автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационный подход к анализу биосубстратов и формирование систем поддержки принятия решений на его основе

На правах рукописи

Старцева Ольга Николаевна

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ БИОСУБСТРАТОВ И ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (медико-биологические и экологические исследования)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный консультант -

заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Попечителев Е.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Евграфов В.Г. доктор технических наук, профессор Солопченко Г.Н. доктор медицинских наук, профессор Карпищенко А.И.

Ведущая организация - ОАО «Научные приборы»

диссертационного совета Д 2l2.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Зашита состоится

часов на заседании

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Юлдашев З.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ -

Актуальность проблемы. Медицинский лабораторный анализ (МЛА), как частный случай аналитических исследований, представляет собой сложную многоуровневую систему-процесс, основной целью которой является получение диагностической информации о состоянии организма пациента. Он отличается многоэтапной, разнообразной по содержанию структурой операций с веществом биопробы и сигналами измерительных преобразователей, последовательность которых складывается в сложный технологический процесс. Отсутствие детально разработанных способов отображения структур таких процессов, заменяющих словесные описания возможных вариантов взаимосвязи между их составляющими, существенно осложняет освоение и практическое применение подобных систем. Недостаточно проработаны и методы их исследования, что затрудняет оптимизацию технологических схем выполнения анализов, развитие новых методик и т. п. Кроме того, отсутствует единая классификация аналитических методов, используемых в клинико-диагностических лабораториях (КДЛ).

Освоение лабораторных технологий и реализация процесса аналитических исследований - сложнейшая задача для специалистов всех уровней. Сегодня для обслуживания КДЛ, кроме медицинских специалистов (лаборантов и клиницистов), инженеров и техников, привлекаются экономисты, менеджеры, маркетологи, формируются различные отделы и группы экспертов. Объем лабораторных исследований, выполняемых во всем мире в целях диагностики заболеваний и контроля за состоянием пациентов, с каждым годом неуклонно растет. Анализ номенклатуры лабораторных исследований показывает, что для КДЛ уровня ЛПУ - клинического стационара - количество проводимых исследований по различным специализированным лабораториям составляет не менее 1560 самостоятельных исследований. Специалистам необходимо владеть информацией о многочисленных элементах КДЛ - таких как оборудование и анализаторы, выполняющие соответствующие исследования, физико-химические методы, реагенты, медицинские методики и т. п. МЛА, ранее представлявший собой небольшой набор выполняемых тестов, в настоящее время связан с использованием сложных медицинских технологий и наукоемкого оборудования. Наряду с этим происходит постоянное расширение базы знаний и усложнение методик выполнения исследований, совершенствование приборов до высоко интегрированных, самостоятельных систем.

Все перечисленные факторы обуславливают разнообразие форм получаемой медицинской информации, сложность ее анализа и принятия решений, что требует обязательного привлечения ПЭВМ в сферу КДЛ. Одной из составляющих данного процесса является развитие компьютерных медицинских систем информационной поддержки принятия решений (СИППР). Однако сегодня разработано крайне незначительное, по сравнению с потребностями современной медицины, количество подобных систем.

РОС."НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Построение эффективных СИППР различного назначения остается актуальной задачей, далекой от своего завершения.

Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью:

- развития комплексного подхода ко всестороннему исследованию этапов технологического процесса МЛА от отбора биопробы из исследуемой среды до получения диагностического заключения;

- создания способов описания сложных технологических процедур лабораторных исследований и их формализации;

- разработки критериев классификации аналитических методов и изучения методических схем реализации различных исследований;

- создания систем информационной поддержки принятия решений специалистов в области МЛА.

Цель работы: разработка принципов и методологии решения проблем получения и интерпретации диагностической информации при реализации технологических процессов исследования биосубстратов в КДЛ (аналитических лабораториях).

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучение состояния исследований в области построения систем диагностики и информационной поддержки принятия решений в МЛА.

Р( '2. Разработка информационного подхода к процессу анализа биосубстратов.

3. Развитие методов описания сложных технологических процедур, к которым относятся процедуры МЛА, как процессов информационных преобразований, и разработка правил построения информо-структурных моделей процедур исследования биосубстратов на разных этапах анализа.

4. Систематизация методических схем на основе построения системы критериев классификации аналитических методов.

5. Синтез алгоритмов интерпретации результатов лабораторных исследований.

6. Разработка систем информационной поддержки принятия решений, необходимых на всех этапах МЛА, включая как собственно технологический процесс исследования биосубстратов, так и получение и интерпретацию результатов.

7. Экспериментальное подтверждение перспективности развитых принципов при решении проблем выявления и использования диагностической информации, а также внедрение их в аналитическую практику.

Объектом исследования настоящей работы является медицинский лабораторный анализ, включающий процессы исследования биосубстратов, а также получения и интерпретации результатов.

Предметом исследования являются информационные аспекты процесса получения и использования диагностических данных МЛА. . 1, . На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Предложенный информо-структурный подход к описанию процедур МЛА позволяет''представить технологический процесс в виде многоуровневой

иерархической системы, включающей все составляющие - от взятия биопробы из исследуемой среды до интерпретации получаемых диагностических данных.

2. Развитый способ построения информо-структурных моделей, положенный в основу отображения структур информационных преобразований, дает возможность формирования описаний любых сколь угодно сложных технологических процессов МЛА.

3. Систематизация методов аналитических исследований на основе формирования методических схем (МС-подход) позволила предложить их новую классификацию, отражающую главные функциональные задачи конкретных исследований и способы их реализации.

4. В области медицинского лабораторного анализа должно предусматриваться два направления разработки систем информационной поддержки: информационно-справочные системы и диагностические системы. При этом в их информационную базу необходимо включать все элементы МЛА, наиболее полно отражающие содержание системы, с обязательным их поуровневым рассмотрением.

Научная новизна работы подтверждается следующими научными результатами:

1. Предложен информационный подход к изучению МЛА, позволяющий с единых позиций исследовать весь технологический процесс анализа, начиная от момента отбора биопробы до получения диагностического заключения.

2. Разработана многоуровневая иерархическая структура системы МЛА, включающая все ее основные компоненты и их взаимосвязи.

3. Предложена методология формирования информо-структурных моделей (ИСМ) различных технологических процессов МЛА, обеспечивающих получение информации о характеристиках исследуемых биосубстратов.

4. Разработаны принципы построения методических схем реализации технологических процедур МЛА, дающие возможность комплексно решать задачи классификации аналитических методов исследования.

5. Разработана система сравнительных критериев классификации аналитических методов, позволившая сформировать единую систему методов медицинских аналитических исследований.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основании информационного подхода, изложенных в диссертации, разработаны и внедрены в клиническую и лабораторную практику методы описания сложных технологических процессов, а также компьютерные системы поддержки принятия решений для специалистов в области медицинского лабораторного анализа. Кроме того, практическую ценность представляют:

1. Основные принципы классификации и анализа информации, получаемой и используемой в процессе МЛА.

2. Комплекс ИСМ наиболее распространенных в практике процедур лабораторных исследований биосубстратов.

3. Технология разработки ИСМ и методических схем, позволяющая отображать сколь угодно сложные технологические процессы аналитических исследований.

4. Типовые методические схемы лабораторных методов, положенные в основу наиболее часто применяемых в КДЛ исследований биосубстратов.

5. Компьютерные алгоритмы дифференциальной диагностики некоторых групп заболеваний на основе лабораторных показателей.

6. Специализированные программные системы информационной поддержки принятия решений для специалистов в области МЛА.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные в работе, использовались при выполнении научно-исследовательских работ в СП6ТЭТУ в рамках комплексных научно-технических программ, в том числе: «Университеты России», «Конверсия», «Технологии живых систем», в рамках Договора о развитии- сотрудничества между Каролинским госпиталем (Стокгольм, Швеция) и СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова, а также Российской Ассоциацией медицинской лабораторной диагностики.

Результаты диссертационной работы также использованы при создании экспертной системы для поддержки принятия' решений в гематологии, разрабатываемой совместно с сотрудниками факультета математики, и информатики университета г. Бремена (Германия).

