Структурно-организованные экспертные и обучающе-диагностические системы в медицине Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Системы поддержки принятия врачебных решений

И.П. ЛУКАШЕВИЧ,

Е.Д. ДМИТРОВА,

O. А. КИСЕЛЕВА,

P. И. МАЧИНСКАЯ,

Т.В. ТКАЧЕВА,

М.Н. ФИШМАН,

В.М. ШКЛОВСКИЙ,

Институт проблем передачи информации РАН, г. Москва

www.idmz.ru 2007, № 6

СТРУКТУРНО-ОРГАНИЗОВАННЫЕ ЭКСПЕРТНЫЕ И ОБУЧАЮЩЕ-ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В МЕДИЦИНЕ

ВВЕДЕНИЕ

Развитие компьютерных средств и Интернета допускают неограниченные возможности информационного взаимодействия во всех областях знаний. Однако, если говорить о распространении и обмене профессиональными медицинскими знаниями, то технические возможности в настоящее время обгоняют программные разработки и их востребованность. Большая часть такой информации представлена в виде научной или справочной литературы, то есть представляет собой аналог печатных изданий, но при современных возможностях передачи информации.

Для более эффективного использования компьютерных сетей необходимо предложить пользователю не только справочную информацию, но также обучающие, диагностические, прогностические, экспертные и другие системы в разных областях знаний.

При этом основной задачей является разработка методов представления медицинских знаний, позволяющих оптимизировать их объем, повысив при этом информативность.

В работе был использован метод структурной организации медицинской информации, заключающийся в выделении минимального числа ключевых характеристик (структурных единиц), знание которых достаточно для принятия решения. Для этого необходимо выявить основные системы или объекты в рассматриваемой области знаний, описать функции, выполняемые этими системами, и симптомы, которые отмечаются при нарушении функций [1-3].

Мы успешно использовали структурную организацию для создания баз знаний и решения целого ряда как научных, так и медицинских задач, связанных с нарушением функционального состояния мозга человека, а также для построения экспертных и обучающе-диагностических систем.

Создание программ, способствующих повышению эффективности обучения, становится все более актуальным из-за появления новых областей знаний и увеличения общего объема информации. В первую очередь

© И.П. Лукашевич, Е.Д. Дмитрова, О.А. Киселева, Р.И. Мачинская, Т.В. Ткачева, М.Н. Фишман, В.М. Шкловский, 2007 г.

■ 1 1 1 1 1 1 ■ ■ i i 1 ■ ■ ■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i1 ■■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 37 ■ i i i i i i i i i i i i i i i i i i

Врач lisa

™ и информационные

технологии

Системы поддержки принятия врачебных решений

1$

>

Рис. 1. Общая схема организации информации

это относится к медицинской информации, которая является слабоформализованной, избыточной по объему и характеризуется ростом новых методов исследования. Структурный подход здесь оказался особенно полезным, поскольку позволяет организовать и содержательно связать информацию, уменьшив ее объем, что способствует лучшему пониманию и, как следствие, лучшему обучению и запоминанию.

На Рисунке 1 приведена общая схема организации информации.

В зависимости от изучаемой области медицины симптомы могут указывать как на клинические варианты, так и на топографию, характер, выраженность поражения.

1. Автоматизированная диагностическая система «ЭЭГ-ЭКСПЕРТ»

Повышение уровня электроэнцефалографической диагностики остается актуальной проблемой в области электрофизиологических исследований.

Система предназначена для описания и хранения данных визуального анализа электроэнцефалограмм, а также для формирования экспертного описания и заключения о функциональном состоянии мозга.

Система включает в себя три параллельно функционирующие подпрограммы:

Подпрограмма «Диалог» представляет из себя структурно-организованную в виде опросника схему описания данных визуального анализа ЭЭГ. В отличие от других систем в предлагаемой схеме однородные по функциональному значению ЭЭГ-признаки объединены в структурные блоки, характеризующие состояние головного мозга человека и его отдельных структур. Вся информация хранится в памяти в виде архива данных.

Подпрограмма «Справка» позволяет получить рекомендации для описания типа, уровня, характера, выраженности отмеченных изменений, а также включает полный атлас ЭЭГ-феноменов.

Подпрограмма «Вывод» автоматически формирует и выводит на экран, а затем на печатающее устройство описание ЭЭГ и заключение о функциональном состоянии мозга с учетом возраста в соответствии с отмеченными в «Диалоге» признаками.

