записывается выражение для расстояния <1 от точки (У,0, У2°) до текущих точек опорной конфигурации (У,', У2')

а2 =(у,° -у')2 -у,')2 -^(а,у^)]2 +\у°2 -у^]2.

Взяв производную по У2 от последнего выражения и приравняв ее к нулю, получаем уравнение, из которого легко находим координату У2' для точки наиболее близкой к точке {у,0, У2°}.

Далее легко определяется расстояние с^ для определения цк(с1к) по формуле

В главе 3 рассматриваются вопросы синтеза решающих правил диагностики степени тяжести при заболевании диффузным токсическим зобом и обсуждаются результаты экспериментальных исследований.

В п.3.1 рассматриваются вопросы выбора информативных признаков. Учитывая сложную структуру исследуемых классов и отсутствие четких границ между классами, выбор информативных признаков производился в сочетании с изучением структуры классов, методами разведочного анализа по критерию сохранения допустимого разделения классов в многомерном пространстве признаков. В результате такого анализа в качестве информативных было выбрано восемнадцать признаков (Х]-Хц), в которые вошли амплитудные характеристики второго ранга, средние величины и средний разброс по полочкам и гребешкам и параметры нисходящих участков.

В п.3.2 рассматриваются вопросы синтеза решающих правил с использованием методов динамического интерактивного конструирования двумерных классификационных пространств. В результате обучения на выборке объемом 40 объектов на класс было получено отображающее правило вида: Ф=УГУ2,

У,=ЗХг5Х2+ХЗ-5Х4-2Х5+Х6+Х7-5Х8+Х,О+ЗХ,5-5Х,6-0,ЗХ„1, У2=ЗХ,+1,5Х,-5Х8-0,7Х9«Х1|-5Х,:+Хи+Хи+2Х|3-5Х|в-2Х,7-0,2Х,8. На рис.5 показан вид отображающего пространства.

рис.5

Здесь показаны границы уверенной диагностики с коэффициентом уверенности ку=1. Учитывая нечеткую логику принятия решений, была получена система функций принадлежностей где к-номер класса, с носителем

а - аису10 + а2кУ20 +аок ■\/а?к + а2к

-"к(<*к) = '

1, при ёк =0;

1 — 2с1ь /а^, при 0<с1к£Ьк

2(с1к-ак)2/а2, при Ьк <(1к ¿ак

О, при с!к >ак

к >

це Ьк- расстояний от границы класса со к на котором йк(^к)=0,5; ак - расстояние от границы класса ш>„ на котором Цк(с(|<)=0. При использовании метода наименьших квадратов было показано, что по-педнее выражение "хорошо" (с СКО=0,15) аппроксимирует экспертные веренности с точно установленными степениями тяжести при а^к+(1г и к=(с1к+^г)/2, где с1г - расстояние до класса ш, соседнего с классом сок. При этом ероятностная оценка в точности классификации составляет 0,9.

Предлагаемая работа посвящена решению научных и практических про-лем, связанных с повышением качества принятия решений при диагностике гепени тяжести состояния пациентов, страдающих диффузным токсическим эбом. В ходе выполнения работы получены следующие результаты:

1. Разработана методика диагностики степени тяжести и функциональных эстояний при заболеваниях токсическим зобом, отличающаяся тем, что для олучения информативных признаков используются ритмокардиосигналы, поученные в процессе перехода системы регулирования ритма сердца с одного ровня на другой. Предложенная методика позволяет повысить качество диаг-остики при снижении трудоемкости исследования.

2. Предложен алгоритм выделения информативных признаков, отличаю-;ихся тем, что на основании анализа различных типов структур ритмокардио-лгналов он позволяет выделять системы признаков, характеризующих различ-ые типы возникающих переходных процессов, что в свою очередь позволяет встроить пространство признаков для успешного решения искомой диагно-гической задачи.

