автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизированное рабочее место медицинского специалиста в области сосудистой патологии (Программно-аппаратное обеспечение)

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи

БУРЦЕВ ЕВГЕНИЙ ВСЕВОЛОДОВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО МЕДИЦИНСКОГО СПЕЦИАЛИСТА В ОБЛАСТИ СОСУДИСТОЙ

ПАТОЛОГИИ

(Программно-аппаратное обеспечение)

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования.

05.13.11.-Математическое программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в ВЦ РАН.

Научный руководительгкандидат технических наук, Торгов Ю.И.

Официальные оппонентыгдоктор технических наук, профессор Рякин О.М.

кандидат технических наук, ' Любимов Б.О.

Ведущая организация:Научный Центр Хирургии

Российской-Академии Медицинских Наук.

Защита состоится 30 марта 1994 в_часов

на заседании Совета по защите докторских диссертаций Д.053.12.12 в Московском государственном горном университете по адресу:117 935 Москва, Ленинский проспект д. 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "_"_1994

Ученый секретарь Совета по защите докторских диссертации д.т.н. профессор Торхов В.Л. }—,

Г у -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность. Создание медицинского инструментария, позволяющего использовать современные достижения в различных областях знаний, для обнаружения, лечения, и, самое главное, предупреждения заболеваний является актуальной задачей. Массовое распространение персональных ЭВМ, их производительность и относительно низкая стоимость позволяют создавать на их базе автоматизированные проблемно-ориентированные рабочие места, помогающие специалистам принимать обоснованные решения на основе человеко-машинного анализа большого объема необходимой информации за достаточно короткое время. Разработка автоматизированного рабочего места врача в области сердечно-сосудистой патологии является именно такой актуальной задачей. , !

Цель работы - разработать и реализовать требования к программно-аппаратному комплексу на базе ЭВМ типа IBM PC 286, 386 и прибора ТА-1, позволяющие создать автоматизированное рабочее место врача в области сердечно-сосудистой патологии (АРМ ССП).

В результате тесного взаимодействия с медицинским персоналом, работающим в области исследования сердечно-сосудистой патологии, были совместно сформированы требования к прибору, измеряющему скорость изменения кровянного давления в сосудах пригодного для диагностирования выше указанных патологий. Требования к прибору вышли за рамки обычного измерения давления в сердечно-сосудистой системе при изменении внешнего давления. Несовершенство методов диагностики на основании этих измерений вызвало необходимость разработки прибора, позволяющего врачам-исследователям отслеживать наиболее информативные параметры, что в свою очередь потребовало достаточную гибкость в алгоритме обработки получаемых данных. Необходимо было предоставить возможность наблюдения за изменением снимаемых параметров от различных лечебных воздействий на больного, а также наблюдений во времени за характером протекания болезйи. Все это требовало ведения базы данных на каждого пациента, содержащей данные о истории болезни и информации о реакции больного на различные виды воздействия на пациента. Необходимо также было предоставить врачу-исследователю возможность: формирования новых

параметров диагностирования, включая различные методы диагностирования для набора статистики; иметь наиболее выверенную на настоящий момент систему диагностических программ, работающих на базе статистических данных, вводимых врачом и представляющих собой основу базы знаний о различных классах заболеваний. Прибор должен обеспечивать возможность обследования больного медицинским персоналом средней квалификации, и, при отклонениях от нормы, диагностировать его заболевание (по определенным классам заболеваний).

Практически требования к прибору переросли в требования к типовому рабочему месту медицинского работника в узкой области сосудистой патологии.

Перечисленные выше требования определили необходимость автоматического съема данных тахоосциллогрфического обследования и введения их в универсальную информационно вычислительную систему с достаточно развитым системным и прикладным математическим обеспечением, имеющим "дружественный" интерфейс с пользователем.

Научная новизна. На основании проведенных исследований разработаны требования к програмно-аппаратному обеспечению АРМ ССП:

1. возможность использования как для клинической диагностики, так и в исследовательских целях;

2. модульность структуры математического обеспечения, позволяющая максимально удовлетворять потребности конкретного пользователя;

3. наличие встроенной базы данных, позволяющей производить статистический анализ результатов (как средствами системы, так и с помощью стандартных статистических пакетов);

4. наличие подсистемы распознавания образов, позволяющей оценивать полученные данные врачу, не являющемуся специалистом в области тахоосциллографии;

5. С использованием программно-аппаратного комплекса разработан ряд медицинских методик диагностики состояния сердечно-сосудистой системы:

- методика скрининговой диагностики состояния сердечно-сосудистой системы;

- методика мониторингового наблюдения за больными в отделениях

реанимации; , ' ,

- методика одномоментной билатеральной тахоосциллог'рафии для оценки адекватности и эффективности лекарственной терапии.

