|
ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПИЛИПЕНКО МИКОЛА ВАДИМОВИЧ
УДК 004.04:616-07:681.32:537.8
МОДЕЛІ ТА АЛГОРИТМИ ДІАГНОСТИКИ В МЕДИЧНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМАХ
Спеціальність 05.13.06 —
автоматизовані системи управління і прогресивні
інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Херсон — 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Лубяний Віктор Захарович, завідувач кафедри електронного машинобудування Херсонського національного технічного університету;
доктор технічних наук, професор Бідюк Петро Іванович, професор кафедри математичних методів системного аналізу Національного технічного університету України (КПІ), м. Київ.
Провідна установа:
Харківський національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського (ХАІ), Міністерство освіти і науки України, м. Харків.
Захист відбудеться “09” грудня 2005р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 у Херсонському національному технічному університеті, за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корп. 1, ауд. 223.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Херсонського національного технічного університету, за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корп. 1.
.
Автореферат розісланий “ 7 ” листопада 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради ____________________ Костін В.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. За останні роки зріс інтерес до проблем комп'ютеризації медичної діагностики. До задач побудови медичних інформаційних систем (МІС) відносяться задачі побудови динамічних математичних моделей патологічних процесів, спеціалізованих баз даних і баз знань, нових діагностичних алгоритмів оцінки функціонального стану пацієнта.
Математичні моделі, розв'язуваних у МІС задач та способи їх реалізації вивчалися вченими Амосовим М.М., Анікіним І.В., Марасановим В.В., Мінцером О.П., Вороненком Ю.В., Власовим В.В., Розенбоймом Дж., Масуямой М. та ін.
Системи комп'ютерної томографії, ультразвукової і тепловізійної діагностики не виконують якісний аналіз структури зображень. Інформатизація лабораторних методів досліджень не є досконалою. У зв'язку з цим гостро стоїть питання створення МІС, що виконують і функції обробки рентгенограм, термограм і ультразвукових ехограм внутрішніх органів людини, спроможних виконувати аналіз зображень тканин, а також із високою точністю відтворювати результати лабораторних досліджень. Таким чином створення розвинутих медичних інформаційних систем діагностики є актуальним завданням.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Зміст роботи, її основні задачі відповідають державним науково-технічним програмам, сформульованим у Законах України, а також планам найважливіших науково-технічних робіт Міністерства освіти і науки України.
Дисертаційна робота виконана на кафедрі інформаційних технологій Херсонського національного технічного університету в рамках держбюджетної теми, реєстр. № 0105U000950 та “Договору про науково-технічне співробітництво” від 3.01.2004, Херсонського національного технічного університету з міською лікарнею ім. А. і О. Тропіних. Автор брав участь у даній роботі як виконавець.
Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розвиток теорії і відповідного інструментарію формалізації, моделювання задач діагностики захворювань жіночої репродуктивної системи, розробка методів, математичних моделей, алгоритмів, програмного забезпечення, МІС для прийняття рішень з виявлення патологій внутрішніх органів.
Для досягнення поставленої мети в роботі потрібно сформулювати і вирішити наступні задачі:
— удосконалити елементи конструктивної теорії і проблемно-орієнтованого інструментарію формалізації і моделювання діагностичних методів для МІС;
— розробити математичну модель, функціональну модель і методику діагностики патологій у пацієнтів;
— розробити математичну модель і методику планування проведення хімічних методів досліджень у лабораторному аналізі і їх формалізації в МІС;
— розробити математичну модель і структуру для транспортування біологічних середовищ у лабораторних дослідженнях і їх формалізації для МІС;
— розробити математичну модель цитологічних досліджень жіночих репродуктивних органів і їх формалізацію для МІС;
— розробити алгоритм і програму обробки зображень рентгенограм і ультразвукових ехограм із перетворенням їх у кодоване контрастне забарвлення зображеннь;
— розробити метод і модель проведення тепловізійної діагностики з виявленням чітких границь розподілених температурних полів досліджуваних органів для МІС;
— розробити алгоритм і програму для МІС прийняття рішень при розподілі інформації з індивідуальних параметрів об'єктів у системі з обходом тупиків;
— розробити програму криптографічного захисту лікарської інформації від несанкціонованого використання для МІС.
Об'єкт дослідження — процес діагностування внутрішніх органів пацієнта.
