автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Экспертная консультативно-диагностическая система по заболеваниям щитовидной железы с использованием метода "Компьютерная дермография"



- - - Ла правах рукописи -УДК 681.3:616.441-07:616.5-092-073.7

БЕРСЕНЕВА Евгения Александровна

ЭКСПЕРТНАЯ КОНСУЛЬТАТИВНО-ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПО ЗАБОЛЕВАНИЯМ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА «КОМПЫОТ'ЕРНАЯ ДЕР.МОГРАФИЯ»

05.13.09 - управление в биологических и медицинских системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских паук-

Москва 1999

Работа выполнена на кафедре медицинской и биологической кибернетики Российского Государственною медицинского университета.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор медицинских наук, профессор С.А. ГАСГ1АР-ЯН

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор В.Л. БОЯДЖЯН

доктор .медицинских наук, профессор Б.А. КОБРИНСКИИ

Ведущая организация:

Нижегородская Государственная медицинская академия

Защита диссертации состоится «_»__1999 г. в 14

часов на заседании диссертационного Совета Российского Государственного медицинского университета (Совет № К 084.14.04) по адресу: 117869, Москва, ул. Островитянова, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного медицинского университета.

Автореферат разослан «_»_ 1999 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета № К 084.14.04

кандидат медицинских наук, доцент И.В. БУРОМСКИИ

Р(//5! ,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Патология щитовидной железы (ЩЖ) занимает особое место в работе вра--чей-эндокринологов в силу ее высокой распространенноеm и частой обращаемости больных за медицинской помощью (Герасимов Г.А., Александрова Г.Ф., Внотченко С.Л., 1995). В последние годы в инфраструктуре эндокринных заболеваний прогрессируют болезни щитовидной железы (Дедов И.И., 1995).

При этом нарушения функции щитовидной железы могут проявляться разнообразной клинической симптоматикой (Хосталек У., 1996), отражающей неблагополучие различных систем организма. Поэтому врачи различных специальностей должны проявлять высокую настороженность по отношению к заболеваниям щитовидной железы, а, следовательно, обладать навыками по выявлению данных заболеваний.

Как известно, правильная и своевременная диагностика является залогом успешного лечения больного. Однако диагностика заболеваний щитовидной железы зачастую довольно трудна. Трудности в диагностике заболеваний щитовидной железы связаны с многообразием клинической симптоматики, вовлечением в патологический процесс ряда других органов и систем при поражении 1ЦЖ, а также схожестью клинической картины при различных заболеваниях ЩЖ (Ветшев П.С., Мельниченко Г.А., Кузнецов Н.С., Чилингариди К.Е., Ванушко В.Э., 1996). С наибольшими трудностями при постановке диагноза сталкиваются молодые специалисты, которые в отсутствие опыта не могут на практике использовать большую часть знаний, полученных при обучении.

Все это делает актуальной проблему организации непосредственно на рабочем месте врача интеллектуальной поддержки процесса диагностики заболеваний ЩЖ с использованием современных информационных технологий и компьютерной техники. Одним из перспективных способов организации интеллектуальной поддержки принятия решений в медицине в настоящее время являются экспертные системы (Попов Э.В., 1987; Форсайт Р.. 1987; Уотермен Д., 1989; Таунсенд К., Фохт Д., 1990; Гаврилова Т.А.. Червинская K.P., 1992; Устинов А.Г. и др., 1995).

Необходимо отметить, что окончательное формирование заключения о функциональном состоянии ЩЖ в случае тиреондлой патологии возможно лишь с учетом результатов лабораторно-инструментальных методов диагностики.

2

V

Традиционно в настоящее время для оценки функционального состояния ЩЖ применяются лабораторные методы определения уровней гормонов щитовидной железы и тиреотропного гормона (ТТГ) в сыворотке крови. При этом метода, позволяющего определять состояние функции ЩЖ, который является простым, неинвазивным и может быть использован как скрининг-метод в клинической практике нет.

В качестве такого может быть рассмотрен метод «Компьютерная дермо-1рафия» (КД) (Соломонов В.Т., Рыбченко A.A., Шабанов Г.А., 1990). Использование КД позволяет судить о функциональном состоянии как отдельных органов, так и организма в целом. Изучение диагностических возможностей метода КД в пульмонологии, кардиологии и гастроэнтерологии (Либерман Т.П., 1991; ЛипкинЮ.Г., 1993; Пономарев Ю.В., 1993; Николаиди E.H., 1996) дало положительные результаты. Исследования информативности метода КД для оценки функции ЩЖ не проводились.

Все вышесказанное указывает на актуальность исследования диагностических возможностей метода КД в плане оценки функционального состояния ЩЖ и расширения возможностей системы интеллектуальной поддержки диагностики заболеваний щитовидной железы за счет включения данных, получаемых с помощью метода КД. Цель работы.

Создание экспертной консультативно-диагностической системы по заболеваниям щитовидной железы. Задачи работы.

1. Исследовать диагностические возможности метода «Компьютерная дермография» для оценки функционального состояния щитовидной железы и включить данные, получаемые с помощью метода, в создаваемую экспертную систему.

2. Создать иерархически организованную структуру базы знаний системы, соответствующую логике диагностического процесса при патологии щитовидной железы:

■ систематизировать признаки, собираемые при диагностике заболеваний щитовидной железы, и структурировать их в виде иерархически организованного признакового пространства;

■ сформировать иерархическую структуру диагностических заключений и разработать эталонные описания заключений системы.

3. Сформировать решающие диагностические правила в виде системы порогов и весовых коэффициентов, соответствующих созданным эталонным описаниям заключений системы.

4. Провести клиническую апробацию созданной экспертной системы. Положения, выносимые на защиту.

1. Критерии оценки функционального состояния щитовидной железы для пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции щитовидной железы, по результатам обследования методом «Компьютерная дермо-графия».

