CC BY
19
С.И. КАРАСЬ,
к.м.н, доцент каф. медицинской и биологической кибернетики Сибирского государственного медицинского университета, г.Томск А.В.КОНЕВ,
начальник отдела информационных технологий ОГУП «Медтехника», г.Томск А.В.АРХИПОВА,
администратор сети ОГУП «Медтехника», г.Томск
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗНАНИЙ МЕДИЦИНСКИХ ЭКСПЕРТОВ
ВВЕДЕНИЕ
Отношение к знаниям как к системе, имеющей формализованную внутреннюю структуру, позволило провести их анализ в ряде областей деятельности человека. Объем, свойства, структура этой системы и ее элементов могут быть описаны и использованы при разработке средств обучения. Когнитологические подходы должны быть применены в качестве основных для анализа организации знаний в медицине [1]. Когнитоло-гия служит методологической основой исследования знаний, однако конкретные исследования требуют еще и совокупности методов, обеспечивающих работу со знаниями.
Способ представления знаний в компьютере в той или иной мере отражает все признаки, характеризующие их. В основе компьютерной базы знаний всегда лежит определенная модель их представления [2]. Например, основу продукционной модели составляет множество правил, обеспечивающих способ представления рекомендаций, указаний, стратегий, выводов. Такая модель часто используется в тех предметных областях, где значительная часть знаний основана на опыте специалистов, эмпирических закономерностях и ассоциациях, например, в медицине [3-4]. Самая популярная из первых экспертных систем MYCIN [5] разработана на основе именно этой модели.
В настоящее время программные средства, поддерживающие работу с экспертными системами, являются авторским продуктом. Цель данного исследования - создание инструмента для разработки систем принятия решений на основе продукционной модели представления знаний в слабо формализованных предметных областях.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для создания программной оболочки, поддерживающей разработку экспертных систем, выбрана среда объектно-ориентированного программирования Borland Delphi, версия 3.0. Использовались как стандартные компоненты среды, так и дополнительные библиотеки компонентов RXLibrary, версия 2.75. Данная среда позволяет быстро и эффективно разработать программное приложение с различными вариантами пользовательского интерфейса. Для создания справочной системы использовано приложение HelpScrible, версии 6.0, которое позволяет включать в файлы справки ссылки на Интернет-ресурсы, скриншоты форм созданных приложений, изображения, кнопки. Файлы, созданные с помощью этого программного приложения, легко подвергаются модификации и доработке.
Созданная оболочка оказалась достаточно универсальна и послужила инструментом для разработки ряда компьютерных приложений. В качестве иллюстрации работоспособности оболочки нами создана программа принятия решений по диагностике душевных заболеваний в соответствии с международной классификацией психических и поведенческих расстройств 10-го пересмотра. В базу знаний приложения включены разделы, наиболее актуальные для практической работы психиатров и не вызывающие существенных разногласий экспертов:
♦ Органические психические расстройства.
♦ Шизофрения, шизотипические и бредовые расстройства.
♦ Аффективные расстройства настроения.
♦ Невротические, связанные со стрессом и сома-тоформные расстройства.
>
© С.И.Карась, А.В.Конев, А.В.Архипова, 2004 г.
гчшш
ЬЛ1
и информационные
технологии
♦ Расстройства зрелой личности и поведения у взрослых.
♦ Умственная отсталость.
Для создания диагностических правил в этом приложении использованы знания экспертов по психиатрии, а также исследовательские диагностические критерии МКБ-10 (раздел V).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Оболочка для создания экспертных систем
Этот программный комплекс является оболочкой для создания экспертных систем на основе продукционной модели представления знаний. Данный пакет программ предназначен для использования в качестве инструмента изучения механизма вывода и для создания реальных продукционных систем. Знания в системе представлены двумя взаимосвязанными формами: фактами и правилами.
Под фактом в данной системе понимается триплет вида:
<ОБЪЕКТ>+<АТРИБУТ>+<ЗНАЧЕНИЕ>
Объект может иметь произвольное количество атрибутов, каждый из которых имеет набор допустимых значений. Для каждого факта можно указать его априорную вероятность либо частоту. Пример представления фактов приведен на рис. 1.
Объект Атрибут Значение Частота
Пациент Пол Мужской 0,58
Женский 0,42
Курение Никогда
не курил 0,15
Бросил более
3-х лет назад 0,07
Бросил менее
3-х лет назад 0,13
Курит менее
5 сигарет в ден , 0,05
Курит 5-10
сигарет в день 0,20
Курит 10-20
сигарет в день 0,20
Курит более 20
сигарет в день 0,20
Рис. 1. Схема организации фактов в оболочке
Фактами в данном случае являются, например: <Пациент>+<Пол>+<Женский> или <Пациент>+<Курение>+<Курит менее 5 сигарет в день>
Этот триплет понимается как факт только тогда, когда он является частью какого-либо правила. В данной оболочке правило состоит из трех компонентов:
♦ Антецедент (левая часть правила) - один или несколько фактов, связанных логическим отношением И.
♦ Консеквент (правая часть правила) - только один факт.
♦ Коэффициент уверенности правила.
При вероятностной интерпретации правила связь антецедент + консеквент не является причинно-следственной, поэтому в системе одновременно могут присутствовать правила с разными коэффициентами уверенности:
А ->К,К-+А,А К (не К)
Такая структура позволяет записывать факты и правила в форме, близкой к естественному языку, что является одним из основных требований к экспертной системе. Одновременно такая организация является эффективной, с точки зрения машинной обработки данных. В оболочке используется стратегия обратного вывода, при которой первична формулировка гипотезы, а целью работы системы является определение вероятности истинности гипотезы.