Предмет дослідження — методи збору, обробки й інтерпретації медичної інформації.
Методи дослідження — теоретичні дослідження діагностики патологій базуються на наступному інструментарії: цифрова обробка зображень; методи математичного моделювання; математичний і фізичний аналіз фізіологічних процесів внутрішніх органів пацієнтів; формалізація і перетворення інформації.
Наукова новизна результатів. На основі запропонованих математичних і інформаційних моделей, методів діагностичної інтерпретації медичної інформації і їх аналізу створені математичний апарат і інструментальні засоби, що складають основу МІС:
1. Розроблено математичну модель і метод аналізу профілактичної діагностики пацієнтів у МІС.
2. Вперше розроблена математична модель і структурна схема алгоритму діагностики патологій у пацієнтів шляхом детектування і порівняння нейросигналів.
3. Вперше розроблена математична модель і формалізація проведення цитологічного дослідження жіночих репродуктивних органів для МІС.
4. Вперше запропонований концептуальний підхід і розроблені математична модель і алгоритм для планування експериментальних досліджень у лабораторному аналізі і їх формалізація в МІС.
5. Вперше розроблені математична модель і структура транспортування біологічних середовищ у лабораторних дослідженнях і їх формалізація в МІС.
6. Розроблені алгоритм і програма перетворення рентгенограм і ультразвукових ехограм у контрастне забарвлення, що підвищують точність розпізнавання патологій.
7. Вперше розроблені алгоритм, принцип і функціональна модель тепловізійної системи одержання чітких границь розподілених температурних полів досліджуваних органів.
8. Розроблено модель і програму “MedIS”, що дозволяють розподіляти інформацію за індивідуальними параметрами об'єктів у системах з обходом тупиків.
9. Розроблено алгоритм, програму “WOLKEY” для захисту від несанкціонованого використання медичної інформації.
Практичне значення результатів.
1. Розроблено і впроваджено в Херсонській лікарні ім. А. і О. Тропіних (акт від 05.10.2005р.) програмне забезпечення МІС для обробки рентгенограм, термограм і ультразвукових ехограм печінки, легенів, порожнини матки, що дозволяє по чорно-білих зображеннях інтерпретувати і візуально розрізняти здорові тканини від тканин із патологіями, використовуючи кодування з контрастним забарвленням.
2. У рамках держбюджетної теми, реєстр. № 0105U000950 та “Договору про науково-технічне співробітництво” від 3.01.2004, Херсонського національного технічного університету з міською лікарнею ім. А. і О. Тропіних, — завершена “Розробка програмного забезпечення і комп'ютерної системи медичної діагностики”, де розроблена методика побудови МІС для аналізу патологій в організмі пацієнтів (акт від 05.10.2005р.).
3. Програмне забезпечення і методика застосовуються в навчальному процесі, при виконанні курсових робіт, дипломних проектів студентів і магістрів (акти від 30.08.2005 р., 31.08.2005 р. та 31.08.2005 р.) Херсонського національного технічного університету.
Особистий внесок здобувача полягає в аналізі науково-технічної проблеми, постановці й обґрунтуванні задач та мети дослідження, створенні адаптованих до задач дисертаційних досліджень інформаційних технологій, розробці нових моделей і алгоритмів діагностики пацієнтів медичної інформаційної системи, розробці програмних продуктів, узагальнені одержаних при дослідженні результатів.
Наукові положення, висновки, рекомендації, практичні результати належать авторові і не містять результатів, що належать співавторам, разом з якими опубліковано роботи.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних конференціях “Динаміка наукових досліджень” (28 жовтня — 4 листопада 2002 року, Дніпропетровськ — Дніпродзержинськ — Черкаси), “Наука й освіта '2003” (20-24 січня 2003 року, Дніпропетровськ — Мелітополь), “Інформаційні системи в управлінні й освіті” (травень 2004 і 2005 року, м. Н-Каховка).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 наукових праць, з них 7 — у виданнях, що входять до переліку, затвердженого ВАК України.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури з 232 джерела і 20 додатків. Вона містить 63 ілюстрації і 5 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 216 сторінок, у тому числі 170 сторінок основного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність задачі, рішенню якої присвячена робота. Сформульовано основну мету і задачі досліджень. Викладено основні результати, одержані в роботі, їхня новизна, відзначена їх наукова і практична значимість.
