автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математические модели, алгоритмы и системы сбора, обработки и интерпретации медицинской информации

Президиум ВАК Мк^обрнауки России (решение ст «

оеши

ДОКТОРА

наук

Начальник от&жвг-р

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ КИБЕРНЕТИКИ ИМЕНИ В.М.ГЛУШКОВА

72 11/1

На правах рукописи

ПЕТРУХИН Владимир Алексеевич

УДК 681.32:537.8

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И СИСТЕМЫ СБОРА, ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ МЕДИЦИНСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: член-корр. HAH Украины, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Украины И.Д.Войтович

введение.................................................................................................................................................................................5

глава 1. методологические основы построения...................................................................................17

математических моделей, алгоритмов регистрации, обработки и преобразования медицинской информации для систем диагностики и прогнозирования патологических состояний человека..........................................................................................................17

1.1. Общая формулировка проблемы................................................................................................................................17

1.2. методы и программно-технические среды построения и исследования математических моделей, систем сбора, обработки и интерпретации медицинской информации...................................................................20

1.3. Современные информационные технологии реализации математических моделей, систем сбора,

обработки и интерпретации медицинской информации..............................................................................................40

выводы по главе 1...............................................................................................................................................................44

глава 2.....................................................................................................................................................................................47

язык формализации опыта экспертов, информационные технологии сбора и анализа медицинской информации, извлечения знаний из динамических баз данных...................................................................................................................................................................................47

2.1 Синтаксис описания параметра................................................................................................................................51

2.2. Синтаксис языка формализации опыта эксперта.................................................................................................54

2.3. Информационные технологии извлечения знаний из динамических баз данных..........................................62

2.4. Анализ информации комбустиологической базы данных...................................................................................85

2.5. Автоматизированный анализ информации кардиологической базы данных с целью оптимального

гемодинамического обеспечения при инфаркте..........................................................................................................89

2.6. прогнозная карта оценки риска распространения зоны инфаркта миокарда................................................93

2.7. прогнозная карта оценки риска развития левожелудочковой недостаточности..........................................97

выводы по главе 2.............................................................................................................................................................106

глава 3. математические модели и информационные технологии оценки функционального состояния печени.........................................................................................................108

3.1 .математическое моделирование кинетики 1311-БР для оценки функционального состояния гепатобилиарной системы..............................................................................................................................................109

3.2. математическая модель кинетики Ш1-БР для оценки функционального состояния гепатобилиарной системы человека. структурное описание математической модели...................................................................118

3.3. математическое описание камер модели............................................................................................................121

3.4. интерпретация кривых гепатограммы и клиренса крови с помощью математической модели и биологическая трактовка модели.................................................................................................................................124

3.5. теоретическая проверка модели и процедуры идентификации параметров..................................................129

3.6. информационные технологии и способы диагностики функционального состояния печени на базе математической модели кинетики гепатотропных индикаторов..........................................................................133

3.7. Апробация и клинические испытания информационных технологий диагностики функционального

состояния гепатобилиарной системы человека........................................................................................................136

выводы по главе 3.............................................................................................................................................................146

глава 4. комплекс программ автоматизированного скрининга организованных контингентов населения для выявления заболеваний желчевыводящей и мочевыводящей систем, пищеварительного тракта и онкологических заболеваний.....................................................................................................................................................................148

4.1 информационная модель предметной области медицинских информационных систем...........................148

4.2. Организация интерактивного взаимодействия с пользователем...................................................................154

4.3. Комплекс программ автоматизированного скрининга организованных контингентов...........................157

Выводы по главе 4.............................................................................................................................................................167

глава 5. информационные технологии мониторинга функционального состояния сердечно-сосудистой системы при инфаркте миокарда и автоматизированные телемедицинские комплексы удаленного консультирования.............................................168

5.1. Информационная технология прогнозирования массы пораженного миокарда по динамике

активности серийной КФК..............................................................................................................................................172

5.2. Информационная технология и способ сравнительного анализа последовательных

векторэлектрокардирограмм человека.........................................................................................................................176

5.3. Автоматизированные телемедицинские комплексы удаленного консультирования и диагностики.... 185

5.4. Программно-алгоритмические средства автоматизированного сбора, обработки и интерпретации

электрокардиосигналов при их многоканальной регистрации.....................................................................................190

кардиоцикла...........................................................................................................................................................................204

5.5. Автоматизированные телемедицинские комплексы удаленного....................................................................213