2. Методика применения метода парных сравнений для определения количественной меры информативности выделенньгх разделов диагностических заключений.

3. Экспертная консультативно-диагностическая система по заболеваниям щитовидной железы.

Научная новизна.

1. Впервые исследована информативность метода «Компьютерная дермо-графия» для оценки функционального состояния щитовидной железы на основе сопоставления результатов обследования данным методом и результатов гормонального исследования крови. Предложены и включены в базу знаний экспертной консультативно-диагностической системы по заболеваниям щитовидной железы критерии оценки функционального состояния щитовидной железы на основе данных обследования методом «Компьютерная дермография» дзя пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции щитовидной железы.

2. Доказана применимость методики использования метода парных сравнений для определения относительной количественной меры диагностической информативности объектов при построении медицинских экспертных систем.

3. Разработана база знаний экспертной консультативно-диагностической системы по заболеваниям щитовидной железы.

Практическая значимость.

Предложенные критерии, базирующиеся на результатах обследования методом «Компьютерная дермография», обеспечивают диагностическое заключение для пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции щитовидной железы, по всем трем функциональным состояниям щитовидной железы с диагностической точностью 86 - 100 %.

Созданная экспертная система «ТИРЭКС» формирует диагностические заключения по заболеваниям щитовидной железы, полностью совпадающие с диагнозами эксперта-эндокринолога. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-98» (Москва, 1998), на конференции молодых ученых с международным участием «Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины» (Москва, 1998), на научных семинарах кафедры медицинской и биологической кибернетики РГМУ совместно с ПНИЛ по разработке медицинских информационных систем РГМУ в 1998 и 1999 годах. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и 5 приложений. Диссертационная работа изложена на 160 страницах и иллюстрирована 14 рисунками и 20 таблицами. Список литературы включает 203 источника, из них 119 на русском и 84 на иностранных языках.

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ МЕТОДА «КОМПЬЮТЕРНАЯ ДЕРМОГРАФИЯ» ДЛЯ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

Метод «Компьютерная дермография» (КД) разработан сотрудниками Приморского медицинского ИВЦ г. Владивостока в результате проведения фундаментальных экспериментальных исследований в области физиологии вегетативной нервной системы (ВНС). Метод КД основывается на определении активности сегментарных центров спинного мозга путем анализа распределения электрокожного сопротивления по поверхности ушных раковин (Соломонов В.Т., Рыбченко А.А., Шабанов Г.А., 1990).

Методика проведения исследований.

Получение и первичная обработка данных обследования методом «Компьютерная дермография» проводились с помощью пакета прикладных программ «Система диагностики заболеваний внутренних органов методом компь-

ютерной дермографии» (версия 4.2., 1994 г.), предназначенного для топической диагностики очагов патологии или дисфункции внутренних органов.

Выбор КД - параметров и их производных, использованных в работе для анализа, основывался на данных литературы о вегетативной иннервации щитовидной железы и структур гипофиза, связанных с выработкой тиреотропного гормона (ТТГ). Основываясь на анатомо-физиологической информации о вегетативной иннервации ЩЖ и аденогипофиза, мы включали в анализ КД - параметр, характеризующий величину локального адренергического тонуса структур, связанных с выработкой ТТГ, а также предложили использовать отношение и разность КД - параметров, характеризующих величины локальных тонусов адре-нергической и холинергической рецепции ЩЖ.

С целью исследования информативности метода КД для оценки функционального состояния ЩЖ нами было проведено 105 исследований у 84 пациентов. Группу пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции ЩЖ составил 41 человек - 5 мужчин в возрасте от 15 до 60 лет и 36 женщин в возрасте от 15 до 75 лет; в совокупности в-этой группе было проведено 61 исследование. Группу больных, получающих гормонзамещающую терапию (больные, получающие Ь-тироксин, тиреотом, тиреоидин) составили 43 пациента - 3 мужчин в возрасте от 67 до 72 лет и 40 женщин в возрасте от 16 до 85 лет; всего в этой группе было проведено 44 исследования. Исследования методом КД проводились в тот же день, когда производили забор крови для анализа на гормоны ЩЖ и тиреотропный гормон (ТТГ), в промежутке времени от 8.30 до 11 часов утра.

По результатам гормонального исследования в группе пациентов, не получающих терапию, направленную на коррекцию функции ЩЖ, было сформировано 3 подгруппы, соответствующие различным функциональным состояниям ЩЖ: гнпертиреозу, эутиреозу и гипотиреозу, соответственно. Для группы больных, получающих гормонзамещающую терапию, были выделены также 3 подгруппы: пациенты с гипертиреозом в результате неадекватно подобранной гормонзамещающей терапии (ПсГР), компенсированные пациенты в состоянии эутиреоза (КПвСЭ), пациенты с гипотиреозом в результате неадекватно подобранной гормонзамещающей терапии (ПсГ).

Для установления существенности различий между выделенными подгруппами пациентов по анализируемым КД-параметрам использовался I - критерий Стьюдента и критерий Вилкоксона-Манна-Уитни в зависимости от резулъ-

татов предшествующей проверки на нормальность. Для проверки гипотезы о том, что данные выбраны из совокупности с нормальным распределением, мы использовали критерий согласия %2.

Граничное значение параметров, позволяющих различать подгруппы для группы пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции ЩЖ. мы получали путем минимизации ошибок 1-го и 2-го рода, соответствующих ложноположительному и ложноотрицательному результатам.

При нахождении доверительных интервалов для долей (процентов) был использован метод углового преобразования Фишера (Сепетлиев Д., 1968; Пло-хинский H.A., 1970; Урбах В.Ю., 1975: Гублер Е.В.. 1978).

Оценка информативности метода «Компьютерная дермография» в плане определения функционального состояния щитовидной железы осуществлялась на основе сравнения КД-заключений, сформированных с использованием предлагаемых критериев, и результатов исследования гормонов ЩЖ и ТТГ в крови. Вычислялись чувствительность, специфичность и диагностическая точность метода КД в плане оценки функционального состояния ЩЖ.