У першому розділі розглянуто стан питань із проблем розробки і реалізації математичних моделей, медичних інформаційних систем для діагностики і прогнозування патологічних станів пацієнтів. Виконано огляд існуючих методів і постановка задачі досліджень.
В другому розділі проведені теоретичні дослідження фізичних процесів медичних інформаційних діагностичних систем. Досліджено моделі фізичних процесів у біологічних об'єктах і в технічних пристроях діагностики біологічних об'єктів. Проведено теоретичні дослідження технічних засобів діагностики на предмет їхньої ефективності і методів підвищення надійності медичних інформаційних систем. У висновку наголошено, що усунення небажаного впливу багатьох фізичних параметрів на пацієнта є розв'язуваною задачею.
Розглянуто фізичні процеси турбулентності в пристінному шарі, як параметри що впливають і викликають загибель біологічного середовища в медичному дослідницькому лабораторному устаткуванні. Розроблено алгоритм процедури транспортування аналізів біологічних матеріалів, який усуває недоліки існуючих методів.
На прикладі вивчення принципу роботи термодинамічної системи показана доцільність його використання в медичному лабораторному устаткуванні для збору цитологічного матеріалу з внутрішньо-порожнинних органів.
Дослідження методів обробки рентгенограм і ехограм дозволили виявити недоліки існуючих методів, усунути які можливо кодуванням з контрастним забарвленням чорно-білих зображень для наступного аналізу.
Розглянуто фізичний принцип проведення тепловізійної діагностики інфрачервоним (ІЧ) випромінюванням від біологічних тканин. Вивчено фізичні процеси впливу на об'єктивність оцінки досліджуваних об'єктів у МІС.
При постановці експертної оцінки стану організму пацієнта, щоб уникнути збою в медичній інформаційній системі, вивчені можливі причини підвищення ефективність роботи МІС.
Третій розділ присвячений розробці математичних моделей компонентів інформаційних систем медичної діагностики.
Розроблено метод і математичну модель порівняння результатів діагностики патологій в організмі пацієнтів для прийняття рішень.
Профілактичні діагностичні заходи у вигляді каркаса циклу містять у собі сукупність результатів методів і засобів діагностики фізіологічних параметрів пацієнта при  -тому обстеженні, за умови, що являють собою деякі множини засобів або методів діагностики, представлених у виді мікроциклів, що складають каркас циклу (рис. 1) із точками входу і точками виходу.
Рис. 1. Образ каркаса циклу із сукупністю мікроциклів :
— точки входу в мікроцикл; — точки виходу з мікроциклу
Тому що каркас циклу є множиною мікроциклів, то:
При проходженні пацієнтом періодичних профілактичних діагностичних обстежень виникає необхідність порівняння результатів обстежень за низку періодів (рис. 2).
Рис. 2. Ілюстрація порівняння результатів періодичних профілактичних діагностичних заходів з різних періодів за образами циклів
Порівняння результатів багаторічних даних з використанням запропонованого методу дозволяє за рахунок поетапного порівняння, представленого на рис. 2 у зрізах після кожного мікроциклу (рис. 3), визначити, на якому етапі виявлялися патології або після прийняття яких лікувальних процедур починалася ремісія.
Рис. 3. Ілюстрація використання даних за зрізами після відповідних мікроциклів
Якщо зріз позначити як при де — порядковий номер зрізу, то ідентифікацію за родинними зрізами можна позначити як де  — індекс образу каркаса циклу, а кількість родинних зрізів дорівнює. Дані за родинними зрізами аналізуються з метою виявлення етапу виникнення або патології, або ремісії, тоді як загальний зріз (рис. 3) дає повне уявлення всього циклу проведених діагностичних заходів.
Якщо прийняти, що загальний зріз останнього мікроциклу, то загальна ідентифікація буде матрицею.
Формалізація діагностичної процедури. Стан пацієнта з кожного виду діагностики визначається вектором.
Для формалізації процедури пошуку діагнозу відповідним параметрам стану пацієнта й прийняття експертного рішення в МІС введемо еталонний вектор для постановки діагнозу:
де кількість компонентів векторів діагностики дорівнює кількості мікроциклів. Порівняння векторів виявляє збіг або розбіжність параметрів мікроциклу за еталоном у кожному компоненті.