Заключение содержит информацию об отклонениях в электрической активности структур мозга, их характере и выраженности, о соответствии уровня развития электрической активности возрасту (для детей и подростков),

' 38 i i i i i i ■ ■ i i i 1 ■ ■ ■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i1 ■■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i i i i i i

Системы поддержки принятия врачебных решений

а также о снижении порога судорожной готовности при наличии соответствующего паттерна ЭЭГ [2].

Представленная в настоящей работе система «ЭЭГ-ЭКСПЕРТ» может быть использована в условиях неврологического стационара, поликлиники, а также в диагностических целях на медико-психологических комиссиях; для обучения и повышения квалификации специалистов в области клинической электроэнцефалографии; в исследовательских целях. Особенности представления ЭЭГ-информа-ции в виде структурных блоков обеспечивают ее эффективное сопоставление с данными неврологического обследования и нейропсихологического тестирования при дифференциальной диагностике. При выполнении большого объема текущей работы использование «ЭЭГ-ЭКСПЕРТ» позволило специалистам не только сократить время, необходимое на описание и заключение, но и сделать это описание максимально полным.

При создании системы была использована оболочка «PS0», разработанная сотрудниками «Группы партнерских систем» Института проблем передачи информации РАН к.т.н. Переверзевым-Орловым В.С., Ващенко Е.А., Витушко М.А. [4].

Система (первая версия) прошла апробацию в Центре патологии речи и нейрореабилитации ДЗ г. Москвы (во взрослом и детском отделениях) и с 1996 года успешно используется в ряде клиник Москвы, городов РФ и СНГ.

2. Автоматизированная диагностическая система «ВПШ-ЭКСПЕРТ»

Экспертная система для исследования высших психических функций «ВПФ—ЭКСПЕРТ» также состоит из трех подпрограмм. В «Диалоге» приводится перечень симптомов, характеризующих нарушение ВПФ структур мозга. В «Справке» не только дается объяснение терминов и инструкции по тестированию, но приводятся также примеры ошибок. Подпрограмма «Вывод» автоматически формирует описание

www.idmz.ru 2007, № 6

результатов обследования и заключение о функциональном состоянии мозга с учетом возраста в соответствии с отмеченными в «Диалоге» симптомами и о локализации поражения.

3. Автоматизированная диагностическая система «ОСГ-ЭКСПЕРТ»

Разработана экспертная система для выбора типа операции при отслойке сетчатки глаза «ОСГ-ЭКСПЕРТ», которая позволяет описать результаты обследования офтальмологического больного и создать банк данных, а также сформировать экспертное заключение в виде рекомендации адекватного вида операции и прогноза лечения. Выбор предстоит сделать из 20 комбинаций видов операций, практикуемых сегодня при отслойке сетчатки глаза. «ОСГ-ЭКСПЕРТ» организована так же, как и остальные экспертные системы.

При работе с экспертами была разработана программа «Диалог», которая представляет собой организованную в виде опросника схему описания полного обследования глаз и его отдельных структур. В предлагаемом диалоге-схеме однородные по функциональному значению признаки объединены в блоки, характеризующие состояние отдельных структур глаза, их нарушения, осложнения и факторы риска. Отметим, что описание состояния глаз значительно шире, чем требуется для выбора операции и определения прогноза, и может быть использована как формализованная история болезни. Вся информация хранится в памяти компьютера в виде архива данных.

Подпрограмма «Справка» предлагает помощь специалисту и позволяет, находясь в любой позиции «Диалога», ознакомиться с описанием данного признака, в том числе и в виде иллюстраций, получить рекомендации по методам его исследования, определения локализации, характера и выраженности отмеченных изменений. Кроме того, в «Справке» приводятся алгоритмы выбора типа операции и прогноза. Приведенная информация является

■ 1 1 1 1 1 1 ■ ■ i i 1 ■ ■ ■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i1 ■■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 39" i i i i i i i i i i i i i i i i i i

Врач lisa

™ и информационные

Системы поддержки принятия врачебных решений

технологии

1®

> результатом анализа как собственных данных, так и материалов других исследователей, является полной на современном уровне знаний и поэтому представляет собой краткий, но информативный справочник по теме, более широкой, чем решаемая здесь задача.

Подпрограмма «Вывод» формирует и выводит на экран, а затем на печатающее устройство описание состояния глаз и их отдельных структур, а также автоматически сформированное заключение о рекомендуемом типе операции и прогнозе, согласно отмеченным признакам. Алгоритм для формирования заключений и прогноза был составлен с учетом опыта высококвалифицированных специалистов и оптимизирован при совместной работе с математиком.

