|
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Козіна Ольга Андріївна
УДК 519.81+616-07:061.62
Інформаційний показник ефективності функціонування лабораторних комп’ютерних систем на прикладі нефелометричних систем
05.11.17 – Медичні прилади та системи
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Харківському державному технічному університеті радіоелектроники, Міністерство освіти і науки України.
Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент Мустецов Микола Петрович, Харківський державний технічний університет радіоелектроники, професор кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем.
Офіційні опоненти:
-доктор технічних наук, професор Манойлов Вячеслав Пилипович, Житомирський інженерно-технологічний інститут, завідуючий кафедрою медичних приладів та систем;
-кандидат технічних наук, професор Поворознюк Анатолій Іванович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри обчислювальної техніки і програмування.
Провідна установа – Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.
Захист відбудеться 27.02.2001р. о 13.00 годині на засіданні спеціалазованої вченої ради К 64.052.05 у Харківському державному технічному університеті радіоелектроники (61166, Харків, пр. Леніна, 14).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університета радіоелектроники (61166, Харків, пр.Леніна, 14).
Автореферат розісланий 22.01.2001р.
Вчений секретар Рожицький М.М.
спеціалізованої вченої ради
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Виникнення лабораторних комп’ютерних систем (ЛКС) призвело до появи непевності у питаннях оцінки ефективності їх функціонування.
З одного боку, частинні показники, які існують для оцінки медико-соціального аспекту ефективності медичної техники, наприклад, зниження часу непрацездатності пацієнта, скорочення відсотків інвалідізації пацієнтів після перенесеного захворювання чи відтворюваність та аналітична варіація результатів діагностичного тесту, не дозволяють об’єктивно оцінювати ефективність функціонування лабораторних систем для потреб конкретного закладу охорони здоров’я.
З іншого боку, використання цілком автоматизованих ліній, що інтегруються з лабораторними інформаційними системами, підвищує точність аналізів та продуктивність лабораторій при зниженні собівартості проведення кожного дослідження, зменшує число обслуговуючого персоналу. На думку багатьох фахівців впровадження та поширення такої організації досліджень обмежується саме завдяки непевності керівників лабораторій та осіб, що приймають рішення відносно оснащення медичних закладів, за вірний вибір спрямованості великих інвестицій при величезному об’ємі ринку ЛКС. Відсутність єдиних показників ефективності функціонування різноманітних ЛКС призвело до неможливості об’єктивного порівняння та вибору систем, що відповідають потребам конкретної лабораторії.
Частинні показники технічної, технологічної чи ергономічної ефективності, які відомі з теорії системного анализу та використовуються в інших галузях техніки, неможливо застосовувати до ЛКС тому, що вони зовсім не враховують біотехнічну специфіку функціонування цих систем.
Таким чином, розвиток систем лабораторного призначення визначає необхідність синтезу нового показника чисельної оцінки ефективності медико-соціального та технічного аспектів функціонування ЛКС для потреб конкретної лабораторії.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедри БМЕС ХТУРЕ за темами №515-1 та №406241 (номер держреєстрації 0197U 014161).
Метою роботи є моделювання інформаційного показника ефективності функціонування ЛКС, який ураховував б медико-соціальні аспекти використання результатів лабораторних досліджень, на прикладі синтезу математичних моделей інформаційного показника ефективності ункціонування нефелометричних комп’ютерних систем з лазерним джерелом випромінювання.
Об’єктом дослідження є аналітичне цінування ефективності функціонування ЛКС. Предметом дослідження виступає математичне моделювання показників інформаційної ефективності функціонування ЛКС взагалі, та показників функціонування лазерних нефелометричних ЛКС, зокрема. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:
- сформулювати загальний підхід до структурного синтезу показників ефективності ЛКС;
- сформулювати функціонально-структурне визначення ЛКС та математично описати інформаційну значущість медико-соціального використання результатів функціонування ЛКС;
- виконати параметричний синтез інформаційного показника ефективності ЛКС на прикладі лазерної нефелометричної комп’ютерної системи;
- описати вплив типів клінічних ситуацій, за умов яких використовуються результати функціонування конкретної ЛКС, на модель інформаційного показника ефективності цієї ж системи у математичній формі.
