автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Прогнозирование и алгоритмизация управления медицинской ситуацией региона на основе медико-экологического мониторинга с применением геоинформационных технологий

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОЙТЕНКО АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ МЕДИЦИНСКОЙ СИТУАЦИЕЙ РЕГИОНА НА ОСНОВЕ МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО

МОНИТОРИНГА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

Специальность 05.13.09 - Управление в биологических и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., доцент ПОПОВА О.Б. Научный консультант: к.т.н., доцент ФЕДОРКОВ Е.Д.

Воронеж 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................4

1. ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА МЕДИЦИНСКОЙ СИТУАЦИИ РЕГИОНА С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АСПЕКТА..................13

1.1. Пути повышения эффективности управления медицинской ситуацией на базе геоинформационных систем.........................13

1.2. Особенности организации медико-экологического регионального мониторинга......................................................23

1.3. Цель и задачи исследования...............................36

2. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА..............37

2.1. Структуризация и формализация данных медико-экологического мониторинга с учетом пространственно-временного аспекта..............37

2.2. Исследование статистического взаимодействия между показателями медико-экологической ситуации региона ................40

2.3. Классификация территориальных единиц по результатам краткосрочного прогнозирования уровня заболеваемости населения.......48

ВЫВОДЫ ВТОРОЙ ГЛАВЫ..................................56

3. ПОСТРОЕНИЕ ПРОГНОСТИЧЕСКИХ ОЦЕНОК УРОВНЯ ЗАБОЛЕВАЕМОСТИ НАСЕЛЕНИЯ РЕГИОНА НА ОСНОВЕ МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА..............57

3.1. Прогнозирование уровня сердечно-сосудистых заболеваний .... 57

3.2. Оценка психического состояния населения региона по результатам краткосрочного прогнозирования....................................66

3.3. Построение прогностических оценок уровня гинекологической заболеваемости...................................................68

3.4. Прогнозирование уровня заболеваний дыхательной системы по данным медицинского мониторинга..............................72

ВЫВОДЫ ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЫ..................................78

4. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ... .79

4.1. Обобщенная схема принятия управленческих решений и алгоритмы формирования исходного множества альтернатив.......................79

4.2. Анализ методов, реализующих информационную поддержку принятия решений в условиях недостаточности исходной информации .... 86

4.3. Модифицированный алгоритм принятия управленческих решений с учетом важности медицинских и экологических показателей...........97

ВЫВОДЫ ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЫ..............................104

5. РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ..........................106

5.1. Информационное и программно-аппаратное обеспечение процесса принятия управленческих решений в здравоохранении.................106

5.2. Разработка тематических карт на базе ГИС-вьюера..........117

5.3. Анализ результатов реализации процедур принятия управленческих решений и их внедрение в практику здравоохранения. ... 126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................132

ЛИТЕРАТУРА.............................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ

145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время в здравоохранении все чаще используются автоматизированные системы информационно-интеллектуальной поддержки принятия решений: специализированные базы данных, библиотечно-поисковые системы, электронные дидактические материалы, консультативные и телемедицинские системы, - которые помогают осуществлять выбор диагноза и тактику лечения заболеваний, производить дистанционный мониторинг или хирургическое вмешательство, обучать медперсонал и повышать его квалификацию, принимать управленческие решения по проведению организационных и лечебно-профилактических мероприятий.

Отсутствие строгой формализации медицинских знаний и большие объемы неоднородной информации, отсутствие или неполнота достоверных данных об исследуемых биомедицинских объектах, влияние факторов окружающей среды и необходимость сведения к минимуму риска, связанного со здоровьем и жизнью людей, возможная субъективность восприятия ситуации врачом-специалистом - все это значительно осложняет формирование и выбор оптимальных вариантов управляющих решений в медицинских системах.

Проводимые в последние десятилетия медико-экологические мониторинговые исследования выявили высокую степень зависимости уровня заболеваемости населения относительно различных нозологических форм от геоэкологических факторов внешней среды, что связывается с ухудшением социально-экономических условий жизни населения и экологической обстановки в регионах, прогрессирующей урбанизацией при общем снижении комфортности городской среды. Многомерность исходных данных, различие в форматах хранения, возможность только качественных оценок многих показателей и отсутствие наглядного представления их динамики с учетом пространственного и временного аспектов, нечеткое задание критериев принятия

решений, - все это создает сложности при оценивании медицинской ситуации в регионе лицами принимающими решения (ЛПР). В связи с этим значительный интерес представляет исследование медицинских, социально-экономических, природно-хозяйственных, экологических показателей с помощью компьютерных информационных технологий.