3. Разработан метод синтеза решающих правил с нечеткой классификацией ногомерных данных в двумерных классификационных пространствах, позво-1ющий уменьшить зоны неопределенностей в принятии решений и приблизь логику принятия решения к врачебной логике.

4. Синтезированы решающие правила дифференциальной диагностики стегни тяжести заболеваний диффузным токсическим зобом с оценкой вероятно-ги правильной классификации не хуже 0,9.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

5. Разработанные методики, алгоритм и программы прошли экспериментальную проверку в медицинских учреждениях г.Белгорода. Опытная эксплуатация показала их высокую диагностическую надежность, удобство в эксплуатации и определила перспективность дальнейшего практического использования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Бурилич И.Н. Диалоговые медицинские диагностические системы с нечетким описанием границ разделяемых классов // Биотехнические медицинские и экологические системы и комплексы. Рязань. 1996. С. 20 — 22.

2. Пятакович Ф.А., Бурилич И.Н., Жилина К.В. Ритмокардиологический анализ состояния здоровья человека // Материалы докладов Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии". Курск. 1997. С. 145 — 149.

3. Бурилич И.Н., Кореневский H.A. Нечеткое представление классов в методе динамического конструирования двумерных классификационных пространств И Материалы докладов IV Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии - 98".Курск.1998. С. 130 — 133.

4. Попечителев Е.П., Бурилич И.Н., Чепурных Т.Н. Выделение информативных признаков из ритмокардиосигналов при диагностике диффузного токсического зоба при различных функциональных состояниях // Материалы докладов IV Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии-98". Курск. 1998. С. 141 — 143.

5. Пятакович Ф.А., Бурилич И.Н. Методологические особенности получения хронофизиологической информации // Материалы докладов IV Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии-98". Курск.1998. С. 143 — 146.

Подписано к печати 18.XI.98 г. Формат 60x84'/,6- 1,0 ф. п. л. Тираж 100 экз. Заказ 3173.

Курский государственный технический университет 305040, г. Курск, 50 лет Октября, 94.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

Бурилич Ирина Николаевна

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТЕПЕНИ ТЯЖЕСТИ ДИФФУЗНОГО ТОКСИЧЕСКОГО ЗОБА

Специальность 05Л3.09

(управление в биологических и медицинских системах)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Кореневский H.A. кандидат технических наук, доцент

Лисов С.П.

Курск-1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................3

1. Аналитический обзор и постановка задачи на исследование.........8

1.1. Анализ состояния проблемы..........................................8

1.2. Постановка задачи на исследование...............................43

2. Разработка моделей принятия решений в системе дифференциальной диагностики степени тяжести диффузного токсического зоба ............................................46

2.1. Разработка методических основ диагностики степени тяжести при заболеваниях диффузным токсическим

зобом и структуры системы..........................................46

2.2. Разработка алгоритма выделения информативных признаков по переходным процессам ритмокардиосигналов......50

2.3. Синтез решающих правил с нечеткой классификацией многомерных данных в двумерных классификационных пространствах............................................................72

2.4. Выводы по главе.........................................................80

3. Результаты экспериментальных исследований........................82

3.1. Формирование пространства информативных признаков.....82

3.2. Синтез решающих правил диагностики степени тяжести

при заболеваниях диффузным токсическим зобом..............93

Выводы по главе..............................................................98

Заключение.....................................................................99

Список литературы.........................................................101

Приложение..................................................................111

ВВЕДЕНИЕ

Проблему тиреотоксикоза врачи рассматривают не только как эндокринологическую, но в значительной мере как кардиологическую. Это определяется тем, что тиреотоксикоз часто сопровождается поражением сердца той или иной степени выраженности. Патология сердца при тиреотоксикозе нередко является ведущей в клинике заболевания и часто приводит к утрате трудоспособности. При этом у больных, помимо выраженных субъективных признаков заболевания таких как выраженная слабость, одышка, ощущение сердцебиений, имеют место и объективные симптоты в виде ускоренной частоты сердечных сокращений, неспецифических изменений на электрокардиограмме, эхокардиограмме [63].

