автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация в компьютерной обучающей системе лечебно-диагностической деятельности

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ОБУЧАЮЩИХ МЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМ.

1.1. Анализ основных направлений разработки и проектирования компьютерных обучающих систем.

1.2. Пути организации эффективного функционирования обучающих систем, ориентированных на формирование модели профессиональной деятельности.

1.3. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕДИЦИНСКОЙ

ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБУЧАЮЩЕЙ СИСТЕМЕ.

2.1. Модель управления процессом обучения деятельности.

2.2. Модель предметной области медицинской лечебнодиагностической деятельности.

2.2.1. Структура деятельности: компоненты, операциональный состав.

2.2.2. Функциональная модель деятельности.

2.3. Модель генерации проблемных ситуаций.

2.4.Моделирование естественного течения обструктивной формы гипертрофической кардиомиопатии у пациентов молодого возраста.

Выводы 2 главы.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОБНОВЛЕНИЯ МОДЕЛИ ОБУЧАЕМОГО В ЗАДАЧАХ ОБУЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.

3.1. Подход к построению МО для системы, обучающей деятельности.

3.2. Анализ диагностической деятельности с использованием процедуры последовательных решений вероятностного метода распознавания на примере диагностики гипертрофической кардиомиопатии.

3.3. Анализ целенаправленности разработки диагностических гипотез на основе вероятностной модели выбора.

3.4. Моделирование процесса принятия лечебных решений как полумарковского процесса принятия решений для анализа стратегии лечения, принимаемой обучамым.

Выводы 3 главы.

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

СИСТЕМЫ, ОБУЧАЮЩЕЙ ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.

4Л. Структура программной обучающей системы и ее техническия реализация.

4.2. Описание функционирования программной системы. Л

4.3. Апробация и внедрение результатов.

Выводы 4 главы.

Актуальность темы. Значение создания медицинской компьютерной обу-ющей системы , способствующей интеграции профессиональных знаний в )дель профессиональной деятельности.

Формирование профессионального поведения связано с воссозданием и воением обучаемым модели профессиональной деятельности. Под моделью стельности имеется в виду семиотический аспект деятельности - понимание аимосвязи между понятиями, необходимыми для осуществления деятельно-и, механизмов преобразования ситуаций, своей роли в этом преобразовании, ютановку реальных целей в контексте текущей ситуации, выдвижение гипотез воздействии на процесс для достижения поставленной цели, формирование югноза развития ситуации как результата выбранного действия. Если пред-5тной областью (ПО) является модель некой профессиональной деятельности, можно определить модель профессиональной деятельности [62 ] как сово-пность рациональных схем поведения в типовых проблемных ситуациях, воз-псающих в процессе осуществления профессиональной деятельности, вырабо-нных на основе профессионального опыта экспертов и основанных на объек-вных процедурах анализа состояния объектов воздействия, постановки целей связанных с ними ожидаемых результатов, выбора эффективных средств дос-жения цели и результата в рамках законов и причинно-следственных связей йствующих в данной ПО и профессиональных ограничений (табу профессии).

Анализируя процесс обучения в общем виде (без привязки к конкретной >едметкой области), можно отметить что основное внимание отводится обучено и освоению отдельных компонентов деятельности, в то время как основа юфессиональной деятельности - ее модель в целом в понимании обучающегоформируется стихийно, не системно и, в основном, на практике. Процесс ее армирования в значительной степени определяется сложностью осваиваемой стельности и ответственностью за конечный результат. Сложность профес-ональной деятельности зависит от числа подвидов деятельности, навыков и [ыта, необходимых для их реализации, объема и качества используемой ин-)рмации (четкость, полнота, надежность и др. ).

Медицинская деятельность может быть определена как сложно-струк-рированная деятельность, объединяющую в себе: компоненты, связанные с сагностикой, лечением, общением с пациентом и коллегами, познавательную, ководящую и др. Все эти виды деятельности имеют свои аспекты, которые >жно отнести к подвидам, и тесно связанные друг с другом. Кроме того меди-снская деятельность опирается на значительную информационную базу, теющую свойства : большой объем и разнородность, нечеткость, слабая фор-шизация, субъективность, изменчивость и др. При этом требуется не только ания из разных областей, но и понимание их взаимосвязи в рамках модели офессиональной деятельности в целом.

Рассмотрим процесс формирования модели медицинской деятельности практике и связанные с ним проблемы. В настоящее время обучение буду-4х врачей идет "информационным обвалом" [64] по разным предметам, с льшой глубиной проработки материала, сообщается огромное количество ин->рмации, воспитываются необходимые умения и навыки, но несмотря на это фективно применить знания выпускник не может. Проблема заключается в сформированности модели деятельности, а точнее в "мозаичности" ее фор-[рования. В процессе обучения "вырываются" из контекста всей деятельности дельные аспекты, преподаваемые науки теряют свою связь с практической ятельностью и в результате деятельность по их освоению перестает быть рудовой" (то есть связанной с решением профессиональных задач) и становит-"учебной" (направленной на запоминание и воспроизведение информации), эичем для эффективного принятия врачебных решений требуется много зна-ш, приемов, навыков, которые не могли быть сообщены и отработаны в рам-х отдельных курсов, а имеют междисциплинарное происхождение.