консультирования и диагностики...................................................................................................................................213

Выводы по главе 5.................................................................................................................................................................228

глава 6. проблемы реализации информационных технологий, математических моделей, методов и алгоритмов регистрации, обработки и преобразования медицинской информации для систем диагностики и прогнозирования патологических состояний человека..........................................................................................................230

6.1. Модели клиент-серверного и распределенного объектно-ориентированного взаимодействия медицинских приложений..................................................................................................................................................232

6.2. использование языка программирования JAVA для реализации принципа переносимости распределенных медицинских программных приложений........................................................................................235

6.3. Управление живучестью распределенных медицинских приложений............................................................237

6.4. Трассировка и мониторинг распределенных медицинских приложений........................................................265

6.5. Перспективы дальнейших исследований и разработок................................................................................282

Выводы по главе 6.................................................................................................................................................................284

выводы.....................................................................................................................................................................................286

список использованных источников............................................................................................................293

приложение а. комплекс программ математической модели кинетики гепатотропных индикаторов................................................................................................................................325

приложение б. текст вопросника автоматизированного скрининга организованных контингентов населения для выявления заболеваний желчевыводящей и мочевыводящей систем, пищеварительного тракта и онкологических заболеваний.............................................................................................................................337

приложение в. пример работы комплекса программ автоматизированного скрининга организованных контингентов населения для выявления заболеваний желчевыводящей и мочевыводящей систем, пищеварительного тракта и онкологических заболеваний (содержит максимально возможный список симптомов возможных заболеваний, вредных привычек и факторов риска )..............344

приложение г. акты испытаний и апробации математических моделей, способов диагностики........................................................................................................................................................................349

приложение д. документы подтверждающие внедрение результатов диссертационного исследования....................................................................................................................372

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

«-Ц* и бенгальская роза, меченая 131J (йод)

АДД артериальное давление диастолическое

АДС артериальное давление систолическое

БД база данных

вкг векторэлектрокардиограмма

гип графический интерфейс пользователя

КФК креатинфосфокиназа

лж левый желудочек

лжн левожелудочковая недостаточность

ЛЖИУР индекс ударной работы левого желудочка

ОПС общее периферическое сопротивление

ПВПФ поглотительно-выделительная функция печени

пвх пространственно-временные характеристики

пж правый желудочек

РФП радиоактивный фармакологический препарат

СМРП Система мониторинга распределенных приложений

СУБД система управления базами данных

чсс частота сердечных сокращений

ЭКГ Электрокардиограмма

экс Электрокардиосигнал

ATM Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронной передачи

С++ объектно-ориентированный язык программирования С++

сом Component Object Model - компонентная объектная модель

CORBA Common Object Request Broker Architecture - общая архитектура брокера объектных запросов

DCE Distributed Computing Environment - распределенная среда вычислений

DCOM Distributed СОМ - распределенная компонентная объектная модель

FTP File Transfer Protocol - протокол передачи файлов

FR Frame Relay - Передача Кадров

GUI Graphical User Interface - ГИП

IP Internet Protocol - межсетевой протокол

ISO International Standards Organization - Международная организация по стандартизации

MPLS Multi Protocol Label Switching - Многопротокольная Коммуникация с Использованием Меток

MFC Microsoft Foundation Classes - библиотека фундаментальных классов Microsoft

SNMP Simple Network Management Protocol - Простой протокол сетевого управления

SONET/SDH Synchronous Optical Network - Синхронная оптическая сеть

SQL Structured Query Language - язык структурных запросов к БД

TCP Transmission Control Protocol - протокол контроля передачи

ВВЕДЕНИЕ

Математические модели в медицине являются моделями нового типа. Создание их представляет собой большое искусство. Такие модели помогают не только решить с помощью современной компьютерной техники сложные многопараметрические задачи диагностики, но и выбрать оптимальные пути лечения. Использование вычислительной техники и математических методов в медицине - одно из бурно развивающихся направлений информатики. Особый интерес представляет проблема разработки и исследования динамических моделей в медицине, открывающих возможности решения задач не только диагностики состояния больного, но и прогнозирования развития течения патологического состояния организма с учетом различных вариантов лечения, внешних факторов. Данная проблема требует разработки нового методологического подхода к ее решению. Основная трудность состоит в отсутствии точных математических моделей изучаемых процессов; часто в наличии имеется только эмпирический опыт специалистов высокой квалификации, который необходимо научиться использовать для построения математических моделей сложных динамических систем. Математическое моделирование в медицине - сложная отрасль науки. Попытки применения вычислительной техники в медицине возникли сразу с появлением первых ЭВМ. В Украине среди пионеров этого движения следует в первую очередь отметить специалистов Института кибернетики АН УССР под руководством академика В.М.Глушкова ( работы коллективов академика Н.М.Амосова, профессоров А.А.Попова, Ю.Г.Антомонова, Л.С.Алеева, К.А.Иванова-Муромского, О.П.Минцера и других ). Значительный спрос на развитие методов медицинской и биологический кибернетики обусловили требования авиации и космонавтики, атомного подводного флота ( В.В.Парин, Р.М.Баевский и ДР-)-