Таким образом, актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью моделирования медицинских ситуаций в регионе по данным медико-экологического мониторинга и прогнозным оценкам, применения геоинформационных технологий и разработки алгоритмов процесса информационной поддержки принятия решений при распределении медицинских ресурсов и выборе стратегии организации лечебных и методических мероприятий на любом уровне системы здравоохранения.

Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой 12.11 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является прогнозирование, разработка алгоритмов управления медицинской ситуацией региона и реализация процесса информационной поддержки принятия управленческих решений в здравоохранении по результатам обработки данных медико-экологического мониторинга.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

провести анализ перспективных направлений развития информационных технологий для моделирования медицинской ситуации с учетом геоэкологических факторов окружающей среды;

разработать технологию обработки многомерных данных медико-экологического мониторинга с применением геоинформационных технологий;

построить краткосрочные прогнозы медицинской ситуации в регионе относительно сердечно-сосудистых, психических, гинекологических и пульмонологических заболеваний;

предложить модифицированную схему принятия управленческих решений, учитывающую степени важности медицинских и экологических показателей при рассмотрении многокомпонентной медицинской ситуации;

разработать информационное и программное обеспечение, реализующее процесс информационной поддержки принятия управленческих решений и апробировать результаты исследования в практическом здравоохранении.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы теории управления, принципы и основные положения теории вероятностей и математической статистики, нечеткой логики, методы геоинформационного моделирования.

Научная новизна. Основные результаты диссертации, имеющие научную новизну, состоят в следующем:

технология обработки информационных потоков данных медико-экологического мониторинга, позволяющая на основе выявленной достоверной статистической взаимосвязи показателей экологических факторов и показателей уровня здоровья населения региона и прогнозных оценок медицинских показателей формировать индексы комфортности для территориальных единиц региона с учетом пространственно-временного аспекта;

обобщенная схема и модифицированный алгоритм принятия управленческих решений по распределению медицинских ресурсов в условиях недостаточности исходной информации, отличающиеся использованием индексов комфортности территориальных единиц региона и учетом степени важности включаемых в критерий факторов и позволяющие повысить надежность принимаемых решений за счет использования результатов прогнозирования и геоинформационного моделирования медицинской ситуации региона;

методика построения тематических карт, отличающаяся возможностью графического обоснования прогностических оценок и результатов геоинформационного моделирования по данным медико-экологического мониторинга и позволяющая повысить эффективность принимаемых ЛПР решений.

Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенная технология обработки данных медико-экологического мониторинга позволяет реализовать информационную поддержку принятия управленческих решений в задачах практического здравоохранения и предоставить ЛПР дополнительную визуальную информацию.

Разработанный модифицированный алгоритм принятия управленческих решений позволяет уменьшить дефицит исходной информации при рассмотрении многокомпонентной медицинской ситуации. Реализация процесса информационной поддержки принятия управленческих решений позволяет оптимизировать их с учетом возможного риска.

Результаты исследования в виде методики обработки данных медико-экологического мониторинга, информационного и программного обеспечения используются в учебном процессе Воронежского государственного технического университета (ВГТУ) по специальностям 190500 - «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и 071900 - «Информационные системы (по областям применения)», в научно-исследовательской работе кафедры природопользования и мониторинга окружающей среды Воронежского государственного университета (ВГУ).

Разработанные схема и алгоритм получены при участии автора в научно-исследовательской работе № ГБ 96.27 «Разработка алгоритмического, программного обеспечения процессов диагностики и лечения заболеваний и формирования автоматизированных систем».