Таким образом, когда молодой врач сталкивается с реальной деятель->стью, он собирает "мозаичную" модель из разрозненных разделов меди-шы, часто не осознавая их связи с практикой, при этом многое в воссоз-нной модели не функционирует правильно, а часто и вообще отсутствует.

Эта проблема на практике, с приобретением опыта, находит свое реше-[е, и профессиональная модель деятельности в определенном виде постепенно )рмируется. Причем, этот процесс идет достаточно долго (часто на протя-;нии всей профессиональной деятельности), носит стихийный характер и эф-жтивность сформированной модели в основном зависит от личных и профес-ональных качеств врача. Профессиональным понятием, отражающим модель щи пинской деятельности является клиническое мышление [53], под кото-ш понимается умение интуитивно моделировать процесс лечения и прогно-ровать результаты, максимально используя осознанный и неосознанный ре-рс информации.

Профессиональный уровень врача, эффективность его работы связывают зазвитием клинического мышления, а его воспитание и развитие возможно на нове формирования и коррекции профессиональной модели деятельности в нимании обучающегося, проверки ее в различных проблемных ситуациях, руктурирования приобретенных знаний, выработке системного подхода к шению профессиональных задач.

Средой, в которой профессиональная модель деятельности и клиниче-:ое мышление формируется и корректируется, является практическая работа, только практические результаты являются критериями эффективности уровня звития этих понятий соответственно. Однако, обучение в программной среде, штирующей деятельность в целом, позволило бы освоить технологию приня-[я врачебных решений без риска для пациентов, способствовало формировано модели профессиональной деятельности, структурировало и организовы-ло профессиональное поведение, вырабатывало системный подход к решето профессиональных задач, и в конечном итоге способствовало уменьшению юла врачебных ошибок на практике.

Таким образом, актуальность данной работы заключается в разработке учающей системы, способствующей интеграции профессиональных знаний в щель профессиональной деятельности, на основе компьютерной имитации осиных компонентов и функциональных особенностей медицинской лечебно-агностической деятельности.

Целью диссертации является разработка методов, моделей и алгоритмов, я компьютерной системы, обучающей модели профессиональной медициной лечебно-диагностической деятельности на основе оптимальных процедур «нятия решений.

Поставленная цель предполагает решение следующих основных задач следования.

Определение и обоснование метода обучения модели медицинской ле-бно-диагностической деятельности в компьютерной системе, с учетом психо-го-педагогического и технического аспектов ее проектирования.

2.Разработка модели управления процессом обучения лечебно-тгностической деятельности и алгоритмов анализа процесса формирования [утренней модели деятельности у обучаемого.

3. Описание модели предметной области лечебно-диагностической дея-льности.

4. Методы построения и обновления модели обучаемого, основанные на ал-ритмах анализа диагностической и лечебной деятельности, и оптимальных юцедурах принятия решений.

5. Разработка структуры программной среды для обучения модели меди-шской лечебно-диагностической деятельности, информационное, программ->е и алгоритмическое обеспечение. Проведение апробации элементов обучаю-гй программной системы на примере диагностики гипертрофической кардио-топатии.

Научная новизна результатов исследования.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся науч-1Й новизной.

Предложена модель управления процессом обучения лечебно-[агностической деятельности, основанная на использовании нескольких стра-гий обучения, и обеспечивающая формирование внутренней модели деятель-1сти у обучаемого.

Алгоритм анализа процесса формирования внутренней модели деятельно-и у обучаемого, позволяющий оценить поведение обучаемого согласно моде: деятельности и сделать вывод о сформированности модели поведения у обу-емого.

Разработана модель предметной области (МПО), представленная структур-)й и функциональной моделями лечебно-диагностической деятельности с ав-рскими элементами.

Алгоритм генерации проблемных ситуаций для обучения медицинской ле-бно-диагностической деятельности, учитывающий связь действий обучаемого контекстом текущей ситуации и генерирующая изменения, обусловленные ими действиями и ходом времени.

Алгоритмы анализа диагностической деятельности для оценки: 1) инфор-шионной основы принятия диагностических решений; 2) проверки непроти-речивости выдвигаемых обучаемым гипотез о диагнозе на промежуточных апах в свете известных ему на этих этапах данных; 3) анализа целенаправлен-юти разработки диагностических гипотез.

Алгоритмы анализа процесса принятия лечебных стратегий обучаемым, на нове полумарковского процесса принятия решений. Целевые функции в моде-[ оптимизации комплекса лечебных мероприятий, позволяющие выявить оп-мальные стратегии лечения больных гипертрофической кардиомиопатией.