Методи дослідження. За допомогою теорії системного аналізу функціонування лабораторних систем сформований підхід до структурного синтезу показників ефективності ЛКС; основні положення статистики дозволили сформулювати діагностичну значущість результатів функціонування лабораторних систем, а також математично відділити особливості тих діагностичних непевностей, для знімання яких використовуються результати функціонування лабораторних систем; на основі теорії інформації, теорії імовірностей та теорії біотехнічних систем виконаний параметричний синтез інформаційного показника ефективності ЛКС; математичне моделювання імовірностей характеристик перетворень корисної інформації у вимірювальному блоці нефелометричної лазерної комп’ютерної системи здійстнювалось на основі теоріі прийому слабких оптичних сигналів, оптики розчинів біочасток, методу приблизного вирішення зворотної задачі розсіювання, який базується на розкладенні у спектр по вибірковим функціям Котельнікова-Шеннона.
Наукова новизна одержаних результатів:
– вперше проведено структурний синтез показника ефективності функціонування лабораторних систем за допомогою обгрунтування чисельного визначення “параметра цілі” та “параметра результату” у вигляді інформаційних характеристик;
– вперше отримані математичні моделі показника інформаційної ефективності для ЛКС з будь-яким біофізичним принципом дослідження властивостей біоматеріалу, у яких можуть бути ураховані типи діагностичних непевностей;
– отримав розвиток метод аналізу потоків інформації у лабораторних комп’ютерних фотометричних системах, який дозволяє моделювати імовірні характеристики перетворювань інформації цілком у системі, а також у окремих блоках лабораторних систем;
– сформована математична модель імовірності наявності точного числа фотонів, що розсіюються біочастками, які пройшли етап пробопідготовки, а також отримані імовірностні характеристики власних похибок перетворення корисної інформації вимірювальним блоком нефелометричної ЛКС з лазерним джерелом випромінювання.
Практичне значення одержаних результатів. Запропоновани математичні моделі показника ефективності функціонування лабораторних систем мають велику практичну цінність як для порівняння та вибору корисної ЛКС для потреб окремого медичного закладу, так під час створення та здійснення загальнодержавних програм контролю якості, тестування або стандартизації лабораторних досліджень. Результати проведених досліджень були використані у формуванні стратегії поновлення технічної бази діагностичних досліджень у лікувально-оздоровчому комплексі шахти ім. Ф.Засядько (акт впровадження №10/1307 від 11.10.2000р.), під час порівняння інформаційних можливостей нових для українського ринку лабораторних систем, котрі розповсюджуються за участю науково-виробничої асоціації “Укрмедпром” (акт впровадження № 299 від 06.11.2000р.), а також у процесі навчання студентів ХТУРЕ у вигляді нових лабораторних робіт та лекційного матеріалу (акт впровадження №55.03/27-2248 от 07.11.2000г.).
Особистий внесок здобувача. В роботі [1], що виконана у співавторстві, здобувачу належить головна ідея о необхідності обліку впливу форми та структури біочасток під час аналітичної інтерпретації результатів фотометричних досліджень. Усі інші результати дисертації отримані автором особисто.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації були подані на 17-му Міжнародному конгресі з клінічної хімії та лабораторної медицини “Laboratory Medicine into the Next Millennium (IFCC-WordLab)” (м.Флоренція, Італія, липень 1999р.), на 12-му Симпозіумі IEEE “IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (CBMS’99)” (м.Стемфорд, штат Коннектикут, США, липень 1999р.), на Міжнародній конференції “Радиоэлектроника в медицинской диагностике: оценка функций и состояний организма” (м.Москва, вересень 1997р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы физической и биомедицинской электроники” (м.Київ, червень 1999р.), на Міжнародному молодіжному форумі “Электроника и молодежь в 21 веке” (м.Харків, квітень 1997р.).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 9 наукових робіт: 4 статті у українських наукових виданнях та 1 стаття у російському журналі, що входять до переліку ВАК, 4 доповіді на науково-технічних конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації складає 122 сторінки, серед яких 21 рисунок, 12 таблиць, список використаних джерел, у якому 75 найменувань (7 сторінок), 3 додатка (6 сторінок).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність та значущість теми дисертації, сформульована мета та задачі роботи, приведена її загальна характеристика.