Изменения сердечно-сосудистой системы при диффузном токсическом зобе положены в основу дифференциальной диагностики степени тяжести тиреотоксикоза [12]. Так, при легкой степени пульс не более 100 ударов в минуту, потеря массы тела-3-5 кг. При средней тяжести-тахикардия до 101-120 уд/мин, потеря массы - до 8-10 кг. Тяжелая форма характеризуется пульсом более 120 уд/мин, похудание достигает степени кахексии.

Однако хорошо известно, что степень ускорения пульса при тиреотоксикозе зависит от двух составляющих: первый - это адренерги-ческий (симпатоадреналовый) и второй - тироксиновый компонент за счет влияния тиреотропных гормонов [21].

Степень адренергического контроля хронотропной функции сердца у больных тиреотоксикозом сохраняется, но оказывается значи-

тельно меньшей, чем у здоровых людей. Поэтому при лечении диффузного токсического зоба врач сталкивается с большими трудностями при оценке эффективности терапии с позиций снижения степени токсикоза по данным простого подсчета частоты сердечных сокращений. Тем более, что известна возможность достижения одной и той же средней частоты сердечных сокращений при помощи различных способов организации внутренней структуры ритма сердца [11]. В связи со сказанным представляется весьма актуальным использование математических методов обработки временной упорядоченности пульса у больных диффузным токсическим зобом для решения задач оценки степени тяжести последнего.

А это в свою очередь определяет то, что разработка принципов формирования системы информативных признаков, методов и алгоритмов автоматизированной диагностики степени тяжести больных диффузным токсическим зобом с использованием математических методов, позволяющих повысить эффективность диагностического процесса и оптимизировать лечебные мероприятия, является актуальной проблемой.

Целью диссертации является повышение качества принятия решений при диагностике степени тяжести состояния пациентов, страдающих диффузным токсическим зобом посредством разработки автоматизированной системы принятия решений по характеристикам переходных процессов в регистрируемых ритмокардиосигналах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику дифференциальной диагностики степени тяжести и функциональных состояний при заболеваниях диффузным токсическим зобом;

- разработать алгоритм выделения информативных признаков по переходным процессам, отражаемым ритмокардиосигналами;

- разработать метод синтеза решающих правил с нечеткой классификацией многомерных данных в двумерных классификационных пространствах;

- синтезировать решающие правила диагностики степени тяжести при заболеваниях диффузным токсическим зобом.

Методы исследования. В работе использованы элементы теории распознавания образов, математической статистики, теории моделирования и нечетких множеств.

Научная новизна. 1. В диссертационной работе разработана методика дифференциальной диагностики степени тяжести при диф-фузно токсическом зобе на основании информации, получаемой в процессе перехода системы регулирования ритма сердца с одного уровня функционирования на другой.

2. Разработаны алгоритмы выделения информативных признаков через ряд специально вводимых показателей по переходным процессам, содержащимся в упорядоченных во времени межпульсовых интервалах.

3. Разработаны методы синтеза решающих правил с нечеткой классификацией многомерных данных в двумерных классификационных пространствах.

4. Предложены новые математические модели для классификации степени тяжести больных диффузным токсическим зобом.

Практическая ценность. Разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение позволяют поднять на новый уровень качество медицинского обслуживания населения. В частности позволяют повысить достоверность решений по диагностике степени тяжести больных диффузным токсическим зобом.

Реализация. Разработанные методы, алгоритмы и программы переданы в опытную эксплуатацию в медицинские учреждения г.Белгорода и используются в учебном процессе кафедры "Биомедицинских и информационно-технических аппаратов и систем" Курского государственного технического университета и медицинском факультете Белгородского государственного университета.

Апробация. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (г.Рязань), на IV Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии" (г.Курск), на международной конференции "Медико-экологические информационные технологии" (г. Курск), на научно-технических семинарах Курск ГТУ и Белгород ГУ (19971998г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка литературы. Основная

часть работы изложена на 110 страницах машинописного текста. Работа содержит 1 приложение, 16 рисунков.