Практическая значимость. Разработаны, реализованы и внедрены: • - структурная схема АРМ ССП, обеспечивающая полную автоматизацию процесса обследования больного,

- математическое и программное обеспечение АРМ ССП в составе:

1. монитор поддержки пользовательского интерфейса, построенный по принципу "меню" и снабженный контекстно-чувствительной подсказкой;

2. программа управления приемом данных и их визуализации в реальном масштабе времени; |

3. система оценивания тахоосциллограмм (ТОГ) и получения формализованного заключения; I

4. встроенная база данных, позволяющая сохранить информацию о проходящем обследование пациента;

5. система расчета и сохранения в базе данных набора основных параметров отдельной ТОГ;

6. система статистического анализа накопленных данных для различных групп испытуемых;

7. система, позволяющая вводить новые параметры диагностики. Перечисленные компоненты обеспечивают поддержку технологии

проведения обследований в самом широком спектре приложений. По теме работы получено два авторских свидетельства: • "Устройство для измерения параметров кровотока."

- "Способ определения состояния утомления организма." Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее

результаты были доложены и обсуждены на:

- семинаре отдела информационных структур ИПК РАН (1993 г.); •семинаре отделения вычислительной техники Московского научно-

исследовательского телевизионного института (1993 г.);

-семинаре отдела проблем искусственного интелекта ВЦ, РАН (1994 г.); |

-семинаре СП "Центрон" г.Тверь (1993 г.) -семинаре кафедры пропедевтики при 2 МОЛГМИ (1991 г.) -выставке-семинаре "Компьютерные системы в медицине", г. Пере-

яславль-Залесский (1993 г.) •

Публикации . По материалам диссертационной работы опубликовано 2 работы и получены два авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 50 наименований и 2 приложений. Основное содержание работы изложено на 90 страницах, включая 42 рисунка и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении сформулированы актуальность, история создания работы, отмечены достоинства неинвазивного средства диагностики по сравнению с широко распространенными методами диагностики сердечнососудистых патологий, изложены основные требования к комплексу и представлены основные результаты работы.

В первой главе излагаются основные принципы работы аппаратно-программного комплекса. Сфомулированы требования к разработке аппаратной и программной частям комплекса. Изложена физическая модель методики снятия тахоосциллограмм и решения проблемы измерения входного сигнала с необходимой точностью на малоразрядных ЭВМ.

В основе метода снятия тахоосциллограмм лежит измерение изменения давления в замкнутой пневматической манжете, пережимающей находящуюся под ней артерию при накачивании манжеты от внешнего источника давления. При расширении объема артерии в момент прохождения пульсовой волны внутренний объем замкнутой манжеты несколько уменьшается за счет передвижения одной из стенок манжеты, ближней к артерии. При этом внутреннее давление в манжете возрастает. Производная этого изменения давления, характеризующая скорость движенеия стенок артерии при прохождении пульсовой волны, является информативным параметром тахоосциллограммы. При использовании стандарных медицинских манжет, надуваемых в диапозоне давлений 0-200мм.рт.ст. изменив внутреннего давления при прохождении пульсовой волны, может составить от нескольких долей процента до нескольких процентов внешнего давления. Снятие сигнала с помощью датчика абсолютного

давления, как это делается в обычном' тахоосциллографе, представляло

I

ряд трудностей при необходимости обеспечения точности оцифровки 0,5% от полезного сигнала. Доступные в то время АЦП (8 двоичных разрядов) обеспечивали точность оцифровки 0,5% от всего сигнала. Необходимая_точность АЦП,обеспечивающего точность порядка у,5% от :ролезвого сигнала, с учетом выше .сказанного, должна была бы быть 1516 двоичных разрядов, что было абсолютно нереально на до^ггупной отечественной элементной базе.Второй подход к решению задачи лежал в выделение переменной части входного сигнала на дифференциальном усилителе,что привело бы к использованию аналогового усилителя сложной конструкции с коэффициентом усиления >200, склонного к самовозбуждению и, как следствие, привело бы к искажению сигнала, что могло в свою очередь привести к потере возможно ценной Информации уже на этапе ввода сигнала в ЭВМ.