Результаты работы внедрены на кафедрах СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова: Клинической лабораторной диагностики; Клинической патофизиологии; Госпитальной терапии им. акад. М. В. Черноруцкого; в четырех лабораториях ЦКДЛ СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова; в учебном процессе кафедр СПбГЭТУ и СПбГМУ. Информация о разработанных СИППР передана и в другие медицинские и технические учреждения.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах в России и за рубежом. Среди - них:- «Проблемы развития работ по лабораторно-диагностической технике» (Смоленск, 1988), «5. Zentrale Wissenschaftliche Konferenz der Studenten und jungen Wissenschaftler zu Schwerpunkten des wissenschaftlichtechnischen Fortschritts in Medizin» (Dresden,- Germany, 1989), «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов» (Уфа, 1989), «Wissenschaftlinischen Laboruntersuche Fortschrittechungder- Geratetechnik und, Geretetechnologie» (Dresden, Germany, 1990), «Медицинские информационные системы» (Таганрог, 1991), «Системный анализ и принятие решений» (Махачкала, 1991), «Биомод-92» (СПб, 1992), «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» (Владимир, 1994), «Современные технологии обучения» (СПб, 1996,-1999, 2001), «ДИМЭБ-98» (СПб, 1998), «Медицинские информационные системы МИС-98» (Таганрог, 1998), «Фундаментальные исследования в технических университетах» (СПб; 1999), «Измерительные информационные технологии и приборы в охране здоровья МЕТРОМЕД-99» (СПб, 1999), «Новые технологии в здравоохранении и медицинском образовании» (СПб, 1999), 5th Baltic Congress of Laboratory Medicine, (Vilnius, 2000), 14th IFCC-FESCC European Congress of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine EUR0MEDLAB-2001, (Prague, Czech Republic, 2001), «Актуальные

проблемы патофизиологии» (СПб, 2002, 2003), «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» (Махачкала, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 печатных работ, из них - 1 монография, 2 учебных пособия, 18 статей, тезисы к 25-и докладам на международных и всероссийских НТК и 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 375 наименований, и 21-го приложения. Основная часть работы изложена на 253 страницах машинописного текста. Работа содержит 63 рисунка и 49 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели и задачи работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проведен анализ состояния современных тенденций в области теоретических подходов к изучению сложных технологических процессов лабораторного анализа, а также проблем, связанных с практическими аспектами создания систем информационной поддержки при решении задач МЛА.

Анализ всей информации, используемой врачом на разных этапах диагностического процесса, позволяет определить роль и место лабораторных исследований в технологической последовательности операций по постановке диагноза. Сведения, получаемые в результате обследований пациента, могут быть представлены в виде четырех основных блоков данных:

1. Субъективные исследования (расспрос больного): жалобы; анамнез жизни (история жизни), анамнез заболевания (история заболевания).

2. Объективные исследования (осмотр больного): общий осмотр; пальпация (ощупывание); перкуссия (выстукивание); аускультация (выслушивание).

3. Лабораторные исследования (клинический анализ крови; биохимический анализ крови; анализ мочи; и др.).

4. Физиологические (инструментальные) исследования (снятие ЭКГ; рентгеновское обследование и др.).

Главная задача медицинского лабораторного анализа, решаемая в КДЛ, состоит в получении достоверной информации о функционировании различных систем организма. Такая информация почти всегда позволяет ставить диагноз раньше появления симптомов заболеваний, фиксируемых на физиологическом уровне. Поэтому правильный выбор объема проводимых лабораторных тестов и интерпретация их результатов во многом предопределяют своевременность постановки диагноза, а также выбор терапии и контроль ее эффективности.

Любое лабораторное исследование можно провести только в том случае,

если выбран адекватный метод, согласованы характеристики воздействий на пробу, правильно определены регистрируемые параметры, выбран соответствующий анализатор, известна процедура пробоподготовки и т. п., без чего получить достоверные результаты невозможно. Изучение задач МЛА убедительно показывает широту и разнообразие методов, методик и технических средств, необходимых для их выполнения. В литературе и медико-биологической практике принято несколько вариантов классификаций аналитических методов, однако единой трактовки способа разделения их на группы не существует. Кроме того, отсутствует однозначная трактовка и самого термина «метод».

При реализации лабораторного исследования мы имеем дело со своеобразной системой, которую необходимо сформировать. Детальное изучение специфики аналитических исследований в КДЛ показывает, что МЛА представляет собой сложную многоуровневую информационно-измерительную систему-процесс, где выполняются операции над веществами и сигналами (элементами системы). В качестве таких операций реализованы частные технологические процессы, что позволяет получить на выходе информацию о состоянии пациента.

Классические приемы изложения подходов к исследованию и проектированию сложных процедур, структур, технологий и т. п. обычно опираются на их словесные описания, которые являются громоздкими, требующими больших затрат времени на освоение, й поэтому мало эффективными. Их содержанием является информация о составе, последовательности и характеристиках преобразовании, осуществляемых с конкретными объектами, которые определены как операции над информационными Объектами. Трудность исследования - получаемой информации состоит в отсутствии способов описания исходных данных, их упорядочивания и классификации, а также получения оценок. Поэтому особое значение приобретают методы, обеспечивающие единую форму представления информации в виде отображений, адекватных зрительному восприятию человека и удобных для однозначной интерпретации получаемой информации.

Решение указанных проблем связано с необходимостью создания модели технологической процедуры МЛА, что подразумевает разбиение ее на несколько этапов. Традиционная классификация специалистов КДЛ не учитывает специфики проведения отдельных стадий, что свидетельствует о необходимости формирования комплексного подхода к изучению технологического процесса МЛА, позволяющего перейти к его обобщенному представлению и формализации.

При выполнении МЛА объектом исследования- биологической пробой (БПис) - определено некоторое количество вещества, взятого из Исследуемой Среды (кровь, моча, спинномозговая жидкость, желудочный сок и др. биосубстраты, вырабатываемые организмом в процессе его жизнедеятельности). Информация о состоянии пациента заключена в параметрах вещества биопробы и далее может быть описана с помощью исследуемого лабораторного показателя.

Другая задача связана с организацией данных в различных областях МЛА, изучение которой позволяет сделать вывод об их чрезвычайно большом объеме и многообразии неструктурированной информации (в настоящее время в медицине известно свыше сотен тысяч симптомов, заболеваний, лабораторных показателей и т. п.). Нередко поиск необходимой информации сводится к просмотру огромного количества записей; часть информации со временем искажается и даже теряется. В связи с этим одной из важнейших задач при разработке СИППР является выбор рациональных методов организации медицинских данных, обеспечивающих эффективный поиск, хранение, обновление и извлечение информации. Решение данной проблемы, в свою очередь, неразрывно связано с задачами адекватной формализации и представления медицинских знаний.

Перечисленные факторы доказывают, что внедрение систем, обеспечивающих информационную поддержку, представляется одним из самых перспективных направлений компьютеризации в КДЛ. Они позволяют сочетать опыт медицинского специалиста с возможностями ведения различной документации, автоматизации сбора и переработки информации, а также создания банков данных, формализации знаний о заболеваниях, выработки оптимальных решений по диагностике и лечению и т. д.

Однако работы в направлении построения эффективных СИППР различного назначения сдерживаются отсутствием единой методологии их проектирования, а также трудностями, связанными с большим объемом баз знаний и необходимостью структурирования, классификации и постоянного обновления огромного количества сведений и персональных данных, имеющих значение для работы КДЛ. Необходимо учитывать и то обстоятельство, что их пользователями могут являться специалисты различной профессиональной ориентации. Анализ научных публикаций, посвященных методологическим, теоретическим и практическим разработкам в данной области, показывает отсутствие общепринятой концепции разработки подобных систем.

Таким образом, проведенный анализ позволяет обосновать выбранное направление исследований, сформулировать цели и задачи работы, решение которых является основой для решения научной проблемы информационного анализа биосубстратов и формирования СИППР на его основе, имеющей важное социальное и хозяйственное значение.