Медико-экономическая эффективность работы заключается в осуществлении рационального выбора управленческих решений с учетом анализа данных медико-экологического мониторинга за варьируемый временной ин-

тервал по территориальным единицам региона.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 3-й Международной конференции «Информационные технологии в медицине и экологии» (Украина, Крым, Гурзуф, 1997); Всероссийской научно-технической конференции «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань,1997); Всероссийских совещаниях-семинарах «Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1996,1997); «Высокие технологии в региональной информатике» (Воронеж, 1998); Межрегиональной научно-практической конференции "Актуальные вопросы обеспечения качества медицинской помощи. Аккредитация и лицензирование медицинской и фармацевтической деятельности" (Воронеж, 1998); региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы информационного мониторинга" (Воронеж, 1998); Научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (1996-1998).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, содержит список литературы из 110 наименований, основная часть работы изложена на 133 страницах машинописного текста, приведено 20 таблиц и 33 рисунка.

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, показываются основные методы решения поставленных задач.

В первой главе проведен анализ новых информационных технологий используемых для обработки данных медико-экологического мониторинга. Рассмотрены возможности использования ГИС для повышения эффективности управления медицинской ситуацией региона с учетом ее многоаспектно-

сти. Показана преемственность и интеграция ГИС с другими автоматизированными информационными системами. Обсуждаются аспекты аппаратного, программного и информационного обеспечения ГИС. Дан обзор существующих программных реализаций ГИС и их классификация.

Обсуждается комплекс экологических проблем Воронежской области на фоне общего ухудшения состояния окружающей среды в России за последние 10-15 лет. В связи с этим особый интерес приобретает выделение антропогенной составляющей загрязнения окружающей среды и изучение влияния на человеческий организм ксенобиотиков, не встречающихся в природе, синтезированных человеком веществ.

В последние десятилетия одним из основных направлений научных исследований, изучающих взаимосвязь экологических показателей и уровня заболеваемости населения по различным нозологическим формам, является разработка системы регионального медико-экологического мониторинга (РМЭМ). В главе показаны основные задачи и принципы построения системы РМЭМ с использованием новых информационных технологий, в частности, геоинформационных.

Определены цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе обсуждается технология обработки данных медико-экологического мониторинга, включающая следующие этапы:

- структуризация и формализация данных медико-экологического мониторинга с учетом пространственно-временного аспекта;

- исследование статистического взаимодействия показателей техногенного прессинга на окружающую среду и уровня заболеваемости населения региона на основе корреляционного анализа;

- классификация территориальных единиц региона по варьируемому набору медицинских и экологических показателей с учетом выявленных достоверных корреляций;

- построение краткосрочных прогнозов уровня заболеваемости населения региона для рассматриваемых нозологических форм методами прямого и адаптивного прогнозирования;

- оценивание территориальных единиц региона на основе формируемых индексов комфортности.

Полученные данные медико-экологического мониторинга представляют собой значительный объем неоднородной информации, дифференцируемой как по источникам получения (ЛПУ, фонд медицинского страхования, областные организации здравоохранения и т.д.), так и по типам: формы медицинской отчетности ЛПУ, базы данных (БД) различных автоматизированных систем медицинского назначения, экологические БД. Учитывая, разнообразие типов и форматов хранения данных, наличие пропусков и ошибок в них, представление в неинформативных абсолютных показателях актуальной является задача структуризации и формализации данных медико-экологического мониторинга с учетом пространственно-временного аспекта.

При исследовании статистического взаимодействия экологических и медицинских показателей были выделены группы экологических показателей, оказывающих наибольшее влияние на уровень заболеваемости населения относительно каждой из рассматриваемых нозологических форм: астма, гипертония, эндометриоз, психозы.

Предложена классификация территориальных единиц региона по совокупности выделенных экологических показателей, реализованная с помощью алгоритмов прямой классификации и позволяющая выделить однородные группы территорий, что объясняется в основном сходными экологическими условиями, типами почв, климатом.

Рассмотрен методический подход к построению прогностических оценок уровня заболеваемости по рассматриваемым нозологическим формам методами прямого и адаптивного прогнозирования.

Сформированы индексы комфортности: медицинский Кгм и экологический К¡э территориальных единиц региона, интерпретируемые как интегральные оценки медико-экологической ситуации относительно выбранных временного интервала и нозологических форм.

Третья глава включает комплекс математических прогностических моделей уровня заболеваемости населения региона, реализованных на примере гипертонической болезни, психозов, заболеваний непсихотического характера, эндометриоза, астмы. Проведен сравнительный анализ динамики уровня заболеваемости по отдельным территориальным единицам, позволивший выявить среди них наиболее «неблагополучные» относительно о