Была проведена исследовательская рабрта, в результате которой задача получения оцифрованного полезного сигнала с заданной точностью была решена, что составило предмет заявки на авторское свидетельство. (Авторское свидетельсьво N1616598 от 1 сентября 1991 "Устройство для измерения параметров кровотока"). На основании анализа эквивалентных схем элементов, генерирующих исследуюмый сигнал была разработана дифференциальная схема включения датчика давления, позволяющая повысить отношение полезного сигнала к шуму в 60 раз.

Паралельно были проведены исследования обеспечивающие уменьшение динамической ошибки измерения при многоканальной оцифровке, возникающие из-за сдвига по времени в оцифровке сигналов с различных каналов. ¡Бьц^,разработан микропрограммный контроллер, обеспечивающий ускорениец1получения оцифрованных значений с 8 каналов с|о сдви-

гом во времени,определяемым только быстродействием собственно! АЦП.

Допрлнительным достоинством разработанного контроллера является расширение динамического диапазона измерений на 6 двоичных разрядов за счет использования высокоточного генератора компенсационного сигнала на базе 12 разрядного ЦАП Рис.1.

Подробно описывается фукционирование разработанного контроллера. Преставлена блок-схема работы контроллера по взаимодействию с пневматическим модулем. Также описывается взаимодействие программных модулей с аппаратной частью системы.

Рис.1.

Изложены основные характеристики программного обеспечения, подробно описываются возможности отдельных модулей программного обеспечения. Представлена блок-схема взаимодействия программных модулей. Приведены копии экранов пользовательского интерфейса в различных точках работы программы, которые наглядно отображают работу системы с пользователем.

000604 Б

Я*

ШШмц, | ---<*«>

прлвлл

Рис.2а.

В конце главы, представлены, в качестве основных результатов работы программы по съему и предварительной обработке данных, приводиться пример нативной тахоосциллограммы в виде огибающих и диаграмм Рис.2а и 26.

Рис.26.

Вторая глава посвещена информационно-интеллектуальному обеспечению АРМ ССП. В первом параграфе изложена структура работы программы по вычислению основных признаков тахоосциллограммы.

Во втором параграфе представлены основные положения при построении решающих правил на основе классификации в пространстве признаков.В первой части описывается постановка задачи и приводится краткий обзор методов принятия решений. Обоснован о параллельное применение метода распознавания с учителем и метода логического распознавания. Анализируются различные методы распознавания с учителем.

Предлагается и описывается синтез двух альтернативных методов: метода, основанного на использовании аппарата нечетких множеств и метода, использующего иерархические решающие правила, в задаче

скрининг-анализа сосудистых заболеваний. Излагаются принципы построения решающего правила в классификации с использованием аппарата нечетких множеств. Описываются основные положения формирования пользовательского диагностического файла, который формируется пользователем системы для введения своих собственных эмпирических наработок в области компьютерной тахоосциллографии.В подразделе, относящемся к методу иерархических решающих правил, изложен подход к решению задачи распознавания классификаций с помощью этого метода.

В третьем параграфе главы второй излагаются особенности реализации АРМ ССП. Описывается работа программы по вычислению основных признаков тахоосциллограммы, приведена сводная таблица признаков, вычисляемых программой автоматически. Описывается принцип построения Диагностичесикх Таблиц (ДТ) и работы программы по выдаче формализованного заключения на основе анализа ДТ, приведено краткое описание программной реализации.Описываются функции программных модулей, работающих по методу распознавания нечетких множеств, и программная реализация решения задачи , распознавания по методу иерархических решающих правил.

Изложенная методика реализована в программе анализа данных и распознавания образов "PATTERN", примененной для постановки диагноза на основании данных тахоосциллограммы. В процессе решения этой задачи программа использовалась как по "прямому" назначению (для распознавания), так и для уточнения классификации и поиска ранее неизвестных информативных признаков (параметров тахоосциллограммы). Входные данные (обучающая выборка и материал дли распознавания) представляются в виде файла базы данных в формате (1ВАУЕ, где объектам соответствуют записи файла, а признакам - ноля записи. Файл должен содержать поля-классификаторы, причем может быть задана как исключающая, так и пересекающаяся классификация. Можно даже задать несколько различных классификаций, но одновременно используется, конечно, только одна из них.

По умолчанию все числовые поля базы данных, не указанные как классификаторы, считаются признаками и используются для распознавания. Разумеется, можно исключить некоторые признаки или сформировать новые, вычисляемые на основании значений других

признаков (например, как их сумма или разность). Записи, помеченные как удаленные или не имеющие помеченных значений в полях-классификаторах, не включаются в обучающую выборку и считаются заданием на распознавание (классификацию).