Во введении обосновывается актуальность работы, определяются цели и задачи исследования, кратко передается содержание глав диссертации.

Глава 1 посвящена характеристике состояния проблемы в области создания и использования автоматизированных диагностических систем. Показывается, что повышение качества диагностики, особенно в сложных случаях может достигаться на пути использования современных компьютерных технологий.

Глава 2 посвящена разработке моделей принятия решений для диагностики степени тяжести заболеваний диффузным токсическим зобом в условиях сложной структуры исходных данных и диагностируемых классов.

В главе 3 рассматриваются вопросы синтеза решающих правил диагностики степени тяжести при заболевании диффузным токсическим зобом и обсуждаются результаты экспериментальных исследований

В приложениях приводятся примеры ритмокардиосигналов в различных функциональных состояниях больных тиреотоксикозом.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА

ИССЛЕДОВАНИЕ

1.1. Анализ состояния проблемы

При изучении внутренней структуры ритма сердца используют, различные математические приемы обработки информации, полученные в различных условиях, в том числе и физических нагрузках, включая велоэргометрическую пробу. Известно, что значительные изменения претерпевает пульс при изменении положения тела в пространстве. При перемещении тела из горизонтального положения в вертикальное наблюдается перераспределение крови, в результате которого уменьшается венозный возврат к сердцу, что приводит к падению ударного объема, падению артериального давления. Это так называемый физический фактор воздействия в соответствии с законами гидростатистики. Вскоре включаются физиологические факторы, направленные на компенсацию возникших изменений. Они заключаются в рефлекторном учащении пульса, в возрастании артериального давления вследствие повышения тонуса сосудов нижних конечностей и брюшной полости [50]. Учащение пульса связано с возбуждением симпатической нервной системы. Причем возрастание его от исходной величины на 12-20 ударов считается нормальной реакцией.

Изменения показателей гемодинамики под влиянием антиортоста-тической позы носят особый характер, поскольку в отличие от орто-статической, в ней нет физиологически выработанных приспособлений. Поэтому в этой позе, довольно редко принимаемой человеком,

особенно сильно сказываются влияния силы тяжести на вегетативные функции. При перемене положения тела в пространстве наблюдается не только смещение внутренних органов, но и изменения их формы, что в свою очередь ведет к изменениям их функций.

По мнению исследователей изучавших гемодинамику при антиор-тостатической пробе на первой минуте после перевода испытуемого вниз головой отмечается увеличение венозного возврата к правым камерам сердца и, как следствие этого мобилизация парасимпатической нервной системы с замедлением ритма сердечных сокращений. Мощность сокращения миокарда возрастает, в связи с чем меняется фазовая структура систолы: длительность периода изгнания увеличивается, а время изометрического сокращения укорачивается [29,30].

В 1974 году Ф.А.Пятакович разработал автоматизированную систему с использованием специальной пробы, проводившейся у больных диффузным токсическим зобом на специальном поворотном столе и контролировавшей степень мобилизации нервной системы. Автоматизированная система включала анализатор межпульсового интервала с выходом на специальный перфоратор с телеграфным кодом. Полученную информацию на перфоленте посредством телетайпной связи вводили в ЭВМ для последующей обработки. Методы вариационной статистики и теории автоматического регулирования позволили автору дифференцировать степень подавления симпато-адреналовой активности у больных диффузным токсическим зобом и оценить качество переходных процессов сердечно-сосудистой системы при переходе с одного уровня функционирования на другой. В этих исследованиях впервые было показано, что группа больных ти-

реотоксикозом, имеющая одну и ту же частоту сердечных сокращений, не является однородной.