Перший розділ присвячено критичному аналізу існуючих оцінок ефективності ЛКС.
Лабораторний тест, незалежно від методу дослідження властивостей біоматеріалу, полягає у проведенні послідовності таких типових операцій: формування заявки на тест, підготовка пацієнта, збирання біоматеріалу, зберігання і транспортування біоматеріалу до місця дослідження, ідентифікація біоматеріалу, процедури пробопідготовки, операції вимірювання та опрацювання результатів, формування та доставка звіту про результати дослідження. Рівень автоматизації типових операцій, поряд із різноманіттям фізико-хімічних методів проведення кількісного дослідження біоматеріалу є основними джерелами непевності, що існує зараз при оцінці ефективності лабораторних систем.
Проведений аналіз сучасних оцінок ефективності ЛКС виявив, що вибір частинних показників ефективності здійснюється безпідставно, на інтуїтивному рівні, причому медико-соціальний та експлуатаційний аспекти функціонування рідко приймаються до уваги. Моделі частинних показників ефективності, що запропоновани нашими співвітчизниками, носять у більшості випадків, рекомендаційний характер. Закордонні фахівці пропонують більш великий і обгрунтований набір частинних показників ефективності (без обліку медичного аспекту ефективності), чисельну оцінку більшості з котрих необхідно проводити в тій лабораторії і з тим персоналом, що буде надалі експлуатувати систему. За альтернативу пропонується розраховувати лише на експертів, що мають досвід роботи з аналогічною ЛКС чи на предексплуатаційну статистику недоліків системи-аналога.
Таким чином, відсутність централізованої державної служби для оцінки ефективності лабораторних систем, неможливість проведення іспитів у конкретних умовах експлуатації, а також відсутність класифікації і систематизованих практичних рекомендацій по формуванню показників ефективності ЛКС роблять необхідною розробку показників ефективності, числове формулювання яких мало враховувати медико-діагностичні аспекти функціонування лабораторних систем.
В другому розділі сформована загальна структура інформаційного показника ефективності лабораторних комп'ютерних систем, основу якої склав комплексний підхід формування показників ефективності. Цей підхід дозволяє у межах узагальненого показника ефективності Q порівнювати зовнішні параметри, що відображують внесок системи в діяльність “надсистеми”, і внутрішні параметри, що відображують конкретний зміст системи, що аналізується. Ступінь наближення внутрішних параметрів ЛКС до зовнішних запропоновано визначати у такому вигляді:
 , (1)
де M – загальна кількість тестів, що може виконувати лабораторна система,
bE – статистична вага досліджень речовини Е у роботі лабораторії,
N – загальна кількість частинних показників, що враховуються в моделі,
ai(E) – ваговий коефіцієнт частинних показників ефективності досліджень речовини Е,
Li(E) – зовнішній “параметр цілі” функціонування ЛКС, що аналізує речовину Е,
Ri(E) – внутрішній “параметр результату” функціонування системи для тесту речовини Е.
Для моделювання зовнішніх та внутрішніх параметрів функціонування лабораторної системи необхідно виділити її межи з точки зору структурної одиниці лабораторного дослідження. Під ЛКС пропонується розуміти інформаційно-вимірювальну систему, на вхід якої надходить заявка на визначене дослідження і первинний біоматеріал. У складі цих ЛКС, крім стандартних блоків виміру, керування, опрацювання і відображення інформації, необхідно розглядати блоки пробопідготовки й ідентифікації незалежно від ступеня автоматизації цих технологічних процедур.
Узагальнений алгоритм сучасної медичної допомоги являє собою ітеративний цикл (рис.1), у якому лікар на підставі клінічних оцінок становища пацієнта формує діагностичну стратегію і адекватне лікування.
Рис.1. Узагальнений алгоритм медичної допомоги.