На основании предъявленной обучающей выборки для каждого признака программа расчитывает узкополосую гистограмму распределения (64-256 уровней) как по всей выборке, так и для каждого класса в отдельности. Для получения оценки дифференциальной функции гистограмма обрабатывается адаптивным фильтром высоких частот с последующим нормированием. Полученные оценки функций распределения используются при определении информативности признаков для попарного разделения классов, на основе наиболее информативных формируются элементарные решатели, которые группируются в наборы и образуют матрицу решателей.

Если в файле имеются записи, помеченные как удаленные (задание на распознавание), то пользователю предъявляется их список (меню), после чего для выбранного объекта расчитываются и выводится на экран или печать матрица оценок Э и гистограмма принадлежности объекта классам (Рис.3). Числовые значения в изображаемых матрице и гистограмме нормируются в диапазоне -100..+100, что допускает их интерпретацию как вероятности (в %) за и против принадлежности классу. Визуальному восприятию результата призвана помогать также система цветового кодирования положительных и отрицательных значений красным и синим цветом соответственно.

Помимо этих итоговых значений пользователю предоставляется возможность в интерактивном режиме просмотреть структуру комплексного решателя для каждой пары классов (используемые признаки, их веса, вид функций распределения для каждого класса, значение признаков у распознаваемого объекта и итоговый вклад каждого элементарного решателя в 8[и]). Можно также увидеть

функции распределения каждого признака для всех классов с оценкой

»

информативности признака (сколько элементарных решателей его используют, каковы максимальный и средний вес и минимальное место решателя в комплексном решателе), что весьма полезно при отборе информативных признаков (Рис.4).

29: 1¡Коэико» в M : 6!

Рис.3.

Bules used: 13

Min po». 1 <0.33:SYMHAfiY<HNK> Пах weight Г 1 <0.931AP<)INK) Av«.weight: 0.(0

Рис.1.

Чтобы лучше представить себе характер задачи и механизм ее решения, приведены распечатки экрана во время работы программы, на которых изображены как нативная запись ТОГ, (Рис. 2а), так и результаты их классификации (Рис.3).

В левой части экрана при этом приведена структура одного из комплексных решателей, кривые функций распределения для соответствующей пары классов и значение соответствующих признаков у классифицируемого объекта (помечено вертикальной чертой на каждом графике). Цифры под чертой означают (взвешенный) ■ вклад соответствующего элементарного решателя.

В главе третьей представлены' результаты опытной эксплуатации комплекса в клинических условиях.В сокращенном виде изложены разработанные на базе АРМ ССП две медицинские методики: |

методика методика скрининговой диагностики состояния сердечнососудистой системы; !

методика одномоментной билатеральной тахоосциллографии для оценки адекватности и эффективности лекарственной терапии;

Преведены результаты испытаний программных модулей распознавания классификаций как на основе ОВ, так и в результате обследования вновь вводимых данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

- Создан аппаратно-программный комплекс диагностики периферического кровообращения, позволяющий оперативно оценивать состояние пациента в пространстве обследованных патологий.

- Разработана схема измерения пневматического сигнала с точностью 0,5% от всего полезного сигнала на 8-разрядном АЦП.

- Создан универсальный микропрограммный контроллер для ввода био-медицинской информации, позволяющий вводить любой низкочастотный сигнал по 16 каналам ввода.

- Разработан программный комплекс, позволяющий проводить обследование в автоматическом режиме, накапливать вводимую ин-формацию

I

в базе данных, уточнять влияние отдельных признаков тахо-осциллограммы на различные классификации пациентов. ;

- Разработан проблемно-ориентированный язык-интерпретатор, позволяющий пользователю запрограммировать и ввести в систему свои

собственные эмпирические наработки в области компьютерной тахоосциллографии.

- С использованием АРМ ССП разработаны медицинские методики диагностики состояния сердечно-сосудистой системы:

методика скрининговой диагностики состояния сердечно-сосудистой системы;

методика мониторингового наблюдения за состоянием больного в отделениях реанимации;

методика одномоментной билатеральной тахоосциллографии для оценки адекватности и эффективностим лекарственной терапии.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1.Бурцев Е.В.- Автоматизированное рабочее место медицинского специалиста в области сосудистой патологии (Программно-аппаратное обеспечение). Препринт ВЦКП РАН, 1993 г.

2.Бурцев Е.В..Райков А.Н., Сасорова Е.В.- Принципы разработки распознающих систем для медицинской диагностики на примере тахоосциллографического обследовагия. Препринт ВЦКП РАН, 1993 г.

Тираж 100 экз. Бесплатно.

Материал подготовлен на персональной ЭВМ в ВЦ РАН.