Практическая значимость и результаты внедрения.

Разработано программное и методическое обеспечение компьютерной сис-мы обучающей медицинской лечебно-диагностической деятельности на при-;ре диагностики и лечения гипертрофической кардиомиопатии, предназна-нное для использования в учебном процессе подготовки врачей.

Результаты внедрены в учебный процесс кафедр : " Факультетской тера-пи", "Терапии ФУВ" ВГМА, а также в учебный процесс кафедры "Системы томатизированного проектирования и информационные системы" ВГТУ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались I международных конференциях: Международная конференция студентов и пирантов "Ленинские горы 1995", Москва, МГУ, 1995 .Международная конвенция "Современные технологии обучения", С,- Петербург, 1998. Междуна->дная конференция "Информационные технологии в образовании, технике и едицине", Волгоград, 2000. На Всероссийских совещаениях-семинарах. "Оп-смальное проектирование технических устройств и автоматизированных сис-м", Воронеж, 1992. "Опыт информатизации в промышленности", Воронеж, '93. "Высокие технологии в проектировании технических устройств", Воро-¡ж, 1993. "Проблемы современной технологии обучения и развития умствен->й активности студентов", Воронеж, 1994. 5-й Всероссийской научно-»актической конференции по новым информационным технологиям в образо-нии "Черноземье 2000"(Воронеж, 2000 г.) Материалы диссертации доклады-лись и обсуждались на ежегодных научно- практических конференциях Воро-жского государственного технического университета (1992-1999 г. г.)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 пе-тных работ.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Из-жена на 130 страницах машинного текста, содержит список литературы из 99 именований, 18 рисунков, 16 таблиц.

В первой главе проводится анализ направлений развития современных мпьютерных обучающих систем с учетом психолого-педагогических и техни-ских аспектов их проектирования и разработки. Для существующих компью-рных обучающих программ (в том числе и медицинских) по реализуемым них методам обучения проведена классификация. Представлен сравнительный ализ существующих типов компьютерных обучающих систем в отношении с структурного и функционального строения, а также алгоритмической и тех-тсеской реализации связан с сравнением вариантов исполнения их основных »мпонент: модели предметной области (МПО), модели обучаемого (МО) )едставленной моделью знаний обучаемого (МЗО) и моделью индивидуальных >едметно-независимых характеристик, модуля управления обучением, интересом пользователя.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе обоснован выбор деятельностного подхода и метода "ак-[вного решения проблем" в качестве психолого-педагогического подхода к ¡учению лечебно-диагностической деятельности в компьютерной обучающей [стеме. Предложена идея программной поддержки цикла деятельности - как новы формирования и алгоритм анализа процесса формирования внутренней здели деятельности у обучаемого.

Создана модель управления процессом обучения лечебно-диагностической стельности, основанная на использовании нескольких стратегий обучения, вработана модель предметной области (МПО) лечебно-диагностической дея-льности. Описана структура, компоненты, операциональный состав и функ-юнальная модель профессиональной деятельности.

Описана модель имитации изменения состояния здоровья пациента, кото-я является моделью генерации проблемных ситуаций в процессе обучения ме-щинской лечебно-диагностической деятельности, учитывающая связь дейст-й обучаемого с контекстом текущей ситуации и генерирующая изменения, условленные этими действиями и ходом времени. Построена модель естест-нного течения обструктивной формы гипертрофической кардиомиопатии у

12 щиентов молодого возраста в качестве модели предметной области медициной лечебно-диагностической деятельности

В третьей главе предложен метод построения и обновления модели обу-юмого. Разработаны алгоритмы анализа диагностической деятельности для [емки : 1) Информационной основы принятия диагностических решений 2) зоверки непротиворечивости выдвигаемых обучаемым гипотез о диагнозе на )о межуточных этапах в свете известных ему на этих этапах данных. 3) Анализа ленаправленности разработки диагностических гипотез.

Разработаны алгоритмы анализа процесса принятия лечебных стратегий ¡учаемым, на основе полумарковского процесса принятия решений.

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации разрабо-нных методов, моделей и алгоритмов и их применению.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

В приложении приводятся материалы по внедрению.

Выводы четвертой главы

1. Разработана функциональная структура программного обеспечения, отрены состав и назначение ее основных блоков В соответствии с пред-шой логической схемой выделены: модуль описания ПО и решения за-модуль, реализующий анализ процесса обучения, модуль управления ссом обучения. Описаны используемые структуры данных.

2. Разработан интерфейс взаимодействия программной системы с обу-[м и экспертом, состоящий из средств диалогового взаимодействия и гв графической визуализации результатов процесса обучения.

3. Разработано программное и методическое обеспечение компьютерной яы, обучающей медицинской лечебно-диагностической деятельности и цена апробация на примере диагностики и лечения гипертрофической омиопатии.