Під час виконання обраної діагностичної стратегії, тобто цільового відбору, проведення та аналізу результатів діагностичних процедур, ще на етапі відбору процедури, яка спростовує чи підтверджує первинний діагноз, лікар повинен володіти даними про діагностичну значимості цього дослідження – на скільки може змінитися первинний діагноз, якщо відомо значення лабораторного параметру. Звідси, система прийняття клінічного рішення цілком регламентує наявність та функціонування ЛКС, а діагностична значимість є зовнішньою характеристикою, яку ми будемо називати “параметром цілі” функціонування ЛКС. Математично діагностична значимість лабораторного параметра Е для поділу клінічних становищ із групи D визначається як кількість інформації IM, що міститься у параметрі Е про відому групу становищ пацієнта:
 (2),
де К – кількість діагнозів, що необхідно розрізнити, і відповідна кількість діапазонів, на які розбивають інтервал (Emin,Emax),
p(EX|Dj) – імовірність того, що EX∈(Ej,Ej+1) при діагнозі Dj,
p(Dj) – апріорне значення імовірності діагнозу Dj.
У відповідність до “параметру цілі” LI пропонується ставити інформаційний “параметр результату” функціонування ЛКС RI, який повністю залежить від внутрішнього змісту системи – кількість інформації IТ(E), що міститься у вихідній величині ЛКС про шуканий параметр Е. Інформаційний показник ефективності ЛКС QI(E) має вигляд:
 (3),
де IM(E) – діагностична значимість даного лабораторного параметра Е.
Фізичний зміст вхідної та вихідної величини ЛКС, що визначають параметр IТ(E), витікає з фізично-хімічного методу проведення дослідження і способу його технічної реалізації. Біофізична база проведення нефелометричних досліджень теоретично була описана законом Бугера-Ламберта-Бера та рішеннями зворотної задачі світового розсіяння. Використання геометричних моделей біочасток, що пройшли пробопідготовчі процедури, а також методу приблизного рішення зворотної задачі розсіяння, дозволило отримати достатньо прості формули для обчислення перерізу розсіяння та індикатриси. Ці величини виявляються базовими під час інтерпретації результатів нефелометричних досліджень.
Таким чином, показник ефективності, що пропонується, поєднує у собі інформаційні характеристики як медико-соціального, так і технічного аспекту функціонування ЛКС.
У третьому розділі моделюються імовірність вхідної величини p(X0i) та умовної імовірності вихідної величини, що міститься на виході блоку обчислень лазерної нефелометричної ЛКС p(Zj |X0i) (рис. 2). Ці імовірності повністю визначають кількість інформації IТ(E), що міститься у вихідній величині ЛКС про шуканий параметр Е.
Отримано, що апріорна імовірність вхідної величини p(X0i) залежить від імовірності розподілу концентрації шуканих часток у біопробі  , тобто від імовірності того, що у біоматеріалі знаходиться  часток речовини E у діапазоні  , який може визначити дана ЛКС, а також від імовірності правильного виконання операцій уведення супутніх даних людиною-оператором  , яка виражена за допомогою імовірності  помилки під час уводу повідомлення довжиною RS символів та за допомогою імовірності  невиявлення помилки людиною:
 (4),
де A – загальне число символів супутньої інформації, що уводяться людиною-оператором.
За умов, що апріорна імовірність розподілу різних значень однієї й тієї ж величини у
Рис.2.Узагальнена схема потоків інформації фотометричної комп’ютерної системи.
широкому діапазоні зміни описана логарифмічно-рівномірним законом, отримано:
 (5),
де LX – позначення відношення  , якщо  ,
D – динамічний діапазон величини X.
Для визначення умовної імовірності p(Zj|X0i) система поділяється на 4 частини: попередню, вимірювальну, обчислювальну та керуючу. Фізична незалежність виникнення похибок у кожній частині ЛКС дозволяє вважати імовірності правильного виконання перетворень у кожному блоці системи статистично незалежними, й тому :
 (6),
де  – імовірність похибок перетворення інформації у i-й частині ЛКС, тобто у попередній, вимірювальній та обчислювальній частинах, яка визначена так:
 (7),
де  – кількість різних функцій кожної частини по перетворенню інформації,
 – імовірність власних похибок l-го блоку під час його безвідмовної роботи,
 – імовірність похибок керування l-м блоком будь-якої частини ЛКС,
 – імовірність похибки під час передачі сигналу між l-м блоком та блоком керування,
 – імовірність похибки під час обробки сигналу від l-го блоку i-ої частини ЛКС у блок керування. Причинами, що викликають похибки обробки керуючої інформації запропоновано вважати похибки під час виконання команд блока керування та похибки програмної інтерпретації самого алгоритму керування.