Для автоматизации процесса статистической обработки использовался статистический пакет «Statistica for Windows» (версия 5.0). Результаты исследования.

Сравнение выбранных КД - параметров для пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции ЩЖ, в подгруппах, соответствующих разным функциональным состояниям ЩЖ по результатам гормональных исследований показало, что значения отношения и разности КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и холинерги-ческой рецепции ЩЖ у пациентов с гнпертиреозом достоверно выше, чем у ги-потиреоидных и эутиреоидных пациентов. У гипотиреоидных пациентов наблюдаются достоверно более высокие значения КД-параметра, характеризующего величину локального адренергического тонуса структур гипофиза, связанных с выработкой ТТГ (табл. 1).

Для рассматриваемых КД-параметров были найдены граничные значения. Под граничным значением здесь и далее мы понимаем такое значение параметра, которое минимизирует ошибки 1-го и 2-го рода для различаемых классов. Для КД-параметра, характеризующего величину локального адренергического тонуса структур, связанных с выработкой ТТГ различаемыми классами являются пациенты с гипотиреозом и пациенты с двумя другими функциональными состоя-

пнями; найденное граничное значение этого параметра составило 2,1 условных единиц (усл.ед.). Показатели информативности данного КД-параметра для диагностики гипотиреоза как функционального состояния ЩЖ следующие: чувствительность - 86 %, специфичность - 97 %, диаг ностическая точность - 95 %. »

Таблица 1.

Характеристика КД - показателей вегетативной регуляции ЩЖ и стру1стур гипофиза, связанных с выработкой ТТГ, для пациентов, не получающих терапию, направленную на коррекцию функции ЩЖ.

N. уодгруппа ПарачетрьГ^^ Гипертиреоз Эутнреоз Гипотиреоз Р

1 -2 2-3 1-3

(А) ттг (усл.ед.) 0.896 ±0.38 0.996 ± 0.47 3.377 ± 1.49 >0.05 <0.01 . -<0 01

(А/Х) ,„ж (отн.ед.) 6.162 ±2.26 1.914 = 0.95 1.646 ±0.77 <0 01 >0.05 <0.01

(А-Х) |ЦЖ (усл.ед.) 6.895 ±1.18 2.712 г 2.77 2.015 ±2.17 <0.01 >0.05 <0.01

Условные обозначения:

(А) т,-,- - КД-параметр, характеризующий величину локального адренергического тонуса структур, связанных с выработкой ТТГ;

(А/Х) 1НЖ - отношение КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и холинергической рецепции ЩЖ;

(А-Х) пск - разность КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и холинергической рецепции ЩЖ;

р. 1-2 - уровень значимости для различий между подгруппами пациентов с гнпертирео-зом и эутиреозом;

р 2-3 - уровень значимости для различий между подгруппами пациентов с эутиреозом и гипотиреозом;

р 1-3 - уровень значимости для различий между подгруппами пациентов с гипертирео-зом и гипотиреозом.

Для отношения и разности КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и холинергической рецепции ЩЖ различаемыми классами являются пациенты с гипертиреозом и пациенты с двумя другими функциональными состояниями; граничное значение для отношения рассматриваемых КД-параметров - 3,5 отн. ед., для их разности - 5,0 усл.ед. Показатели информативности отношения рассматриваемых КД-параметров для диагностики гипертиреоза таковы: чувствительность - 100 %, специфичность - 97 %.

диагностическая точность - 98 %; для разности - следующие: чувствительность -83 %, специфичность - 72 %, диагностическая точность - 74 %. На основании приведенных показателей информативности, нами был сделан вывод о том, что использование отношения рассматриваемых КД-параметров для диагностики гипертиреоза предпочтительнее использования с этой целью разности данных КД-параметров.

Таким образом, в результате проведенного анализа, нами были получены следующие критерии оценки функционального состояния ЩЖ для пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции ЩЖ, по результатам обследования методом КД:

■ значение отношения КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и холинергической рецепции. ЩЖ более 3,5 отн. ед. является КД-признаком гипертиреоза;

■ значение КД-параметра, характеризующего величину локального адре-нергического тонуса структур, связанных с выработкой ТТГ более 2,1 усл. ед. является КД-признаком гипотиреоза;

■ совокупное выполнение двух следующих условий: значение КД-параметра, характеризующего величину локального адренергического тонуса структур, связанных с выработкой ТТГ менее 2,1 усл. ед. и значение отношения КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и холинергической рецепции ЩЖ менее 3,5 усл. ед. является КД-признаком эутиреоза.

Показатели информативности полученных критериев для оценки функционального состояния ЩЖ и рассчитанные для них границы 95 %-ных доверительных интервалов при данном числе наблюдений приведены в таблице 2.

Сравнение выбранных КД - параметров ((А) „г, (А/Х) (А-Х) шж) для больных, получающих гормонзамещающую терапию в трех выделенных подгруппах по результатам гормональных исследований (пациенты с гипертирео-зом в результате неадекватно подобранной гормонзамещающей терапии (ПсГР), компенсированные пациенты в состоянии эутиреоза (КПвСЭ), пациенты с гипотиреозом в результате неадекватно подобранной гормонзамещающей терапии (ПсГ)) показало, что по параметрам (А) ^ (А/Х) щж нет достоверных различий между подгруппами, а по параметру (А-Х) ит наблюдается различие лишь между подгруппами ПсГР и ПсГ. достоверных же различий между этими подгруппами и подгруппой КПвСЭ нет (табл. 3). То есть среди этих параметров не су-

ществует такого, по которому наблюдались бы достоверные отличия значений в ^ какой-либо подгруппе от двух других. Таким образом; на основании рассмот-- . ренных КД-параметров ((А) г,г, (А/Х) (А-Х) щж) невозможно выработать ' критерии различения данных трех подгрупп у больных, получающих гормонза-мещающую терапию.