Во второй главе предлагается информационный подход, позволяющий отобразить все связи и элементы системы МЛА в единой иерархической структуре, а также описать их функции.

Рассмотрение различных аспектов проведения лабораторных исследований показывает, что суждение о свойствах среды выносится на основании анализа взятой из нее биопробы, которая подвергается разнообразным изменениям до момента контакта с измерительным преобразователем, а затем сигналы последнего обрабатываются в соответствии с выбранным алгоритмом. Таким образом, главными элементами системы МЛА являются операции по преобразованиям носителей информации разной физической природы -вещества и энергии (сигналов), которые, в свою очередь, являются и

носителями диагностической информации.

В иерархической. структуре системы МЛА (СМЛА) следует выделить четыре уровня рассмотрения (рис. 1). За исходный уровень принят уровень клинико-диагностической лаборатории как структурной единицы некоторого ЖГУ (например, стационара). В качестве конкретных видов решаемых в ней задач выступают: управление, организация, обслуживание, проводимые исследования, анализ используемых ресурсов, обучение персонала и др. Этот уровень рассмотрения определен как нулевой, организационный уровень системы, т. к. он характеризует КДЛ в целом.

В качестве первого уровня СМЛА выделен контур процедуры диагностики, позволяющий отобразить место собственно аналитических процедур в общем цикле диагностического процесса.

СИСТЕМА МЛА

_Л_

_Нулевой уровень (задачи МЛА)_

_Л_

_Первый уровень (контур постановки диагноза)_

_Второй уровень (процедура МЛА: 3 этапа)_

ЛI

_Третий уровень (процедура каждого этапа как последовательность операций)_

_=□=_

_Четвертой уровень (операция как реализация методической схемы)_

Рис. 1. Морфологическое описание системы МЛА (иерархические уровни)

В качестве основного уровня системы определен второй уровень МЛА, содержанием которого является технологическая процедура лабораторного исследования от отбора биопробы до получения диагностического заключения, состоящая из трех этапов: доаналитического, аналитического и постаналитического. На данном уровне определен минимальный набор элементов СМЛА, необходимых для нормального функционирования КДЛ: реагенты; биопробы, исследуемые лабораторные показатели; физико-химические методы, аппаратура и оборудование; методики исследования.

Каждый из выделенных этапов второго уровня представляет собой самостоятельные процедуры, рассмотренные на третьем уровне системы. Аналитический этап любого лабораторного исследования состоит из преобразований двух типов: с веществом биопробы (пробоподготовка) и сигналами измерительных преобразователей, которые выступают как объекты различных операций. Далее сформированы некоторые принципы, в соответствии с которыми все возможные операции при проведении-МЛА

можно классифицировать и разделить на 8 групп, относящихся к трем этапам (см. табл. 1).

Таблица 1

Этап Группа Содержание операций и преобразований Объекты преобразования Примеры используемых операций

Доаналитиче-ский — Подготовка лабораторного оборудования и аппаратуры (анализаторов, реактивов, калибраторов) к проведению анализа Блоки аппаратуры, оборудование, реактивы Приготовление реагентов; стерилизация посуды; подготовка аппаратуры к работе

1 Взятие крови и сбор различного биоматериала для исследования БП, реактивы Производятся в точном соответствии с предписанной методикой

2 Хранение и доставка (транспортировка) собранного материала в лабораторию

Аналитический (пробопод-готовка) 3 Мерные операции БП Реагенты, ПП Дозирование, взвешивание

4 Операции, не приводящие к изменению агрегатного состояния или биохимических свойств вещества БП Реагенты, ПП Фильтрование, центрифугирование, отстаивание

5 Направленные воздействия, приводящие к изменениям свойств или агрегатного состояния вещества БП Реагенты, ПП Термостатирование, химические реакции, воздействие полями

Аналитический б Контакт конечного продукта с первичным измерительным преобразователем (ИП) КП, контрольная проба, ИП Пропускание потока излучения через кювету, погружение электрода в КП

Аналитический (измерение) 7 Линейные и нелинейные преобразования, получение - числового значения ФП Сигналы ИП Фильтрация, усиление, интегрирование

8 Преобразование значения ИнфП (ФП) в МБП ИнфП, ФП Построение калибровочных графиков, расчет по формуле

Постаналитический Обработка и интерпретация результатов ИнфП, ФП, МБП Формирование заключений по результатам исследования в КДЛ

Оценка результатов лабораторных исследований Диагностические заключения

Использование результатов анализов в лечебно-диагностическом процессе

Построение иерархической структуры МЛА завершается на четвертом уровне, состоящем из единичнвк операций указанного типа, каждая из которвк занимает соответствующее место в разработанной классификации.

Для детального анализа любого из выделенных уровней СМЛА предложен подход с позиций «ФЗ-СР», связанный с основными функциональными задачами (ФЗ), решаемыми в системе, и способами их достижения (средствами реализации - СР).

Для постаналитического этапа определены три группы медико-биологических показателей, получаемых на выходе системы в результате выполнения МЛА: качественные, количественные и структурные, в дальнейшем используемые для формализованного представления процедур различных исследований.

Разработана классификация и описываются свойства основных объектов предметной области, включая реально существующие («физические») и абстрактные объекты (информационные отображения или их совокупности).

На рис. 2 все объекты, наличие которых определяет выполнение лабораторного исследования, представлены в виде многоуровневой структуры, отображающей связи и место каждого из них в общей иерархии СМЛА. Ее изучение показывает, что <Диагноз> является элементом самого верхнего (первого) уровня {конечная цель исследования - постановка диагноза)', его можно получить только на выходе, он обеспечивается ВСЕМИ элементами системы.

Таким образом, с позиций системного анализа система МЛА представлена как структура вложенных друг в друга и иерархически построенных описаний разных уровней ее рассмотрения. Исследованные аспекты характеризуют МЛА как чрезвычайно сложную систему-процесс, которую невозможно в комплексе рассматривать без предварительного создания ее упорядоченного отображения при четкой фиксации конкретного уровня, на котором проводится изучение системы. Такая задача может быть решена только при условии разработки специальных способов записи структур, отражающих место и функции всех элементов в процессе проведения различных лабораторных исследований.

В третьей главе представлены пути решения проблемы информационного описания МЛА на основе формализации его процедур и формирования их информо-структурных моделей.

Все преобразования на измерительном этапе связаны с преобразованиями сигналов и трактуются как информационные. Поскольку преобразования вещества пробы до момента получения конечного продукта также связаны с сохранением информации, то логично все операции с биопробой на этапе пробоподготовки также считать операциями информационного преобразования. Это позволяет всю технологическую процедуру (ТП) лабораторного исследования представить в виде единой цепи информационных преобразований, включающей операции двух видов (с веществами и сигналами), обеспечивающих сохранение информации об объекте исследования (пациенте).

Первым шагом при создании формализованных отображений процедур МЛА является формирование обобщенной технологической структуры (ОТС) исследования. Любая лабораторная процедура обязательно включает в себя операции, сведенные в табл. 1. На рис.3 представлена ОТС некоторого

Рис. 2. Иерархическая структура основных элементов, входящих в систему ЛА

лабораторного исследования с использованием обозначений групп операций, определенных во второй главе.

Информация, получаемая в ходе проведения МЛА, может быть представлена в различных формах (в виде диагностических показателей, сигналов, описаний или суждений). Преобразования данных объектов обозначены условными значками-символами, содержание которых оговаривается в каждом конкретном случае; сами объекты при этом обозначаются с помощью идентификаторов.

Для однозначной интерпретации таких отображений необходимо ввести определенные правила записи, которые вместе с множеством идентификаторов и символов операций включаются в так называемую «порождающую» грамматику

гДе {X} ' множество значков-символов операций; {&} - множество идентификаторов; - множество правил сочетания символов и

идентификаторов в единое целое.