Таким образом, система «ОСГ-ЭКСПЕРТ» является базой знаний в области офтальмологии. Она может быть использована: для оценки функционального состояния глаз и отдельных его структур в условиях стационара, поликлиники,

диагностического центра, в исследовательских целях, а также для обучения и повышения квалификации специалистов в области офтальмологии и при выборе типа операции для больных с отслойкой сетчатки. Наш предыдущий опыт показал, что использование экспертных систем позволяет специалистам не только сократить время, необходимое для описания и принятия решения, но также исключить субъективизм и сделать это описание максимально полным.

В связи с постоянным ростом объема медицинской информации для повышения уровня диагностики, эффективности обучения специалистов и расширения аудитории пользователей актуально создание компьютерных обучающе-диагностических систем.

4. Обучающе-диагностическая система по электроэнцефалографии (ЭЭГ).

Настоящая система состоит из трех разных частей. Первая часть представляет собой

Таблица 1

Схема структурирования данных визуального анализа ЭЭГ

Функциональное состояние коры Общемозговые отклонения Локальные отклонения Состояние глубинных регуляторных структур

ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛЬФА-РИТМА ДИФФУЗНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЭГ ЛОКАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЭГ (ЛИЭА) БИЛАТЕРАЛЬНОСИНХРОННЫЕ И ГЕНЕРАЛИЗОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЭГ

Характеристики: характер а-ритма, топография, асимметрия, реакция на РФС: неспецифическая, следование. Характеристики: тип диффузных изменений с указанием частотного диапазона. Характеристики: тип ЛИЭА, топография, реакция на РФС, реакция на ГВ. Характеристики: тип билатерально-синхронных изменений, топография, реакция на РФС, реакция на ГВ, асимметрия.

Выводы: соответствие возрастной норме. Выводы: выраженность диффузных изменений. Выводы: локализация, глубина, характер ЛИЭА, выраженность. Выводы: уровень (локализация) глубинных влияний, характер, выраженность,

соответствие возрастной норме.

' 40 1 1 1 1 1 1 ■ ■ i i i 1 ■ ■ ■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i1 ■■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i i i i i i

Системы поддержки принятия врачебных решений

аналог учебника и наглядного пособия и включает в себя области применения ЭЭГ-исследований, методические аспекты регистрации ЭЭГ, природу и феноменологию ЭЭГ.

Вторую часть составляет атлас, который содержит все возможные варианты изменений ЭЭГ-феноменов. В третьей части с помощью структурной организации ЭЭГ-информа-ции описана диагностика функционального состояния мозга.

Соотношение типа, топографии и характера девиантных паттернов ЭЭГ, их изменений при функциональных нагрузках, наряду с характером и топографией основных ритмов ЭЭГ, позволяют электрофизиологам судить о состоянии мозга в целом и его отдельных систем у детей и взрослых. Структура системы и наглядно-справочный материал позволяют использовать ее не только для профессионального обучения, но и для диагностики. Особенности представления информации в виде функциональных блоков обеспечивают возможность сопоставления ЭЭГ-данных с данными современных методов обследования, что способствует проведению более эффективной дифференциальной диагностики [5].

5. «Обучающе-диагностические системы» для исследования высших психических функций (ВПФ)» (детей и взрослых отдельно)

Представляют собой структурно-организованное учебное пособие и имеют приложения в виде альбомов со стимульным материалом. Особое внимание при этом уделяется нарушениям речевой функции как наиболее социально значимой.

Нейропсихология является одним из ведущих методов исследования при нейрореабилитации больных с различными поражениями головного мозга. Нейропсихологический метод исследования заключается в функциональном анализе когнитивных (высших психических — ВПФ) функций и выявлении состоя-

www.idmz.ru 2007, № 6

ния мозговых структур, участвующих в их реализации.

Разработанная система включает в себя структурно-организованную схему, позволяющую проводить функциональную и топическую диагностику нарушений ВПФ (для детей с учетом возраста); стимульный материал с инструкциями; план проведения нейропсихологического обследования; определения; примеры ошибок; образец заключения; литературу (Таблица 1).

Система призвана оказать помощь специалисту в проведении исследования ВПФ взрослых и детей, постановке топического и функционального диагноза и разработке адекватных методов нейропсихологической коррекции [6-8].