Суміщення компонентів, що збіглися, відповідає будь-якому діагнозові, який може бути поставлений пацієнтові. Причому, різні суміщення таких збігів можуть відповідати тому самому діагнозові. Тому потужність множини діагнозів менше числа різноманітних суміщень різних збігів.
Результат порівняння векторів позначимо:
Множину векторів  позначимо  .
Множину усіх діагнозів, які можуть бути поставлені пацієнтові, представимо у вигляді:
Існує відображення:
зіставляє кожному вектору  деякий діагноз.
Запропонований метод не виключає застосування існуючих методів аналізу, а лише формує їх в організовану структуру для експертної оцінки стану патологій порівнянням результатів періодично проведених діагностичних досліджень пацієнтів.
Розроблені математична модель, структурна схема алгоритму і методика діагностики патологій в організмі пацієнтів. Виявлення патологій виконується виміром гармонік частот терапевтичних меридіанів, на предмет визначення парності.
Схематично можна показати, що пацієнт є простором для здійснення зв'язку між окремими його компонентами, а сукупність терапевтичних меридіанів — каналом зв'язку (сукупність засобів, призначених для передачі інформації від джерел повідомлення).
У розробленому методі, попарно досліджуються терапевтичні меридіани, виявляється меридіан, що генерує частоти, які створюють парні гармоніки, тобто не відповідають рядові непарних частот. Крім того, визначається його девіація.
Розроблені концепція, математична модель і принцип проведення хімічних методів дослідження дозволяють підвищити точність результатів у клінічних і бактеріологічних лабораторіях.
Імовірність одержання визначеної послідовності результатів E1, E2, …, En при проведенні повторних експериментів позначимо:
Імовірність здійснення хоча б одного з двох експериментів E1 і E2 буде дорівнювати:
Приймаючи, що подія E відбувається при наявності вхідних компонентів InComp, обставин Oper які діють і результуючих компонентів OutComp, можна записати, що:
причому, як InComp, так і OutComp характеризуються якісними Qual і кількісними n параметрами:
які далі позначимо як і відповідно.
Так, як і InComp, і OutComp містять ряд компонентів з різними якісними і кількісними параметрами:
та
де Ci — компонент.
Діюча обставина Oper :
де, — суперпозиція відомих параметрів: тиску, температури, електричного поля, магнітного поля, електромагнітної хвилі з її частотою і квантом впливу й ін.; in, ext і n — указують на значення параметрів усередині реактора, зовні і додаткові, відповідно;  — коефіцієнт впливу невідомих випромінювань.
Коефіцієнт впливу випромінювань  представимо у виді:
де  — гравітаційна постійна;  — індекс сонячної активності (число Вольфа  );  — індекс планетарної геомагнітної активності, які на кожен момент часу і для будь-якої точки Земної кулі можна одержати в найближчій геомагнітній обсерваторії.  ,  і  представлені у відносних одиницях. При проведенні досліджень у тих самих географічних координатах  можна знехтувати.
 — буде виражати величину впливу випромінювань на момент проведення вдалого (одиничного) експерименту,  — на час планування (повтору) вдалого експерименту.
Знаходимо показник відмінності:
значення якого буде важливим для зміни в ту або іншу сторону одного або декількох складових параметрів  (концентрація речовин, кількість компонентів, типи каталізаторів, інгібіторів, значення і параметри спектра електромагнітних випромінювань та ін.).
Розроблено алгоритм і модель загальних параметрів для опису принципу функціонування вузлів транспортування біологічних середовищ. При транспортуванні аналізів, взятих у пацієнтів, виникає задача у виявленні збудників інфекцій, які нерідко гинуть при перенесенні їх із середовища “in vivo” у середовище “in vitro” унаслідок деформації в пристінному шарі лабораторних інструментів і внаслідок градієнта температур.
Фактори, які впливають на транспортування біологічних середовищ виявлені, що послужило основою для розробки моделі і структури лабораторного пристрою.
Розроблено алгоритм і концептуальні моделі існуючого методу збору цитологічного матеріалу і розробленого методу. У результаті отриманої моделі з'ясовані недоліки збору цитологічного матеріалу існуючим методом з різних частин жіночих відтворюючих органів (методом мазка).