Таблица 2.

Показатели информативности критериев, получаемых на основе метода «Компьютерная дермографня», для оценки функционального состояния

ЩЖ.

Показатели, % Функциональное состояние щитовидной железы

Гнпертиреоз Эутнреоз Гипотиреоз

Чувствительность 100(98- 100) 96 ( 88.5 - 99,9) 86 ( 74 - 95)

Специфичность 97 (90 - 100) 92 (82 - 98) 97 (90- 100)

Диагностическая точность 98 (91 - 100) 95 (86 - 99,5) 95 (86 - 99.5)

Однако рассматриваемые КД-параметры, характеризующие вегетативную иннервацию ЩЖ были выбраны нами в качестве показателей, характеризующих обе компоненты вегетативной иннервации ЩЖ на основании априорной анато-мо-физиологической информации о вегетативной шшервации ЩЖ в условиях отсутствия получения гормонов ЩЖ извне: в условиях же получения обследованными больными гормонзамещающих препаратов нельзя было исключать возможности наблюдения различий между подгруппами по КД-параметрам, характеризующим отдельные составляющие вегетативной иннервации ЩЖ. Для проверки этой гипотезы в анализ были включены в отдельности значения КД-параметров, характеризующих адренергическую и холинергическую компоненты вегетативной иннервации ЩЖ ((А) шж и (X) ,цж. соответственно). Среди этих параметров также не существует такого, по которому наблюдались бы достоверные отличия значений в какой-либо подгруппе от двух других (табл. 3).

Таблица 3.

Характеристика КД^показателей вегетативной регуляции ЩЖ и структур гипофиза, связанных с выработкой ТТГ, для пациентов, получающих гормонзамещаннцую терапию.

Подгруппа Параметры ПсГР КПвСЭ ПсГ Р

1 -2 2-3 1 -3

(А) ттг (усл.ед.) 1.494 ± 1.38 1.143 ±0.58 1.058 ±0.64 >0.05 >0.05 >0.05

(А/Х) 1ЦЖ (отн.ед.) 4.322 ±3.99 2.764+1.67 3.051 ±3.45 >0.05 >0.05 >0.05

<А-Х) Ц1Ж (усл.ед.) 5.31612.37 4.029 + 2.48 2.742 + 3.05 >0.05 >0.05 <0.05

(X) пик (У<^.ед.) 2.798+ 1.59 2.877 ± 1.17 3.023 ± 1.71 >0.05 >0.05 >0.05

(А) щж (усл.ед.) 8.113 ± 2.27 6.906 + 2.63 5.764 ±2.69 >0.05 >0.05 <0.05

Условные обозначения:

(А) ггг - КД-параметр, характеризующий величину локального адренергического тонуса структур, связанных с выработкой ТТГ;

(А/Х) 1ЦЖ - отношение КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и ходинергической рецепции ЩЖ;

(А-Х) и1Ж - разность КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и холинергической рецепции ЩЖ;

(А) ¡щ; - КД-параметр, характеризующий адренергическую компоненту вегетативной иннервации ЩЖ;

(X) 111Ж - КД-параметр, характеризующий холинергическуто компоненту вегетативной иннревации ЩЖ;

р 1-2 - уровень значимости для различий между подгруппами ПсГР и КПвСЭ; р 2-3 - уровень значимости для различий между подгруппами КПвСЭ и ПсГ; р 1-3 - уровень значимости для различий между подгруппами ПсГР и ПсГ.

Полученные нами критерии оценки функционального состояния щитовидной железы, основанные на значениях отношения КД-параметров, характеризующих величины локальных тонусов адренергической и холинергической рецепции ЩЖ и КД-параметра, характеризующего величину локального адренергического тонуса структур гипофиза, связанных с выработкой ТТГ, мы вклю-

чили в базу знаний экспертной консультативно-диагностической системы по заболеваниям щитовидной железы.

СОЗДАНИЕ БАЗЫ ЗНАНИЙ ЭКСПЕРТНОЙ КОНСУЛЬТАТИВНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ТИРЭКС» ПО ЗАБОЛЕВАНИЯМ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

При создании экспертной консультативно-диагностической системы «ТИРЭКС» по заболеваниям щитовидной железы мы использовали оболочку «РЕПРОКОД» для разработки медицинских экспертных систем, созданную на кафедре медицинской и биологической кибернетики РГМУ под руководством к.б.н. Киликовского В.В. Оболочка «РЕПРОКОД» предназначена для создания медицинских экспертных систем, использующих представление знаний в виде пороговых семантических сетей (Киликовский В.В., Олимпиева С.П. и др., 1994). Создание экспертной системы с помощью оболочки «РЕПРОКОД» заключается в разработке базы знаний соответствующей системы и дальнейшего внедрения ее в оболочку.

Разработанная нами база знаний экспертной системы «ТИРЭКС» включает следующие разделы:

■ признаковое пространство, структурированное в виде иерархически организованной последовательности этапов сбора данных у пациента;

■ иерархическую структуру диагностических заключений и эталонные описания заключений системы;

■ систему порогов и весовых коэффициентов, формирующих решающие диагностические правила на основе созданных эталонных описаний. Выполнение решающих правил проверяется с помощью суммирования весовых коэффициентов отдельных признаков и сравнения суммы с заданным порогом.

Признаковое пространство системы «ТИРЭКС» содержит 780 признаков, используемых при формировании диагностических заключений. При этом в признаковое пространство системы мы включили также признаки, получаемые при обследовании методом "Компьютерная дермография" и необходимые при формировании заключений о функциональном состоянии ЩЖ у пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции ЩЖ, на основе предложенных нами критериев.