Похибки перетворення корисної інформації у вимірювальній частині нефелометричної системи обумовлені як похибками при зміні носія корисної інформації, так і похибками перетворення оптичного сигналу у форму придатну для опрацювання в блоці обчислень. З огляду на те, що джерелом випромінювання в аналізованій системі є лазер, приймачем оптичного випромінювання служить ФЕП, а біопроба є рівноважною термодинамічною системою квазігомогених часток, випадковим способом розташованих у просторі, середнє число фотоелектронів  , які покидають фотокатод при реєстрації корисного розсіяного сигналу за час спостереження Т дорівнює:
 , (8),
де Qd – диференційний перетин розсіювання для часток даної форми і розміру,
Nчаст – кількість часток у пробі, що пройшли пробопідготовку і розсіюють лазерне випромінювання,
Sч – площа поперечного перетину часток, що розсіюють лазерне випромінювання,
NИ – середнє число фотонів лазерного випромінювання, що падають на пробу,
η – квантова ефективність фотокатоду.
Визначена функція розподілу імовірності того, що розсіяне біоматеріалом корисне випромінювання породжує точно n фотоелектронів на виході ФЕП, описується згорткою розподілу імовірності сигнальних розсіяних фотонів, який описується гауссовим законом, та розподілу імовірності шумових фотоелектронів ФЕП, якій у свою чергу підпорядковується закону Пуассона. За умови малої інтенсивності сигнального поля згортка розподілу імовірності сигнальних розсіяних фотонів прагне до пуассонівського закону розподілу імовірностей.
За допомогою використання відношення правдоподоби для оптимальній обробки корисного слабкого сигналу у випадку накопичення заданої кількості відліків М з наступним порівнянням із граничною величиною у самому вимірювальному блоці була отримана імовірність власної похибки вимірювального блоку ЛКС  :
 (9),
де Рл.тр – імовірність “помилкової тривоги” під час приймання корисного сигналу,
Ф(t) – табульована функція помилок,
 – середнє число шумових фотоелектронів за час спостереження,
Ф-1(t) – значення аргументу функції, що відповідає Ф(t).
Імовірність власних похибок перетворення корисної інформації у вимірювальному блоці  для випадку порівняння з граничним значенням N0 кожного зареєстрованого імпульсу і наступного програмного усереднення дорівнює:
 (10).
Власна похибка блока обчислень обумовлена похибкою побудови каліброваної кривої, нестабільністю каліброваної кривої за період роботи, а також похибкою програми обчислень шуканих концентрацій.
Таким чином, пропонований підхід до параметричного синтезу інформаційного показника ефективності нефелометричних ЛКС дозволяє створювати аналогічні моделі показників для ЛКС з будь-яким іншим біофізичним принципом дослідження біоматеріалу.
У четвертому розділі розглядається вплив діагностичної непевності на модель інформаційного показника.
Первинна діагностична непевність виникає у клінічній ситуації, коли підтверджений діагноз є відсутній, наприклад, під час первинного обертання до лікаря або профілактичного огляду. На форму розподілення апріорних імовірностей лабораторного параметра Е у цьому випадку впливає міжіндивідуальна варіація. При формуванні апріорних імовірностей p(Dj) різних становищ із групи D може скластися декілька ситуацій: імовірність наявності одного стана значно більше імовірності будь-якого іншого діагнозу (криві 1,3 на рис.3) або відношення між імовірностями будь-яких сусідніх діагнозів близьке чи зовсім рівне (криві 2, 4 на рис.3). Для первинної діагностичної непевності при обчисленні параметру IM(E) у LX слід використовувати весь фізіологічно можливий інтервал значень речовини Е, а у якості Δ слід розуміти значущий інтервал
| 