Рис.3. Подробная запись ОТС выполнения лабораторного исследования Предлагаемый способ позволяет адекватно отобразить все связи и элементы системы МЛА на любом из уровней иерархии. Структура таких преобразований специфична для каждой конкретной технологии, поэтому ее формализованное отображение определено как информо-структурная модель (ИСМ) соответствующего технологического процесса.

Введение идентификаторов объектов и правил отображения связей между ними позволяет записывать как полные структуры последовательностей информационных преобразований для любого уровня СМЛА, так и целевые функции технологических процедур, отдельных блоков, конкретных методик.

Основной ФЗ первого- уровня- СМЛА является постановка диагноза конкретного пациента, технологический процесс которого представлен в виде замкнутого двухуровневого контура. Построение ИСМ диагностической процедуры предполагает формирование последовательности информационных объектов и преобразований с данными объектами {процессов), где символ «-»» указывает направление перехода к следующему преобразованию (рис. 4).

В качестве информационного эквивалента объекта исследования (пациента) выступает множество Н - отображение всех сведений о пациенте

где 5бо - состояние биологического объекта. Стандартная процедура диагностики начинается со сбора врачом информации о пациенте: {Он} -множество элементов (наблюдений, измерений, описаний) - Н (?, Ап, Т, где (7 = - множество жалоб пациента; Ап = {апй} - данные анамнеза; Т = — информация, полученная врачом при проведении внешнего осмотра.

Щфз

{Щм

Шла

Г

тлл

Рис.4. ИСМ процесса диагностики

В процессе интерпретации информации врачом происходит формулирование предварительного диагноза (оператор рг), причем для принятия правильного решения необходимо введение критериев {Щфз "формирования заключений". В результате во внутреннем контуре ИСМ появляется собственно предварительный диагноз Вр, '(объект-описание). Затем проводится выбор лабораторных исследований {Ох} для подтверждения (либо опровержения) 0рГ (для корректного выбора диагностических показателей следует принять во внимание некоторые медицинские критерии АУщ/)', в результате формируется набор интересующих врача лабораторных показателей

- множество X" = {хп}, где п е 1,1 = {1, ... , Ы}, т. е. совокупность объектов, содержащих определенную диагностическую информацию. Далее в ИСМ чередуются следующие операции и объекты: выполнение выбранных лабораторных исследований {Ола} (в соответствии с критериями {^лд}); результаты исследований в виде некоторого множества информационных объектов {Х„} (измеренные лабораторные показатели); формулирование окончательного диагноза (?ц (операция); окончательный диагноз (суждение) о состоянии пациента на основании проведенных исследований - Бf (объект -описание); альтернативный выбор Он между двумя возможными направлениями дальнейших исследований (операция выбора):

- первое направление: принятие решения об окончании обследования и завершении процесса диагностики (операция);

- второе направление: принятие решения о продолжении обследования и подготовка альтернативного диагноза ^ (операция);

альтернативный диагноз Ва/ (объект-описание) и возврат к Ох

Подобные ИСМ могут быть сформированы для отображения диагностического процесса по выявлению любого заболевания.

Второй уровень СМЛА связан с собственно процессом проведения лабораторного исследования; его целевую функцию (ФЗ) в общем виде можно представить как

&1А

УЛЛ (БП

где БП - биопроба, взятая для исследования у п а ц и е ] {Х0} - совокупность измеренных (оцененных) лабораторных показате.0ла - совокупный оператор всей ТП исследования.

В процессе выполнения доаналитического этапа последовательно реализованы две основные целевые функции: о т б с БП ИЗ <а н и з м а пациента (Об) и подготовка из нее исходного вещества Ш?бп> что может быть представлено следующим образом:

Овп От

Кдоэ (Об БП»-* ИВт >, (ЗЛ)

где 0вх1 - совокупный оператор комплекса операций, связанных с отбором БП;

- совокупный оператор подготовки исходного вещества пробы; символ информационных преобразований, связанных с отбором БП. При необходимости в выражение (3.1) может быть добавлен Он - совокупный оператор комплекса операций, связанных с доставкой пробы в лабораторию.

Целевой функцией Кдэ (ФЗ) аналитического этапа является получение числового значения (либо качественной оценки) некоторого информативного параметра, однозначно связанного с изучаемой характеристикой пробы:

Уаэ ( ИВБ^КП ® {и}т™{Х}

где введены, кроме уже известных:

- идентификаторы других объектов: КП - конечный продукт; {Ц}ип -сигналь! измерительных преобразователей; (X) - совокупность информативных (физических) параметров (ИнфП), отражающих характеристики вещества пробы; /— некоторое отображение результата;

символы преобразований: - символ информационной

эквивалентности; - специфический символ, отражающий взаимодействие вещества КП с первичным ИП; для связи идентификаторов друг с другом использованы символы: в виде "•->" -для преобразований с веществом, и "—>" - для преобразований с сигналами.

- символы операторов: Оппэ - оператор совокупных преобразований ППЭ; £иэ - оператор совокупных преобразований ИЭ; символы и ")" ограничивают запись целевой функции.

Подобные модели можно представить для любых этапов лабораторного исследования. В общем случае вся ТП аналитического этапа принимает вид: ИВЪП ПП, •~>ПП„ КП® {и}т -> {Щ, {Щи где ППт п — 1, ..., N - промежуточные продукты преобразования ИВБп после выполнения какой-либо из N операций; {и}т т=1, ..., М - сигналы после промежуточных преобразований; М- количество таких преобразований.

Предложенный способ позволяет отобразить ИСМ на третьем уровне рассмотрения системы, где каждое преобразование является некоторым частным СР, из совокупности которых складывается вся процедура.

Для формирования типовых блоков в ИСМ на этапе пробоподготовки введены дополнительные символы; например, в случае выполнения операции специальным устройством данный блок может быть представлен в виде:

ПЛ,-{ Роо

где - обобщенный символ операции с веществом; - специфический

символ, отражающий взаимодействие (воздействие) вещества ПП с устройством для пробоподготовки (Р). Если операция выполняется лаборантом, данный блок приобретает вид:

пт{ь+\ппи1,

где введен специфический символ " + ", отражающий взаимодействие (воздействие) вещества ПП с лаборантом (I). Аппаратура здесь играет роль субъекта, выполняющего конкретные преобразования пробоподготовки.

Целевая функция Кполэ постаналитического этапа в общем виде представлена следующим образом:

бк

Кпостэ <{Л*Б77}=>{^0б}исс>,

где - совокупный оператор комплекса операций, связанных с

формулированием диагностического суждения на основании полученного значения медико-биологического показателя (МБП), несущего диагностическую информацию; символ «=>» - вынесение диагностического суждения; - само суждение о пациенте; - исследователь (врач,

лаборант).

Отображение полученного результата (символ I), предъявляемое Исс по окончании данного этапа, а, соответственно, и содержание <2мвп» могут иметь различные варианты в зависимости от типов получаемых лабораторных показателей (качественных, количественных, структурных). В частности, для качественной оценки чаще всего встречается следующий вариант: при визуальном выявлении некоторого феномена (информативного параметра -ИнфП) процедура оценки результата заканчивается; лаборант далее интерпретирует его в МБП (например, ИнфП является наличие осадка в КП, что означает присутствие белка в исследуемой пробе):

<КП> е УинфП > ь => {^ь ~ Шмбп > Исс => {РобЬсс феномен

В качестве примера на рис. 5 представлена ИСМ определения концентрации гемоглобина (один из важнейших элементов клинического анализа крови). Расчет содержания гемоглобина производится по формуле:

НЪ (%) = 0,001 С К (Еоа/Е„), где Еоп - оптическая плотность опытной пробы; Е„ - оптическая плотность стандартного раствора; С - концентрация гемиглобинцианида в стандартном растворе; К - коэффициент разведения пробы; 0,001 - коэффициент пересчета.

Анализ ИСМ показывает, что данная структура информационных преобразований содержит главную последовательность операций (связанную с преобразованиями Ж?бп КП и измерением оптических характеристик КП) и несколько вспомогательных цепочек операций с реагентами, одна из которых связана с подготовкой т. н. холостой пробы {ХП); оба этих измерения проводятся параллельно с исследованием стандартного раствора (С7).