Признаки, составляющие признаковое пространство были организованы нами в следующие основные разделы:

■ Данные анамнеза и факторы риска

■ Состояние щитовидной железы на основании жалоб и данных физикального обследования

■ Состояние остальных органов и их систем

■ Характеристики развития заболевания

■ Результаты лабораторных исследований

■ Данные инструментальных методов исследования структуры и функции щитовидной железы

Соотнесение составляющих различных этапов диагностического поиска при заболеваниях ЩЖ с основными разделами иерархической структуры признаков, обеспечивающей сбор данных при обследовании пациента в системе «ТИРЭКС» показано на рис. 1.

Данные разделы образуют верхний уровень иерархии ветви сетевой структуры базы знаний системы, раскрывающей пункт «Обследование пациента» исходного меню системы «ТИРЭКС» (рис. 2). В дальнейшем каждый раздел разбивается на подразделы; подразделы, в случае необходимости, дробятся на подразделы более глубокого уровня и т.д. Таким образом, признаки организованы в сложную иерархическую древовидную структуру, определяющуюся последовательность и соотнесение меню при раскрытии пункта «Обследование пациента» исходного (начального) меню интерфейса системы «ТИРЭКС» (рис. 3).

Занесение данных в базу данных системы осуществляется при последовательном раскрытии меню, пункты которых формируются в соответствие с содержанием уровня иерархии рассмотренной выше иерархической структуры признаков.

Разработанная нами структура соответствует логике сбора данных при диагностике заболеваний ЩЖ, созданные разделы и подразделы обеспечивают быстрое нахождение требуемого для занесения признака и, при последовательном заполнении, регламентируют как последовательность, так и содержание диагностического обследования пациента.

I - сбор жалоб, данных анамнеза жизни и анамнеза болезни

Данные анамнеза жизни

Жалобы, связан-"" ные с изменениями остальных органов и I систем при наруше- ] лшн функщ!и ЩЖ,

Данные анамнеза и факторы риска

Характеристки развития заболевания

Состояние ЩЖ на основании жалоб и данных физикально-го обследования

II - физикальное обследование пациента

Физикальное ч обследование ЩЖ

Физикальное обследование остальных органов и систем

Состояние остальных органов и систем

III - проведение лабораторных и инструментальных исследований

данные инструментальных методов исследования, характеризующих состояние остальных \gpranoB и систему

Данные лаоора- \ торных и инструментальных исследований, характеризующих структурное и функциональное состояние ЩЖ У

Результаты лабораторных исследований'

Данные инструментальных методов \ исследования структуры и функции ЩЖ

Рис. 1. Основные разделы иерархической структуры признаков, обеспечивающей сбор данных при обследовании пациента и их соотнесение с составляющими этапов диагностического поиска.

ашз

Ont»»i Выход Help

ЗАБОЛЕВАНИЯ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

ОБСЛЕДОВАНИЕ ПАЦИЕНТА

ib

ДАННЫЕ АНАМНЕЗА И ФАКТОРЫ РИСКА

СОСТОЯНИЕ ЦЖ №1 ОСНОВАМИ ВДЛОБ И ДШвЬК «НЭШШЬНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯЖЕ ОСТНЛЬНЬК ОРГАЮВ И ИХ СИСТЕП ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗВИТИЯ ЗАБОЛЕВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ПЯБОРАТОРЛК ИССЛЕДОВАНИЙ

ДЯ№Е юструпвтшьлк МЕТОДОВ ИССЯЕДОВЯИЯ структуры и пункции ц»

вяжаяяи

в

Е,iter.PgDn ЕНИПЗ Esc,End

пцтярвклтян

Рис. 2. Диалоговое окно пользователя системы «ТИРЭКС» при раскрытии пункта «Обследование пациента» исходного меню системы.

ЗАБОЛЕВАНИЯ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

Опции

ОБСЛЕДОВАНИЕ ПАЦИЕНТА

ДАШЕ ЯНАПНЕЗА И ФАКТОРЫ РИСКА

СОСТОЯНИЕ ЦК НА ОСНОВ*»« 1АЛОБ И ДГНОК ЧИЗИКЛЯЬНОГО ОБСЛЕДОШИЯ

СОСТОЯНИЕ ОСТАЛЬНЫХ ОРГАНОВ И ИХ СИСТЕП

НЕРВНАЯ СИСТЕМА И ОРГАНЫ ЧУВСТВ

СЕРДЕЧНО-СОСЫдаСТАЯ СИСТЕМА ОРГАНОВ ЛИЦ СИСТЕИА ОРГАНОВ р>М ПОЧЕВЫОЕШТЕЛЬНАЯ С ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНЬЙ РЕПРОДУКТИВНАЯ СИСТ СОСТОЯНИЕ КОЖИ, сл

СОСТОЯИЕ ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ОРГАНЫ ЧУВСТВ Вегетативные реахцим

СОСТОЯНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ И ПСИХИКИ -1

щ

I-у»—• _ . ^ ,

Jm

ьчег.ъь. ШЗШ ис.ь.л @2!ЗЗа2СЗг<вз2д5832В84

Рис. 3. Пример последовательно раскрывающихся меню при работе с пунктом «Обследование пациента» исходного меню системы «ТИРЭКС».

Система «ТИРЭКС» имеет возможность формировать 34 диагностических заключения по заболеваниям щитовидной железы, включая формы, варианты, а также стадии течения заболеваний. Заключения о форме, варианте, а также стадии течения определенного заболевания организованы нами в иерархическую структуру.

Кроме диагностических гипотез, в системе предусмотрена возможность формирования заключений как о структуре, так и о функции ЩЖ что позволяет охарактеризовать структуру и состояние функции ЩЖ в терминах, принятых в эндокринологии, в частности, это возможно и до формирования окончательного диагноза.