Проведенные автором исследования показали, что кривые распределения пульса у больных тиреотоксикозом в периоде до лечения узкие и высокие. Колеблемость пульса в 5 раз меньше, чем у здоровых. В процессе выполнения антиортостатической нагрузки колеблемость пульса становилась еще меньше. Анализ переходных процессов выявил ригидные кривые без перестройки типа регулирования и в переходном и в установившемся режиме. Подобная динамика показателей переходного процесса отражала работу центральных механизмов в режиме астатического регулирования с резким напряжением механизмов адаптации.

Такая же ситуация отмечена в ходе выполнения с ортостазом: не отмечено приращения частоты сердечных сокращений и их колеблемости, кривые распределения оставались узкими и высокими. Переходные процессы имели малую амплитуду, а величина статистической ошибки регулирования не превышала пределов ошибки измерения. Все это говорило о выраженной инерционности системы и плохих динамических характеристиках системы регулирования пульса.

В периоде после лечения переходных процесс в антиортостазе начинался с некоторого приращения частоты пульса, однако амплитуда переходного процесса в несколько раз превышала аналогичную в периоде до лечения. Возросла значительно статистическая ошибка регулирования и время достижения минимального параметра. Подобные изменения указывали на улучшение динамических характеристик

системы регулирования и о расширении границ адаптации к меняющимся гравитационным нагрузкам.

После стихания явлений тиреотоксикоза перевод испытуемых в ортостатическое положение обусловливает перестройку астатического режима в статический режим регулирования с возрастанием подвижности системы (улучшение динамических характеристик) и расширением границ адаптации.

Таким образом, изучение статистических параметров ритма сердца, переходных характеристик оказывается весьма полезным с позиций оценки системы управления ритмом сердца у больных диффузным токсическим зобом.

Однако, следует подчеркнуть, что полученные автором данные были использованы лишь для оценки динамики и эффективности фармакологического лечения диффузного токсического зоба. В то время как принципиальная возможность данного подхода для дифференциальной диагностики степени тяжести заболевания автором не была использована.

Таким образом, разработка принципов формирования системы информативных признаков, методов и алгоритмов автоматизированной диагностики степени тяжести диффузного токсического зоба для современной медицины является весьма важной и актуальной.

Существенно снизить трудоемкость исследования и повысить качество диагностики можно путем разработки новых методологических приемов по получению информативных признаков и соответствующих решающих правил для автоматизированных диагностиче-

ских систем с использованием современных информационных технологий.

На первом этапе исследования нами была выдвинута гипотеза о том, что значительное количество (если не вся) полезной информации можно извлечь из сигналов, характеризующих процесс перехода системы регулирования ритма сердца с одного уровня на другой. Проследить процесс работы системы регулирования ритма сердца можно, используя непрерывную регистрацию временной упорядоченности пульса. В процессе регистрации получается соответствующий электрофизиологический сигнал с ярковыраженными переходными процессами при смене режимов регулирования ритмов сердца. То есть получаемые данные имеют сложную статистическую природу с большим процентом (до 60%) участков нестационарностей.

В медицинской практике используется большое число различных методов и алгоритмов обработки электрофизиологических сигналов, выделения из них информативных признаков с последующим принятием тех или иных заключений.

На рисунке 1.1 приведена обобщенная классификация основных подходов к обработке ЭФС. В основу этой классификации положен вывод о том, что принято выделять параметрические и непараметрические методы анализа ЭФС [28].

Наиболее простыми из параметрических методов являются методы, основанные на измерениях "визуально наблюдаемых" параметров и характеристик исследуемых сигналов и их производных [7,60,80]. Эти методы требуют простой технической реализации, что позволяет широко использовать серийные микропроцессоры. Для выделения

Рис. 1.1.Обобщенная классификация основных подходов к обработке ЭФС

2

Продолжение рис. 1.1.

Обобщенная классификация основных подходов к обработке ЭФС

Продолжение рис. 1.1. Обобщенная классификация основных

подходов к обработке ЭФС

информативных признаков из сигналов, обладающих достаточно устойчивыми характеристиками волн, таких как электрокардиограмма, рэонцефалограмма и др, часто используют идею пропускания сигнала через ограничива