Дет (КП)ст ® {Т-Р7} ип

Чуо i „ Чг

д

Л/ »-*Кц д

д

Я3 «-¿Дза-

Чуо | V

•—>ХП »-> (ХП)д

иа

Чуо |

{(/"Ы^Ь-^-Еоп

Чз

(Исс)Кцц-*{Х}шл > Исс => (Рое) А

ПП0 •->(КП)епЩ1^}<

J

<4 ив > ~ ИВБП

Рис 5 ИСМ техпроцесса определения концентрации гемоглобина в крови гемиглобинцианидным методом.

Процедура приготовления ХП реализуется путем смешивания четырех

предварительно дозированных ингредиентов - цепочка Д1(>. Я4

(дистиллированная вода) используется несколько раз: для разведения ИВщ, при-приготовлении ППд и конечных продуктов - (КП)ст и (ХП). Над каждым символом операции с веществами необходимо установить уточняющий индекс: д - дозирование, т - временная выдержка.

Если ТП конкретного этапа содержит большое число однотипных преобразований, то для упрощения описания предлагается специальный способ записи "блочной" структуры. Блок операций представляет собой более крупную структурную единицу ТП, его содержание может исследоваться независимо, а формирование окончательной ИСМ проводится как комбинирование блоков из некоторого набора. При записи блочной структуры в последовательности преобразований выделяются наборы некоторых операций 0 (/ - номер операции), объединяемых в блоки (^Д где / - идентификатор блока), выполнение которых приводит к достижению частных целевых функций. Блоки соединяются символами " указывающими на связи между ними;

<ч,> * Ш * <ч) * ... ,

где N общее число подэтапов.

Воспользовавшись данным приемом для модели, изображенной на рис. 5, можно построить «блочную» ИСМ (рис. 6), где (- блок операций, а индексы отражают идентификаторы объектов, участвующих в технологической процедуре.

(Я(ИВ)ЕП) —*(Ч(КП)бп) — (я(ИП)Еп) -*{д(БП)У0) -*(ч(БПЬ>

I I

I_ /пПГГ

<Ч(ХП)>

>(д(ИП)хп>

(я(КП)ст) —+<Ч(Ш)ст> -+<ч(СТ)уо> —*<Я(СТ)Л Рис. б. Блочная форма записи ИСМ процесса определения гемоглобина

Детальное отображение ИСМ на постаналитическом этапе связано с введением дополнительных символов и идентификаторов, связанных с процедурой интерпретации результата врачом и формированием диагностического заключения. Нередко на начальном этапе обследования врач располагает только частью информации, на основании которой он ставит

предварительный диагноз

Фрг),

и вынужден принимать- решение о

продолжении обследования в результате появляется новый МБП -например, подтверждающий предварительный диагноз, после которого формируется окончательное заключение Тогда блок ИСМ принимает вид:

где - некоторый набор лабораторных показателей, выбранных для

диагностики конкретного заболевания.

Диагностическое суждение об объекте исследования может

формировать как врач (вариант а), так и некоторая медицинская информационная система (МИС) (вариант б). Тогда фрагменты ИСМ можно соответственно представить в виде:

а) {Х„} ~ {А}мбп > Исс => {/ЗДисс;

б) {ХЛ ~ {^}мбп Е>МИС 3 {^0б}мис,

где «Ш>» - символ, отражающий представление совокупностей полученных результатов на вход информационной системы; - символ формирования диагностического суждения как результата работы системы.

Предложенный способ формирования ИСМ расширяет возможности отображения процедур МЛА, позволяя- включать в них более сложные комплексные операции, связанные с принятием решений как медицинскими специалистами, так и МИС.

Таким образом, в работе разработана технология формирования информо-структурных моделей процедур МЛА, которая может эффективно использоваться при выявлении особенностей технологических процедур, оптимизации последовательностей типовых блоков операций и в других задачах, связанных с совершенствованием методик МЛА, что расширяет возможности формализации технологических процессов в различных прикладных областях.

В четвертой главе представлена технология комплексного изучения методов аналитических исследований и компонентов СМЛА, необходимых для их реализации.

Каждый лабораторный метод исследования может быть реализован посредством характерного способа взаимного расположения (контакта) объекта исследования (биопробы) с техническими средствами, необходимыми для проведения эксперимента. Такой способ определен как методическая схема выполнения исследования, а рассмотрение методов МЛА с данных позиций - как МС-подход.

Далее определен принцип формирования методической схемы, для которой на любом уровне СМЛА необходимо присутствие 4-х типов элементов:

- объекта преобразований (вещество или сигнал);

- субъекта (кем выполняются операции);

- методики выполнения (совокупность различных СР);

- целевой функции - ФЗ.

Данная совокупность представлена схемой на рис. 7, где К - некоторый объект, с которым совершаются преобразования, и трактуется следующим образом: при любом лабораторном исследовании совершаются действия или преобразования (операции) с объектами (например, БП) в соответствии с установленными правилами (методиками). Эти действия выполняет либо лаборант (ручные операции), либо техническое средство (автоматические).

Рис. 7. Обобщенная методическая схема выполнения лабораторного исследования

Под термином «метод исследования» будем понимать совокупность некоторых операций (воздействий) на вещество пробы как во время пробоподготовки, так и во время измерения, в результате выполнения которых можно извлекать информацию о его составе или свойствах. Это достигается применением определенных сочетаний методических либо зондирующих воздействий, вызывающих на выходе соответствующие методические (измерительные) эффекты, которые классифицированы в данной главе.

Применение МС-подхода способствует изучению специфического характера взаимодействия элементов системы МЛА, обеспечивающих реализацию конкретного исследования, этапа, операции (в зависимости от уровня рассмотрения). Это позволяет выявить несколько типовых вариантов методических схем (рис. 8), лежащих в основе разных, групп методов исследований, что, в свою очередь, дает возможность предложить систему сравнительных критериев и сформировать новую классификацию лабораторных методов, более точно отражающую их назначение и особенности применения в аналитической практике.

Тип ХЬ Биопроба в своем обычном состоянии или в результате пробоподготовки является источником порождающего поля. КП поступает на вход анализатора, после чего измеряются ее физические параметры (ФП) без привлечения зондирующих воздействий.

Особо следует выделить тип 1а, который используется главным образом при реализации миграционных методов, где обязательным условием пробоподготовки является наличие процесса разделения БП (либо биохимической реакции). Проба после разделения (биохимической реакции) является источником порождающего поля. КП поступает на вход анализатора, после чего измеряются (оцениваются) ее ФП (ИнфП, т. е. МБП «качественного» типа).

Тип 2. В результате зондирующего воздействия на пробу вне анализатора (в процессе пробоподготовки) вещество КП продуцирует некоторый вид порождающего поля - до входа в анализатор.

ТипЗ

Рис. 8. Основные типы методических схем при проведении МЛА

Тип 3. Зондирующее воздействие на биопробу осуществляется внутри анализатора. При этом доля энергии, измененная в процессе взаимодействия с веществом, преобразуется в электрический сигнал, параметры которого несут информацию об исследуемых свойствах пробы.

В первую очередь; каждый метод исследования в зависимости от типа методической- схемы может проявляться- либо главным, образом, как препаративный (для трансформирования вещества), либо'как аналитический (для измерения физического параметра либо его оценки). Всего в новой классификации выделены 4 группы методов и сформулированы их отличительные особенности.

В пятой главе исследуются принципы формирования единой базы знаний систем информационной поддержки при принятии решений в МЛА и излагаются требования к языку описания задач, позволяющему формализовать всю накопленную информацию в рамках единого представления поля знаний.