Таким образом, верхний уровень иерархии заключений системы о состоянии пациента имеет следующую структуру:

И Заключение о структуре щитовидной железы

В Заключение о функциональном состоянии щитовидной железы

□ Заболевания щитовидной железы

Данная структура раскрывается вторым уровнем иерархии, содержащим собственно заключения системы о структуре ЩЖ. функциональном состоянии ЩЖ и диагностические заключения системы.

Для всех заключений системы нами были созданы эталонные описания, имеющие иерархическую структуру. При создании эталонных описаний диагностических заключений системы мы использовали принцип наследования эталонного описания основного диагностического заключения всеми диагностическими заключениями следующих уровней ветвей формирования заключений о варианте, форме и т.п. основного диагностического заключения.

Основными диагностическими заключениями системы «ТИРЭКС» являются следующие: гипотиреоз, диффузный токсический зоб. узловой токсический зоб, подострый тиреоидит, аутоиммунный тиреоиднт. эутиреоидный зоб. острый гнойный тиреоидит, фиброзный тиреоидит.

Верхний уровень иерархии эталонных описаний каждого из основных диагностических заключений системы включает составляющие, соответствующие стандартным этапным заключениям в ходе диагностике заболеваний щитовидной железы, здесь и далее будем называть их разделами эталонных описаний основных диагностических заключений. Разделы эталонного описания основного диагностического заключения - «Диффузный токсический зоб» приведены на рис. 4.

Диффузный токсический зоб

Предрасполагающие факторы

Структурные изменения щитовидной железы

Клинические проявления тиреотоксикоза

Результаты лабораторных исследований

Результаты дополнительных инструментальных исследований

Рис. 4. Составляющие верхнего уровня иерархии эталонных описаний основных диагностических заключений системы «ТИРЭКС».

Каждое эталонное описание заключения системы «ТИРЭКС» в соответствие с общим принципом построения базы знаний сформировано в виде иерархической структуры. Верхний уровень такой иерархии - заключение системы, нижний уровень иерархии формируется конкретными признаками. Если проследить эту иерархию снизу вверх, то признаки объединяются в понятия, которые на следующем уровне участвуют в формировании понятий более высокого уровня и т.д. Каждому понятию в иерархии (понятиями на нижнем уровне иерархии являются признаки) за исключением вершины иерархии (верхним в иерархии является то либо иное заключение системы) присвоены весовые коэффициенты. Для каждого понятия, не являющегося нижним в иерархии, устанавливается порог выполненности и, если сумма весовых коэффициентов выполненных понятий предшествующего уровня иерархии превышает или равна этому порогу, то понятие, формируемое ими, считается выполненным.

Таким образом, система порогов и весовых коэффициентов формирует решающие диагностические правила на основе созданных эталонных описаний. Система «ТИРЭКС» включает, в общей сложности, 595 правил, созданных в соответствие с вышеописанным принципом.

Для заключений системы «ТИРЭКС» о структуре и функциональном состоянии щитовидной железы, для диагностического заключения «Данных за патологию щитовидной железы нет» и диагностических заключений системы «ТИРЭКС», представляющих собой варианты основного диагноза по характеру увеличения ЩЖ, формы по преобладающей симптоматике и т.п., все пороги выполненности понятий на различных уровнях иерархической структуры их описаний, в том числе и на верхнем уровне иерархии, являются жесткими.

Для основных диагностических заключений на верхнем уровне иерархической структуры их эталонных описаний порог является подвижным, на всех же остальных уровнях иерархии пороги выполненности являются жесткими.

Система построена таким образом, что в сумме весовые коэффициенты, соответствующие разделам эталонных описаний основных диагностических заключений, составляют 100. При формировании решающих правил системы «ТИРЭКС» в рассматриваемом месте необходимо было задать весовые коэффициенты, соответствующие разделам эталонных описаний основных диагностических заключений системы так, чтобы они отражали относительную информативность данных разделов при постановке диагноза.

Однако ни один из экспертов, принимавших участие в нашей работе, не смог установить количествешше значения весовых коэффициентов, соответствующих определенным разделам. Эксперты формировали ответ в виде большей или меньшей значимости раздела для постановки диагноза. Точно также по данным литературы возможно было сделать вывод лишь о большем вкладе того или иного раздела эталонного описания диагноза. Но во сколько раз больше ни один эксперт не брался ответить, точно также нет данной информации и в литературе. А именно это знание предопределяет качество работы экспертной системы.

Для решения задачи присвоения весовых коэффициентов разделам эталонных описаний основных диагностических заключений системы в данной работе мы использовали два подхода (рис. 5).

При первом пддходе работа проводилась в несколько этапов. Вначале нами были, основываясь на данных литературы и беседах с экспертом, расставлены предварительные значения весовых коэффициентов (здесь и далее будем называть их начальными значениями весовых коэффициентов разделов эталонных описаний основных диагностических заключений). Затем нами была проведена апробация системы с начальными значениями весовых коэффициентов на обучающей выборке, включающей данные обследования 98 пациентов, 96 из которых проходили лечение на базе кафедры эндокринологии РГМУ. Данные для внесения в систему (жалобы, данные анамнеза жизни и анамнеза болезни, результаты физикального обследования, результаты лабораторных и инструментальных исследований) мы получали из историй болезни, для 34 больных данные первых двух этапов диагностического процесса (жалобы, анамнез жизни и болезни, физикалыюе обследование больного) были получены при проведении

Присвоение, начальных значений весовым коэффициентам

Установление

весовых коэффициентов по результатам апробации на обучающей выборке

Использованные подходы

>1

Применение метода парных сравнений

Коррекция весовых коэффициентов

Апробация системы на обучающей выборке

2-ая итерация

Весовые коэффициенты разделов

V_х

Г Л

Апробация системы

Апроба ция системы

Диагностическая точность системы 97- 100 %

Рис. 5. Подходы, использованные для установления значений весовых коэффициентов разделов эталонных описаний основных диагностических заключений системы «ТИРЭКС».