ВЫВОДЫ

Экспертные и обучающе-диагностические системы с использованием структурной организации носят инновационный характер и не имеют аналогов. Компьютерные варианты таких систем пользуются большим спросом среди специалистов-прак-тиков. Создание и распространение компьютерных систем способствуют более эффективной работе специалистов и подготовке квалифицированных кадров, особенно на периферии, где практически отсутствуют возможности обучения и повышения квалификации.

Завершенные экспертная система по ЭЭГ и обучающе-диагностические системы по ЭЭГ и исследованию ВПФ, выполненные в виде компьютерных программ с использованием современных технических и художественных возможностей, пользуются большим спросом не только среди узких специалистов, но и специалистов, работающих в смежных областях медицинских знаний. География распространения «Систем», помимо Москвы, включает все крупные города РФ: от Пскова до Хабаровска и от Архангельска и Нарьян-Мара до Махачкалы и Нальчика.

Представленные в настоящей работе компьютерные экспертные системы могут быть

■ 1 1 1 1 1 1 ■ ■ i i 1 ■ ■ ■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i1 ■■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 41 ■ i i i i i i i i i i i i i i i i i i

Врач lisa

™ и информационные

Системы поддержки принятия врачебных решений

технологии

1®

> использованы в условиях стационара, поликлиники, а также в диагностических целях на медико-психологических комиссиях; для обучения и повышения квалификации специалистов; в исследовательских целях. Особенности представления ЭЭГ-информации в виде структурных блоков обеспечивают ее эффективное сопоставление с данными неврологического обследования и нейропсихологического тестирования при дифференциальной диагностике. При выполнении большого объема текущей работы использование экспертных систем позволяет специалистам не только сократить время, необходимое на описание и заключение, но и сделать это описание максимально полным. Использование программы на практике позволяет автоматизировать описание и заключение, а также получить высококвалифицированную консультацию по любому вопросу.

Предложенные обучающе-диагностические системы включают в себя всю необходимую для исследования и диагностики информацию при небольшом её объеме.

Современные технические возможности компьютеров и содержательная форма организации информации, которую обеспечивает структурный подход, будут способствовать повышению эффективности подготовки специалистов, повышению их квалификации при значительном расширении аудитории.

Поскольку потребность общества в нейропсихологах и электрофизиологах растет из-за увеличения числа травм, инсультов, задержек психоречевого развития и других поражений мозга, создание и распространение таких компьютерных систем будет способствовать повышению квалифицикации кадров и общего уровня медицинского обслуживания, особенно на периферии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лукашевич И.П., Мачинская Р. И. , Руденская Г. Е.,Фишман М.Н., ЭльнерА.Я. Структурная организация медицинской информации для установления диагноза в детской неврологии//Медицинская техника. — 1995. — №2. — С. 3-9.

2. Лукашевич И.П, Мачинская Р.И, Фишман МН. Автоматизированная диагностическая система «ЭЭГ-ЭКСПЕРТ»//Медицинская техника. — 1999. — №6. — C. 29-34.

3. Лукашевич И.П., Шипкова К.М, Шкловский В.М. Структурный подход к представлению и анализу нейропсихологической информации//Медицинская техника.

— 1998. — №5. — C. 18-21.

4. Ващенко Е., Генкин А., Кузнецова О., Стенина И., Переверзев-Орлов В. Технологии медицинских партнерских систем//В кн.: Новые информационные технологии в высшем медицинском образовании. Материалы 1-го сем. по пробл. НИТ в медицинском образовании/Ред. М.Г. Крейнес), М., 1994. — C. 7-13.

5. Лукашевич И.П, Мачинская Р.И, Фишман М.Н. Обучающе-диагностическая система по электроэнцефалографии//Информационные процессы. — 2006. — Т. 6. — № 1.

— C. 37-44.

6. Гришина Е.Г., Лукашевич И.П., Шкловский В.М. Обучающе-диагностическая система для исследования высших психических функций//Информационные процессы. — 2004. — Т. 4. — № 1. — C. 24-31.

7. Гришина Е.Г, Дмитрова Е.Д., Лукашевич И.П., Шкловский В.М. Структурный подход к исследованию высших психических функций//Логопед. — 2004. — №6.

8. Дмитрова Е.Д., Лукашевич И.П., Шкловский В.М. Обучающе-диагностическая система для исследования высших психических функций детей//Практическая психология и логопедия. — 2005. — № 1(12). — С. 5-13.

' 42 1 1 1 1 1 1 ■ ■ i i i 1 ■ ■ ■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i1 ■■■ ■ ■ ■ i i i i i i i i ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ ■ i i i i i i i i i i i i i i i i i i