Определен базовый принцип классификации и формирования систем информационной поддержки принятия решений медицинскими специалистами, а также последующей организации их информационной базы: в зависимости от назначения системы и ее функциональных задач; в соответствии с этим далее выбрано два главных направления разработки: информационно-справочное и диагностическое. Дополнительно выделены основные функции, которые должны поддерживаться СИППР:

A) обеспечение информационной поддержки общего типа (всей работы ЛПУ) - регистрация пациентов и автоматизированное ведение историй болезни; хранение и выдача результатов исследований; формирование медицинских заключений; обработка и анализ статистических данных; учет расхода ресурсов (реактивов, лекарств и т. д.);

Б) обеспечение информационной поддержки лабораторных исследований: ввод в систему и хранение (регистрация) данных; обработка данных МЛА; обеспечение интерфейса с системами интерпретации данных (экспертные системы (ЭС) для диагностики);

B) информационная поддержка диагностики и лечения пациентов - МИС (в том числе, ЭС) поддержки принятия решений в диагностике.

В соответствии с данным принципом все разработанные СИППР представлены следующими группами.

1. СИППР на основе лабораторных показателей для специалистов КДЛ. Труппа А (общего типа): РЕГИСТРАТУРА (четыре лаборатории).

Группа Б (справочные системы): ИНФОРМКЛИНИК, ИНФОЛАБ. Труппа В (постановка диагноза): ДИАЛОГ.

2. СИППР на основе лабораторных показателей для клиники. Труппа А (общего типа): Опросник пациента ПУЛЬМО.

Труппа Б (справочные системы): ДИАЛАБ.

Труппа В (постановка диагноза и лечение): ДДТОЛК, система по БА, ДИАЛАБ-ГЕМ.

Проведена концептуализация знаний о предметной области: определены совокупности основных элементов МЛА (введенных во 2 главе), а также другие виды знаний, необходимые при формировании информационной базы и баз знаний разработанных систем: алгоритмы работы и основные информационные потоки, функции и способы взаимодействия компонентов системы МЛА. Представлены информационные связи подсистем. Структуры включают как пассивные объекты - структуры данных, так и активные - программные модули, содержащие внутренние структуры данных (БД) и работающих с ними процедур»

Созданы формализованные представления концепций предметной области (пульмонологии, гематологии и др.) на основе модульных языков представления знаний, в том числе предложен метод и принципы формирования иерархических структур различного типа при создании СИППР. Формализован план обследования пациентов с различными видами патологий, куда включены исследования, необходимые для постановки дифференциального диагноза, что позволило сформировать модули опросника

для последующего функционирования» алгоритмов дифференциального диагноза (ДД) в пульмонологии и гематологии на основе данных, получаемых из стандартизованной компьютерной истории болезни. На рис.9 приведен один из фрагментов иерархических структур, используемой для формирования компьютерной истории болезни в пульмонологии.

Применение различных моделей принятия решений в СИППР указанных типов определяется не только сформулированными классами задач; но и необходимостью постоянного изменения, информации в зависимости от функций системы и конкретной-предметной области. Модели баз знаний содержат, в общем случае, несколько традиционных представлений знаний, в частности, комплекс алгоритмов и правил продукции, при функционировании которых использованы совокупности диагностических признаков - и принимаемых ими значений (градаций) по каждому из методов обследования пациентов, сформированные в виде иерархических структур.

Рис. 9. Пример построения иерархической структуры данных в пульмонологии.

На основе предлагаемых, иерархических структур диагностических признаков разработан набор правил продукции,, позволяющих, проводить дифференциальную диагностику заболеваний. Далее приведены фрагменты решающих правил, содержащих данные МЛА для ДД в пульмонологии. Особенностями данных правил является то, что в них не учитываются вероятностные характеристики исходов, поскольку большинство лабораторных данных имеет количественное представление.

Если Уд. вес ПЖ< 1,015 Белок < 3,0/100 мл Проба Ривальта отрицательная

то ("Выявлепа плевральная жидкость - транссудат*'!!

Если Уд. вес ПЖ> 1,015 Белок > 3,0/100 мл Проба Ривальта положительная

то ("Выявлена плевральная жидкость - экссудат"!1 Если Синдром выпота в плевральную полость Жидкость экссудат

то ("Выявлен плеврит"?)

Если Синдром выпота в плевральную полость Жидкость транссудат

*** *** *** «* то ("Выявлен гидроторакс"!)

Древовидные алгоритмы ДЦ гемобластозов, составляющие основу базы знаний СИППР при интерпретации результатов лабораторных исследований в гематологии, содержат несколько «смысловых» уровней, на каждом из которых для проведения пошаговой диагностики производится выделение совокупностей признаков и их градаций для дальнейшего формирования стадий диагностического поиска (рис. 10): «входы» - по результатам клинического анализа крови; предварительный диагноз (либо ДЦ); окончательный диагноз; выбор стратегии терапии.

АНАЛИЗ КРОВИ КЛИНИЧЕСКИЙ

Количество лейкоцитов (3 градации) Наличие бластов в крови (наличие/отсутствие)

Присутствие форм созревания (наличие/отсутствие) Количество тромбоцитов (3 градации)

МИЕЛОГРАММА

! Количество бластов в КМ (4 градации) |

I 43- !

; Качественные признаки: I

! анализ клеточвости миелограммы (снижена /не снижена) |

! 431 !

\ Структурные признаки: соотношение ростков кроветворения, !

! наличие мегахариоцитов |

Рис. 10. Уровни раскрытая диагностического алгоритма на этапе предварительной диагностики острых лейкозов

На рис. 11 представлен фрагмент алгоритма ДЦ хронических лейкозов, корень дерева которого определяется состоянием «лейкоцитоз со сдвигом влево». Оно может быть интерпретировано 25 различными диагнозами (22 заболевания рассматриваемой группы и три дополнительных группы заболеваний - не гематологических). Каждое значимое исследование (признак), результаты которого позволяют перейти на следующий уровень алгоритма, обозначены буквой И (исследование), а результат каждого из них имеет несколько градаций. Например, возможные результаты ИЗ (щелочная фосфатаза нейтрофилов) определены тремя градациями: 3.1, 3.2, 3.3, а И4 (эозинофилы в крови) - двумя: 4.1 и 4.2. Около каждого исследования в скобках указано число диагностируемых заболеваний для данного уровня (для ИЗ оно составляет 15).

В шестой главе представлены результаты практической реализации предложенных подходов, в том числе, принципов формирования информационно-измерительной системы и пассивной базы знаний рассматриваемой предметной области. Исследованные в предыдущих главах основные положения работы, включая методы, алгоритмы и иерархические структуры, апробируются на конкретных примерах систем поддержки принятия решений в различных областях медицины. Спектр функций созданных систем представлен в табл. 2.

Таблица 2

Типы систем Диагностические системы, в т. ч. ЭС Информационно' справочные системы Персонифицированные регистры АРМы Информационно -обучающие системы

• - ' * Лабораторная медицина - '

ИНФОРМКЛИНИК' + + +

ИНФОЛАБ (БД для КДЛ) + +

РЕГИСТРАТУРА" +

ДИАЛОГ + +

- " " - - • ' - Ауяъмвнолсзия . -5 — »"_ г-.' ; ' ; - п

Опросник пациента ПУЛЬМО +

ДДТОЛК + +

СИСТЕМА ПО БА + +

", 'V ~ '--г ~ Гематология - ■ . - * " -

ДИАЛАБ + +

ДИАЛАБ-ГЕМ + +

КОС* + +

Все разработанные СИППР доведены до стадии действующего прототипа, т. е. являются усеченными версиями МИС либо ЭС, спроектированными для проверки правильности формирования БД, кодирования фактов, связей и

1 Включает все описанные модули, в т ч. Диагноз и Реагенты. 1 Лаборатории биохимия, КДЛ-2, поликлиника, ГОРМОН

Лсйкоцетоз, сдвиг влево (25)

Ш.Цитогенетика (поломки хромосом)

Ю. Щелочная фосфатаза вейтрофилов (15)

Рис. И. Схема логики диагностического процесса для состояния «лейцоцитоз со сдвигом влево»

стратегий рассуждений эксперта. Примеры клинического применения систем представлены в работе.