обследования лечащим врачом-эндокринологом и автором (врачом-кибернетиком). В обучающую выборку мы также включили 2 клинических случая редких заболеваний 1ЦЖ, приведенные в литературе (Скрипниченко Д.Ф., Кривицкий Д.И., 1977; Кайлаков A.M., Абдурахманов М.М., 1980). Один из них - случай фиброзного тиреоидита, второй - случай острого гнойного тиреоидита.

При проведении апробации в качестве критерия диагностической точности системы мы использовали совпадение диагностического заключения, сформированного системой и диагностического заключения эксперта. Процент совпадений диагностических заключений эксперта и системы в данном случае составил 78 % (табл. 4); границы 95 % -ного доверительного интервала для этого значения при данном числе наблюдений составляют 69 % и 85 %.

Таблица 4.

Точность диагностики системы «ТИРЭКС» с начальными значениями весовых коэффициентов разделов эталонных описаний основных диагностических заключений.

Количество паци-

ентов с данным ди-

Основное агностически за- Совпадение диагностического за-

диагностическое заключе- ключением ключения системы it эксперта

ние системы (диагноз

эксперта) число %

Диффузный токсический зоб 23 23 100

Гипотиреоз 13 7 54

Узловой токсический зоб 11 1 9

Аутоиммунный тиреодит 15 9 60

Эутиреоидный зоб 16 16 100

Подострый тнреолдит 18 18 100

Острый гнойный тирсоидит I 1 100

Фиброзный тиреоидит 1 1 • 100

Всего: 98 76 а 78

Такой процент диагностической точности системы мы сочли неудовлетворительным, поэтому работа по нахождению весовых коэффициентов разделов основных диагностических заключений системы была продолжена, что и составило условно выделенный нами второй этап работы в рамках рассматриваемого подхода.

2(1

На втором этапе описываемого подхода весовые коэффициенты уточнялись путем целенаправленного такого их изменения, чтобы диагностическое заключение системы совпадало с заключением эксперта при апробации на обучающей выборке. В результате мы установили значения весовых коэффициентов, обеспечившие 100% совпадения диагнозов системы и диагнозов эксперта. Здесь и далее полученные в результате вышеописанной процедуры значения весовых коэффициентов мы будем называть итоговыми.

Описанный подход к установлению количественной меры относительной информативности разделов диагнозов является очень трудоемким, требует много времени и процедура, совершаемая при коррекции весовых коэффициентов не является формализованной. При этом вопрос формализации этой процедуры при построении аналогичных медицинских экспертных систем в доступной нам научной литературе не рассматривался. Вместе с тем для определения количественной меры относительной важности объектов при решении задач управления в различных отраслях успешно используется метод парных сравнений, который особенно хорошо зарекомендовал себя в слаёоформализуемых областях (Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г., 1974; Карпов В.И., Казакова И.Е. и др., 1977). А медицина как раз и является такой областью человеческой деятельности. Поэтому в качестве второго подхода к установлению весовых коэффициентов разделов эталонных описаний основных диагностических заключений системы мы использовали метод парных сравнений.

При этом нами были опрошены 7 экспертов. В качестве экспертов выступили врачи-эндокринологи, имеющие опыт практической работы более 10 лет; пятеро из них - врачи высшей категории (среди них двое - кандидаты медицинских наук), двое - врачи I категории. Каждый эксперт заполнял 8 карт в соответствии с количеством основных диагностических заключений системы «ТИРЭКС». Для автоматизации обработки экспертных карт с помощью процедур, предусмотренных методом парных сравнений, автором на языке Visual Basic 5.0. была написана программа, реализующая метод парных сравнений. В результате, при обработке 56 экспертных карт, сформированных по результатам опроса 7 экспертов для каждого их основных диагностических заключений системы «ТИРЭКС»--были-получены значения весовых коэффициентов разделов эталонных описаний основных диагностических заключений, представляющие собой количественную меру относительной информативности рассматриваемых разделов при постановке того или иного диагноза.

АПРОБАЦИЯ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ «ТНРЭКС»

В соответствии с тем, что мы использовали два подхода к установлению весовых коэффициентов разделов эталонных описаний основных диагностических заключений системы, в результате проведенной работы нами были получены два варианта весовых коэффициентов.

Первый вариант весовых коэффициентов - итоговые значения весовых коэффициентов, полученные в результате многочисленного проведения испытаний системы на обучающей выборке и последующей коррекции начальных значений весовых коэффициентов с целью достижения высокой диагностической точности системы, определяемой по проценту совпадения диагностических заключений системы и заключений эксперта-эндокринолога. Второй вариант - весовые коэффициенты, полученные в результате применения метода парных сравнений.

Апробация системы с первым вариантом весовых коэффициентов была проведена на выборке, которую здесь и далее мы будем именовать контрольной. Контрольную выборку сформировали 150 человек, являющиеся пациентами поликлиники №11 ЮЗ АО г. Москвы, а также 4 клинических случая (1 случай острого гнойного тиреоидита, 2 случая фиброзного тиреоидита, 1 случай вторичного гипотиреоза), описанные в литературе (Набоков Ш.А., 1967; Мизецкая Е.А., Снигирева Р.Я., 1984; Раса И.А., Волков В.А., 1984; Брейдо И.С., 1998). Для 150 пациентов, являющихся пациентами поликлиники № 11 ЮЗАО г. Москвы, данные первых двух этапов диагностического процесса (жалобы, анамнез жизни и болезни, физикальное обследование больного) были получены при проведении обследования врачом-эндокринологом и врачом-кибернетиком, занесение данных в систему осуществлялось врачом-кибернетиком непосредственно в процессе сбора данных.

Апробация системы, в которой' весовые коэффициенты разделов основных диагностических заключений были установлены с использованием метода парных сравнений, была осуществлена на данных обследования 252 пациентов, т.е. на совокупной выборке, как здесь и далее мы будем именовать данную выборку.