Склад мазка  з  -тої локалізації можна охарактеризувати множиною:
де, — множина епітеліальних клітин; — множина лейкоцитів; — множина реакції внутрішньо-порожнинного вмісту; — множина фрагментів зруйнованих клітин; — множина атипічних клітин, і т.д.; — множина мікрофлори, що у свою чергу є , де — множина паличок Дедерлейна; — множина патогенної флори. Патогенна флора, в свою чергу залежить від множини різновидів інфекційних збудників . Причому, усі складові, крім  , характеризуються кількісними параметрами вмісту. З приведеної формули видно, що склад мазка  багатокомпонентний і різнорідний.
На рис. 4 представлена структура зібраного цитологічного матеріалу: а ( ) Ї шар поверхневих клітин (функціональний шар); б ( ) Ї інтраепітеліальний шар; в ( ) Ї інтермедіарний шар, представлений проміжними клітинами; г ( ) Ї шар навікулярних клітин; д ( ) Ї зовнішній і є ( ) Ї внутрішній базальний шари, представлені базальними клітинами.
Рис. 4. Структура зібраного цитологічного матеріалу
Таким чином, виконується відношення порядку:
Тоді пропонований інструментальний метод представимо структурою причому:
де  — проміжні клітини;  — навікулярні клітини;  — базальні зовнішні клітини;  — базальні внутрішні клітини, а:
тобто вміст шарів не перемішується, а це означає, що при наявності в будь-якому шарі руйнувань можна висновувати про патологію. У МІС дослідження внутрішньо-порожнинних органів можна робити, локалізуючи дослідження з високим рівнем дискретизації.
Сформовано вихідні параметри для інформаційного методу обробки рентгенограм і ехограм. Вибору цього методу сприяли фізіологічні характеристики рівня яскравості і колірного сприйняття людини. Розроблено метод, алгоритм і програма обробки рентгенограм і ультразвукових ехограм. Загальна блок-схема алгоритму перетворення зображень представлена на рис. 5.
Рис. 5. Блок-схема алгоритму перетворення зображень
Розроблений метод дозволяє виявити візуально нерозрізнені зміни рівнів градацій сірого за рахунок застосовуваних алгоритмів і методів забарвлення контрастними кольорами, що дозволить у процесі прийняття лікарського рішення дати об'єктивну оцінку зображуваних патологій.
Сформовано модель фізичного процесу корекції зображень для методів тепловізійної діагностики біологічних об'єктів. Визначено вплив дифракції на результуючий сигнал. Цей аналіз дозволив вибрати шлях рішення проблеми дифракційних витрат, що забезпечує високу якість виявлення границь запалених тканин при тепловізійній діагностиці внутрішніх органів пацієнтів.
Розроблено метод і побудована математична модель захисту лікарської інформації від навмисного спотворення і несанкціонованого доступу.
На рис. 6 представлений приклад зміни форми тривимірного геометричного об'єкта шляхом переміщення його елементів (початковий етап).
Рис. 7 ілюструє початок взаємодії масиву вихідної інформації і ключового масиву на прикладі тривимірних геометричних об'єктів.
Тому на підготовчому етапі з бітових елементів 1 вихідної інформації (матроїд 2) і ключі (матроїд 3) дискретно формують масиви у виді тривимірних геометричних об'єктів 2 і 3 (рис. 7):
кожний з яких, із заданою дискретною орієнтацією в тривимірному просторі (координати).
З заданою дискретністю всі елементи 1 мають дійсні значення просторового розташування в системах координат, тобто:
Керування дискретною зміною кроку в МІС виконується за додатковим параметром періодичності.
Під параметром періодичності розуміється участь (або неучасть) елемента 1 або групи елементів 1 у даній конкретній операції (переміщення, обертання, взаємодія вихідної інформації 2 із ключем 3). Керування незалежним дискретним обертанням деяких елементів 1 тривимірних об'єктів 2 і 3 навколо вершини осі координат одного з елементів 1 зазначених об'єктів виконується за параметром періодичності:
Цей метод захисту не дозволить розкрити інформацію навіть при наявності ключа.
У четвертому розділі представлені результати моделювання та розробки компонентів МІС діагностики патологій в організмі пацієнтів.
Розроблені математична модель, структура, а також виконаний розрахунок вузлів транспортування біологічних середовищ, при яких травмування клітин у пристінному шарі лабораторного устаткування зводиться до мінімуму.
На рис. 8 представлено алгоритм процедури транспортування біологічних середовищ.
Рис. 8. Алгоритм процедури транспортування біологічних середовищ
| 