В результате проведенных исследований созданы системы двух классов, реализованных с применением различных подходов к построению СИППР для медицинских специалистов - информационно-справочных и диагностических. Система "ИНФОРМКЛИНИК" является типичным примером СИППР информационно-справочного типа: ее информационная база базируется на структурировании и классификации основных типов данных, имеющих отношение к работе КДЛ, и позволяет автоматизировать поиск информации в широком спектре вопросов, что способствует повышению производительности и качества лабораторных исследований. Система имеет 6 входов, по которым производится поиск и обработка информации: "Физико-химические методы исследования" (методы, положенные в основу измерения информативных параметров пробы); "Медицинские методики" (технологические процедуры проведения исследований); "Аналит" (показатели, определение которых производится при реализации конкретных методик); "Аппаратура" (аппаратура и ее технические характеристики); "Реагенты" (реагенты, используемые при проведении методик, информация о химическом составе и приготовлении тест-наборов; возможность учета наличия реагентов и тест-наборов в лаборатории). В системе также предусмотрен вход "Диагноз", где рассматривается диагностическая информация, получаемая в ходе лабораторных исследований.

Типичная структура интерфейса СИППР справочного типа, включающая ранее введенные элементы системы МЛА, представлена на рис. 12. Он обеспечивает получение информации по любому из перечисленных элементов КДЛ в режиме выбора соответствующего пункта меню с возможностью сортировки атрибутов по ряду параметров (по алфавиту, по специализации лаборатории, по методике и др.).

Система «РЕГИСТРАТУРА» представляет собой набор унифицированных модулей, адаптированных для разных лабораторий КДЛ, включая компьютерные лабораторные журналы для 4 лабораторий: клинической биохимии, КДЛ-2, поликлиники, гормональной лаборатории.

Среди других действующих прототипов СИППР разработана также обучающая информационно-справочная система для подготовки медицинских специалистов «КОСя», а также несколько СИППР диагностического типа в области гематологии и пульмонологии.

В БД системы «ДИАЛАБ» сконцентрирована медицинская информация, необходимая для выявления ведущих групп заболеваний в области гематологии (в частности, гемобластозов). Система содержит:

- базу данных по гематологическим заболеваниям и лабораторным тестам для их диагностики, структура которой включает три блока информации -"ЗАБОЛЕВАНИЕ"', "МЕТОДИКА"; "АНАЛИТ" - и обеспечивает ее хранение в формализованном виде (информационно-справочный модуль);

- диагностический модуль;

- модуль «Работа с пациентом».

ГЛАВНОЕ МЕНЮ

Рис 12. Схема интерфейса программы ИНФОРМКЛИНИК

В основе работы второго модуля лежат оригинальные диагностические алгоритмы гемобластозов для поддержки формирования заключений на основе данных лабораторных исследований, разработанные совместно с экспертами-гематологами. Они позволяют не только выявить заболевания основной группы, но и провести ДЦ близких по симптоматике заболеваний, в процедуре которой выделены три стадии: предварительный диагноз, окончательный диагноз, прогноз и стратегия терапии.

СИППР ДЦТОЛК (структурная схема приведена на рис. 13) является средством информационной поддержки врача при постановке дифференциального диагноза в пульмонологии, позволяющим осуществлять создание, дополнение, редактирование, обработку и отладку модулей базы знаний для описания информации и принятия диагностических решений при ведении пульмонологического больного. Система содержит эвристическую схему ДД, особенностью которой является использование синдромного подхода к определению различных заболеваний (программа при запуске алгоритмов оперирует основными имеющимися синдромами, их сочетаниями и особенностями).

Все разработанные системы информационной поддержки принятия решений являются экспериментальным подтверждением перспективности применения развитых принципов для решения проблем МЛА и дальнейшего внедрения их в аналитическую и клиническую практику.

В заключении рассмотрены основные результаты диссертационной работы, которые состоят в следующем.

Теоретико-методические результаты:

1. Обоснована необходимость создания и разработан информационный подход к исследованию системы МЛА, включающей все его составляющие, начиная от момента отбора биопробы у пациента и до получения диагностического заключения.

2. Сформирована многоуровневая иерархическая структура системы лабораторных исследований, что позволило в рамках единого представления определить ее основные компоненты и их взаимосвязи.

3. Сформулированы принципы построения информо-структурных моделей процедур МЛА различного типа, обеспечивающих получение информации о характеристиках исследуемых биосубстратов.

4. Предложен подход к формированию методических схем выполнения как технологических процедур, так и отдельных операций МЛА, позволяющий комплексно решать задачи классификации аналитических методов исследования.

6. Разработана система сравнительных критериев классификации аналитических методов, обеспечившая формирование единой системы методов медицинских аналитических исследований.

Прикладные результаты:

1. Предложена классификация и описаны свойства основных объектов исследуемой предметной области, что позволило определить структуры

Рис. 13. Структурная схема экспертной системы ДДТОЛК

2. Разработан комплекс информо-структурных моделей наиболее распространенных процедур в практике медицинских лабораторных исследований.

3. Продемонстрирована перспективность применения разработанной технологии формирования информо-структурных моделей и методических схем МЛА, позволяющей решить проблему символьного описания (формализации) сколь угодно сложных технологических процессов аналитических исследований в различных прикладных областях.

4. На основе введенной системы сравнительных критериев предложена новая классификация, в соответствии с которой выделены четыре класса

аналитических методов, реализующих как аналитические, так и препаративные задачи в лабораторной практике.

5. Разработаны диагностические алгоритмы на основе значений лабораторных показателей для некоторых групп заболеваний в гематологии и пульмонологии.

6. На основе введенных принципов классификации и исследования информации, получаемой в процессе медицинских лабораторных исследований, выделены структуры подсистем МЛА, пути их взаимодействия и информационные потоки при их функционировании, что определило способы формирования единой базы знаний; в ее основе лежат иерархические структуры и диагностические алгоритмы, позволяющие формализовать процедуры интерпретации результатов медицинских лабораторных исследований.

7. Развиты методические подходы и создан ряд прикладных программ и оболочек ЭС для информационной поддержки принятия решений медицинских специалистов в различных областях.

На основании подхода, методов и средств, изложенных в диссертации, разработан и внедрен в клиническую практику класс компьютерных систем информационной поддержки принятия решений, что открывает перспективы создания единого комплекса специализированных программных систем для специалистов в области МЛА.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Попечителев Е.П., Старцева О.Н. Аналитические исследования в медицине, биологии и экологии / Учеб. пособие для вузов. — М.: Высш. шк., 2003.-279 с.

2. Попечителев Е.П., Старцева О.Н. Иммунологические методы исследований / Учеб. пособие. - СПб.: ГЭТУ, 1993. - 80 с.

3. Попечителев Е.П., Старцева О.Н. Аналитические исследования в медицине, биологии и экологии / Учеб. пособие. - СПб.: ГЭТУ, 1999. - 80 с.

4. Старцева О.Н. Структуры информационных преобразований в БТС для иммунологических исследований/ Изв. ЛЭТИ. - Л.: ЛЭТИ, 1988. - Вып. 405. -С. 76-81.

5. Старцева О.Н., Попечителев Е.П. Информационная модель анализа вещества в процессе медицинских лабораторных исследований /Межвуз. сб. науч. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1989. - С. 39-43.

6. Старцева О.Н., Попечителев Е.П. Способы формализации информационных преобразований в лабораторном анализе биологических проб / Изв. ЛЭТИ. - Л.: ЛЭТИ, 1990. - Вып.428. - С. 26-32.

7. Попечителев Е.П., Старцева О.Н. Информационные критерии диагностических решений в медицинских лабораторных исследованиях/ Материалы науч.-техн. конф. «Медицинские информационные системы». -Таганрог, 17-19 сент. 1991 г. - Таганрог: ТРТИ, 1991. - С.58-59.

8. Старцева О.Н., Попечителев Е.П. Инфоструктурная модель твердофазного ИФА в ультразвуковом поле / Изв. ЛЭТИ. - Л.: ЛЭТИ, 1991. -

Вып. 432.- С. 21-27.

9. Попечителев Е.П., Старцева О.Н. Информационно-структурные модели в учебно-методическом описании технологических процессов/ Современные технологии обучения. - СПб.: ГЭТУ, 1996. - Вып. 2. - С.24-29.