При апробации системы с итоговыми значениями весовых коэффициентов на контрольной выборке наблюдалось 100 % совпадение диагностических заключений эксперта и системы «ТИРЭКС». Границы 95 % - ного доверительного интервала для данного процента совпадений при данном числе наблюдений составляют 97 % и 100 %.

Однако подход к установлению количественной меры относительной информативности разделов диагнозов, основанный на проведении многочисленных испытаний системы на обучающей выборке с последующей коррекцией весовых коэффициентов, является очень трудоемким и. соответственно, потребовал на свою реализацию много времени. Поэтому принципиально важным было определить диагностическую точность системы с весовыми коэффициентами разделов эталонных описаний основных диагностических заключений, установленными при использовании метода парных сравнений. Результаты апробации системы с данными весовыми коэффициентами на совокупной выборке показали 100 % совпадение диагностических заключений системы и заключений эксперта. Границы 95 % - ного доверительного интервала полученного значения диагностической точности системы для данного числа пациентов составили 98 % и 100%.

Таким образом, проведенная работа показала применимость метода парных сравнений для решения задачи установления количественной меры относительной информативности разделов эталонных описаний основных диагностических заключений системы «ТИРЭКС». Данный подход требует в десятки раз меньше времени, чем первый подход. Кроме того, этот подход является формализованным и, на основании результатов наших исследований, мы рекомендуем его для использования при создании медицинских экспертных систем.

ВЫВОДЫ

1. Полученные в результате проведенных исследований критерии оценки функционального состояния щитовидной железы по результатам обследования методом «Компьютерная дермография» для пациентов, не получающих лечение, направленное на коррекцию функции Щитовидной железы, позволяют с высокой диагностической точностью (86 % - 100 %) формировать заключения о функциональном состоянии щитовидной железы у указанного контингента пациентов на основании значений отношения КД-параметров, характеризующих величины локальных тону сов адренергической и холинергической рецепции ЩЖ и КД-параметра, характеризующего величину локального адре-нергического тонуса структур гипофиза, связанных с выработкой ТТГ.

2. Созданная иерархически организованная структура базы знаний экспертной консультативно-диагностической системы «ТИРЭКС» по заболеваниям щитовидной железы позволила сформировать на ее основе решающие диагностические правила.

3. Разработанные решающие диагностические правила в виде системы порогов и весовых коэффициентов, соответствующих созданным эталонным описанидм заключений системы, определяют возможность осуществления системой «ТИРЭКС» интеллектуальной поддержки процесса диагностики заболеваний щитовидной железы.

4. Применение метода парных сравнений для определения весовых коэффициентов, характеризующих относительную диагностическую информативность составляющих эталонных описаний основньгх диагностических заключений системы, позволяет формализовать процедуру определения данных весовых коэффициентов.

5. Диагностические заключения созданной экспертной консультативно- диагностической системы «ТИРЭКС» по заболеваниям щитовидной железы в 100% случаев (при 95% -ном доверительном интервале: 98 % - 100 %) совпадают с заключениями эксперта-эндокринолога по результатам апробации системы на данных обследования 252 пациентов.

Практические рекомендации.

Результаты апробации позволяют рекомендовать экспертную систему «ТИРЭКС» для использования в качестве консультативно-диагностической системы по заболеваниям щитовидной железы врачом-эндокринологом или врачом-терапевтом в больницах, поликлиниках и консультативно-диагностических центрах, также система может быть использована при обучении молодых специалистов, при повышении квалификации или прохождении специализации на отделениях ФУВ медицинских ВУЗов.

Работы, опубликованные по теме диссертации.

1. Исследовательский прототип экспертной консультативно-диагностической системы по заболеваниям щитовидной железы /У Ломоносов-98: Сб. науч. тр. -М., 1998. - С. 18. (в соавторстве с Олимпиевой С П.. Киликовским В.В., Гудуки-ной Г.Н.)

2. Создание экспертной консультативно-диагностической системы по заболеваниям щитовидной железы // Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины: Всерос. сб. науч. тр.- М., 1998. - С. 402. (в соавторстве с Олимпие-вой С.П., Киликовским В.В., Гудукиной Г.Н.)

3. Экспертная система интеллектуальной поддержки диагностики заболеваний щитовидной железы // Информационные технологии и интеллектуальное обеспечение медицины - 98: Сб. науч. тр. - М., 1998. - С. 169-172. ( в соавторстве с Олимпиевой С.П., Киликовским В.В., Гудукиной Г.Н.)

4. Действующий прототип экспертной консультативно-диагностической системы по заболеваниям щитовидной железы // Компьютерная хроника.-1998,- №11.-С. 71-77. (В соавторстве с Олимпиевой С.П., Киликовским В.В.)

5. Экспертная консультативно-диагностическая система дифференциальной диагностики заболеваний щитовидной железы «ТИРЭКС-1». Свидетельство Минздрава РФ на программный продукт № 006 от 18.03.1999 г. (в соавторстве с Гас-паряном С.А., Киликовским В.В., Олимпиевой С.П.)

6. Экспертная консультативно-диагностическая система по заболеваниям щитовидной железы // Медицинская кибернетика в клинической практике: Сб. научн. тр. -М., ГВКГ им. H.H. Бурденко, 1999. - С. 81-82. (в соавторстве с Киликовским В.В., Олимпиевой С.П.)

7. Использование метода парных сравнений при формировании решающих правил экспертной системы «ТИРЭКС» // Информационные технологии и интеллектуальное обеспечение в здравоохранении и охране окружающей среды - 99: Сб. науч. тр. - М., 1999. - С. 174-176.

8. Исследование диагностических возможностей метода «Компьютерная дсрмо-графия» для оценки функционального состояния щитовидной железы // Информационные технологии и интеллектуальное обеспечение в здравоохранении и охране окружающей среды - 99: Сб. науч. тр. - М., 1999.- С. 157-159 (в соавторстве с Гаспаряном С.А.)