Настоящая диссертация посвящена созданию математических моделей, систем сбора и обработки медицинских данных и связана с разработкой нових прогрессивных информационных технологий исследования динамики объектов для систем диагностики и прогнозирования патологических состояний человека. Ее наполнение

представляет собой взаимосвязанную совокупность исследований и разработок систем сбора и обработки медицинских данных различного назначения, направленных на разработку теоретических основ построения математических и информационных моделей динамических систем с целью диагностики и прогнозирования функционального состояния человека.

Особенностью данной области исследования является тесное переплетение и взаимосвязь фундаментальных результатов информатики, медицины, автоматизации исследований и сугубо прикладных аспектов, в частности, возможностей сети Интернет для построения принципиально новых медицинских сервисов, которые в последнее время нашли многочисленные практические применения в кардиологии, комбустиологии, онкологии, телемедицине и других разделах медицины.

В диссертационной работе обобщены результаты работ автора, выполненных в 1977 - 2004 годах.

Актуальность темы. За последние годы возрос интерес к задачам построения систем медицинской диагностики, анализа медицинской информации, математических моделей для диагностики и прогнозирования различных патологических процессов. Существенный прогресс достигнут в связи с бурным развитием систем распределенного сбора и обработки информации, который обусловлен широким распространением сети Интернет. Появились прикладные сервисы в сети Интернет, основанные на удаленной обработке и интерпретации медицинской информации, широко внедряется телемедицинский сервис - применение на практике методов дистанционного оказания медицинской помощи и обмена специализированной информацией на базе современных телекоммуникационных технологий.

К данному классу задач относятся и задачи построения динамических математических моделей патологических процессов, специализированных баз данных и баз знаний, новых диагностических алгоритмов оценки функционального состояния пациента, которые также решаются в настоящей диссертации. Таким образом, тема диссертации является актуальной.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в рамках ряда тем и программ Института кибернетики имени В.М.Глушкова HAH

Украины, в которых автор был ответственным исполнителем или научным руководителем:

1. Государственного комитета по науке и технике СССР:

• 0.69.01.07.08 "Разработать и внедрить системы анализа кардиологической информации с целью ранней диагностики сердечной недостаточности в остром периоде инфаркта миокарда" ( 1975-1980 ),

• "Разработать и внедрить алгоритмы и программы СМ ЭВМ для сбора, предварительной обработки, диагностической интерпретации магнито- и электро-кардиосигналов при их многоканальной регистрации", Постановление ГКНТ СССР № 555 от 30.10.1985 г. ( 1985 - 1990 гг.);

• "Разработать и внедрить в практику систему информационно-математического обеспечения процесса лучевой терапии больных злокачественными новообразованиями", Постановление ГКНТ, Госплана и АН СССР № 468/247/130 от 09.12.1990 ( 1991 - 1995 гг. ),

• «Разработать и внедрить в клиническую практику методы индивидуализации антиметастатической терапии с помощью ЭВМ», Постановление ГКНТ, Госплана и АН СССР ( 1986-1989 гг.);

• «Создать и ввести в эксплуатацию в АН УССР, первую очередь РВПС «Юго-Запад», а также типовые локальные сети различного назначения», Постановление ГКНТ СССР № 555 от 30.10.1985 г. ( 1986 - 1990 гг.).

2. Спецтем «Шелк», «Многолетник-1», «Определение наиболее характерных осложнений ожогов военного времени», «Разработка унифицированного метода диагностики острых периодов ожоговой болезни и прогнозирования ее исходов», Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР в 1978-1990 годах.

3. Ведомственных тем Института кибернетики имени В.М.Глушкова НАН Украины:

• «Развить теоретические основы построения сетей передачи информации с интегральным обслуживанием и провести экспериментальные и