10. Старцева О.Н., Садыкова Е.В. Проблемы создания автоматизированной системы информационной поддержки врачам КДЛ/ Изв. ГЭТУ. - СПб.: ГЭТУ, 1998.-Вып. 518.- С. 75-78.

11.Старцева О.Н. Информационная поддержка решений врача КДЛ/ Е.П. Попечителев, О.Н, Старцева, В.Л. Эмануэль, Л.А. Хоровская // Клиническая лабораторная диагностика. -1999. - №10. - СЮ.

12. Старцева О.Н. Информационно-справочные системы в подготовке врача и инженера для клинических лабораторий/ О.Н. Старцева, Л.А. Хоровская, В.Л. Эмануэль // Клиническая лабораторная диагностика. - 1999. -№10.-СЮ.

13. Старцева О.Н., Попечителев Е.П. Информационно-справочные системы в освоении технологий клинических лабораторий/ Современные технологии обучения. - СПб.: ГЭТУ, 2000. - Вып. 5. - С. 58-62.

14.Старцева О.Н., Попечителев Е.П. Программы информационной поддержки медицинских специалистов/ Современные технологии: медицинская техника, фармакология, диагностика. - 2001, - №4. - С.24-26.

15. Старцева О.Н., Попечителев Е.П. Лабораторный анализ как сложная иерархическая система аналитических исследований/ Вестник СевероЗападного регионального отд. Академии медико-технических наук. - Вып. 5. -СПб.: ООО «Агенство РДК-принт», 2001. - С180-190.

16. Попечителев Е.П., Старцева О.Н. О терминах объектов лабораторных исследований и структуре их взаимосвязей/ Вестник Северо-Западного регионального отд. Академии медико-технических наук. - Вып. 6. - СПб.: ООО «Агенство РДК-принт», 2002. - С. 196-202.

17. Старцева О.Н. Компьютерные системы информационной поддержки в медицине /Изв. ЛЭТИ. Сер. Биотехнические системы в медицине и биологии. -СПб.: ГЭТУ, 2002. - Вып. 1. - С 42-47.

18. Старцева О.Н. Экспертная система «ДЦТОЛК»: вопросы разработки, перспективы использования/ О.Н. Старцева, Н.Л. Шапорова, С.Г. Юрковский // Биотехнические системы в медицине и биологии - СПб.: Политехника, 2002. -С. 133-138.

19. Старцева О.Н., Садыкова Е.В. Технология создания системы поддержки принятия решений врача-эндокринолога при диагностике заболеваний щитовидной железы/ Биотехнические системы в медицине и биологии - СПб.: Политехника, 2002. - С. 138-145.

20. Старцева О.Н., Лисов А.А. Автоматизированная система определения формы нарушения гемостаза/ Биотехнические системы в медицине и биологии»-СПб.: Политехника, 2002.-С 145-147.

21.Старцева О.Н., Лисов А.А. Информационная система диагностики формы нарушения гемостаза/ Изв. ЛЭТИ. - СПб.: ГЭТУ, 2003. - Вып. 1. - С. 3638.

22. Старцева О.Н. Иерархический подход к системе медицинских лабораторных исследований/ О.Н. Старцева, Л.А. Хоровская, В.Л. Эмануэль// Клиническая лабораторная диагностика. - 2003. - №11. - С.25-32.

23. Попечителев Е.П., Старцева О.Н. Информационная модель анализа вещества в процессе лабораторных исследований / Тез. докл. симп. «Проблемы развития работ по лабораторно-диагностической технике». - Смоленск, 29 нояб. -1 дек. 1988 г. - Смоленск, 1988. - С.71-74.

24. Starzewa О. Informationalsmodell zur Stoffanalyse unter Laborbedingunge (Информационная модель анализа вещества при проведении лабораторных исследований)/ Тез. докл. 5 науч. конф. по важнейшим научно-техническим достижениям в медицине. - Дрезден, 3-4 фев. 1989 г. - Дрезден: Технический университет, 1989. -СП.

25. Старцева О.Н., Попечителев Е.П. Технологические схемы эксперимента как основа для автоматизации лабораторных исследований / Тез. докл. 5 республ. науч.-техн. конф. «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации технологических процессов». - Уфа, 21-22 нояб. 1989 г. -Уфа, 1989.-С. 107.

26.Popetschiteljew J., Starzewa О. Informationelle Qualitatskriterien bei der Durchführung medizinischer Laboruntersuchungen (Информационные критерии качества выполнения лабораторных исследований)/ Тез. докл. 12 междун. науч. конф. «Научные достижения биомедицинской и приборной техники». -Дрезден, 27-30 марта 1990 г. / Технический университет. - Дрезден, 1990. - С. 37.

27. Старцева О.Н. Компьютерные обучающие системы в диагностике гематологических заболеваний/ О.Н. Старцева, М.А. Меншутина, СВ. Семенов, Л.А. Хоровская // Материалы науч.-метод. конф. «Новые технологии в здравоохранении и медицинском образовании». - Санкт-Петербург, 7 июня 1999 г. - СПб.: СПбТМУ им. акад. И.П. Павлова, 1999. - С. 181-185.

28. Startseva O.N. Information-educating System in Hematology (Информационно-обучающая система в гематологии)/ М.А. Menshutina, N.N. Petrishtchev, E.P. Popechitelev, O.N. Startseva // 5th Baltic Congress of Laboratory Medicine. - Vilnius, 4-6 May, 2000.

29. Startseva O.N. A Training Information System for the Efficient Use of Laboratory Investigations. (Обучающая информационная система в области медицинского лабораторного анализа) Emanuel, L.A. Khorovskaya, A. Kallner, O.N. Startseva // 5th Baltic Congress of Laboratory Medicine. - Vilnius, 4-6 May, 2000.

30. Startseva O.N. A Training Programm "DIALOG" for Diagnosis and Monitoring of Patients with Diabetes Mellitus (Обучающая программа ДИАЛОГ для диагностики и наблюдения пациентов с сахарным диабетом) / O.N. Startseva, A. Kallner, V.L. Emanuel, L.A Khorovskaya, I.U. Koryagina // 14th IFCC-FESCC European Congress of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine EUROMEDLAB-2001. - Prague, Czech Republic, May 26-31,2001.

31. Старцева О.Н., Попечителев Е.П. Иерархическая структура системы аналитических исследований/ Сб. трудов 7 междун. конф. «Современные

технологии обучения». - Санкт-Петербург, 18 апр. 2001 г. - СПб.: ГЭТУ, 2001. -С. 57-59.

32. Старцева О.Н., Лисов А.А. Информационно-обучающая система по клинической патофизиологии/ Тез. докл. Межгородской конф. молодых ученых «Актуальные проблемы патофизиологии». - Санкт-Петербург, 29-30 янв. 2002 г. - СПб.: СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова, 2002. - С.65-66.

33. Старцева О.Н. Компьютерная информационно-справочная система для принятия решений в гематологии/ О.Н. Старцева, Р.М. Ахлакова, М.А. Меншутина, Е.Р. Мачюлайтене // Сб. тр. Всеросс. науч.-техн. конф. «Биотехнические и медицинские аппараты и системы». - Махачкала, 19-20 июня 2003 г. - Махачкала: ДГТУ, 2003. - С. 70-72.

34. А.с. 240966 СССР, МКИ3 G 01 п 33/53 / Волоцкой М.П., Соловей В Л., Старцева О.Н. (СССР). - Заявлено 19.08.85; Не опубликовано.

35. А.с. 1719978 СССР, МКИ3 G 01 п 33/53 / Устройство для постановки иммунологических реакций / Волоцкой М.П., Попечителев Е.П., Старцева О.Н. (СССР). - Заявл. 09.11.89; Опубл. 15.03.92; Бюл. №29. - Зс.

Подписано в печать 02.03.2004. Формат 60x84/16. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 2/203. П. л. 2.0. Уч.-изд. 2.0. Тираж 100 экз.

р- 49 9 4