Программный комплекс состоит из двух основных модулей.
Модуль «Эксперт» предназначен для формирования базы знаний, в нем эксперт может создать новую базу знаний или продолжить работу с имеющейся. Для наглядности представления объекты, атрибуты и значения отображаются в левой части окна «Данные» в виде иерархического дерева (рис. 2). Правая часть окна служит для редактирования текущей записи. Здесь пользователь может сделать подробное описание фактов, указать их априорную вероятность, отменить внесенные изменения. Удаление объекта из базы знаний повлечет за собой удаление подчиненных ему атрибутов, значений и правил, связанных с этим объектом.
Нижнее окно этого модуля предназначено для формирования экспертами правил. На экране отображается список правил, имеющихся в базе знаний, антецедент и консеквент текущего правила. Для создания
нового правила из предложенного списка выбираются факты для антецедента, по умолчанию соединенные логической связкой И. Следующим этапом является выбор факта для консеквента. Затем пользователь задает имя, коэффициент уверенности и подробно описывает правило. Имеются возможности редактирования и удаления созданных ранее правил.
Модуль «Вывод» предназначен для работы в режиме консультации (рис. 3). В данном программном комплексе реализованы два типа вывода: вероятностный и детерминированный (значения вероятности 0 либо 1). При вероятностном выводе факт считается истинным, если его вероятность выше установленного пользователем порога. Возможны два варианта формулировки запроса: первый используется для нахождения вероятности одного значения атрибута, второй - для выяснения вероятности всех значений атрибута. Во втором случае в качестве ответа будет получена таблица шансов, которая наглядно демонстрирует, какие из значений более вероятны, а какие - менее.
Оболочка последовательно анализирует продукционные правила из базы знаний. Она обращается к пользователю за сведениями о тех фактах, вероятности которых невозможно установить на основании имеющихся данных. Если по запрашиваемому факту имеется установленная экспертом априорная вероятность, то пользователь может включить ее в вариант ответа. В процессе работы выдается подробный отчет о том, что в данный момент происходит в системе. Этот протокол можно сохранить на диске в виде текстового файла для последующего использования, он позволяет проследить путь, который привел систему к заданному вопросу. Программная оболочка внедрена на кафедре медицинской и биологической кибернетики Сибирского государственного медицинского университета для преподавания курса клинической кибернетики и прошла государственную регистрацию в Российском агентстве по патентам и товарным знакам, свидетельство о регистрации № 2002611820.
2. Программа диагностики
психических расстройств
С помощью программной оболочки исследованы знания экспертов по психиатрии и создано программное приложение для диагностики психических расстройств. Несмотря на достаточно длительный период внедрения МКБ-10 в здравоохранение России, у врачей возникают трудности при ее практическом использовании, так как в основе этой, относительно новой
Рис. 2. Интерфейс модуля «Эксперт»
Рис. 3. Интерфейс модуля «Вывод»
для России, классификации лежит ряд компромиссов. В силу определенной субъективности и социальной обусловленности диагностики в психиатрии, использование МКБ-10 в этой области медицины сопряжено с еще большими сложностями [6].
Разделы МКБ-10, включенные в базу знаний программы, были модифицированы. Органическим и невротическим расстройствам соответствуют свои базы знаний. Шизофрения и аффективные расстройства объединены в одну базу из-за значительной общности основных информационных узлов, наличия общих критериев диагностики, ссылок в одной рубрике на диагнозы другой. Напротив, знания о расстройствах лич-
>
гчшш
ЬЛ1
и информационные
технологии
Рис. 4. Формулировка гипотезы в программе диагностики психических расстройств
Рис. 5. Организация диалога в программе диагностики психических расстройств
>
ности хранятся в двух разных базах. Подразделы, соответствующие традиционной для отечественной психиатрии концепции психопатий, оказались отделены от расстройств привычек, влечений, половой идентификации, сексуального предпочтения и ориентации ввиду разных диагностических критериев. В конечном итоге база знаний программы состоит из шести разделов: 1 . Органические, включая симптоматические, психические расстройства ^00^09).
2. Шизофрения, шизотипическое и бредовые расстройства, аффективные расстройства настроения
^20^29, F30-F39).
3 . Невротические, связанные со стрессом и сома-тоформные расстройства (F40-F48).
4. Расстройства зрелой личности (специфические расстройства личности; смешанные и другие расстройства личности; хронические изменения личности, не связанные с тяжелым повреждением или заболеванием, F60-F62).
5 . Расстройства зрелой личности (расстройства привычек и влечений; расстройство половой идентификации; расстройства полового предпочтения; психологические и поведенческие расстройства, связанные с сексуальным развитием и ориентацией, F63-F69).
6. Умственная отсталость ^7).
В интерфейс программы входят следующие функциональные блоки:
1 . Настройка параметров программы.
2 . Справочная система терминов базы знаний.
3 . Блок формулировки гипотезы (рис. 4).
4. Блок диалога с пользователем (рис. 5). В ходе работы врачу задаются вопросы относительно различных признаков и симптомов душевных расстройств, на основе которых проверяется истинность указанного диагноза, либо производится одновременная оценка правдоподобия нескольких диагнозов.
5 . Описание содержания рабочей памяти (рис. 6).
6. История диалога относительно всех проверяемых гипотез (рис. 7).
В программе реализован только детерминированный вывод, поскольку в использованных правилах диагностики МКБ-10 не предусмотрены вероятностные оценки. После установления истинности общих критериев диагностики группы расстройств выполняется проверка обязательных критериев конкретного заболевания. Каждый из обязательных критериев может содержать группы характеристик, из которых лишь некоторые требуются для диагностики. Кроме этого, проверяются критерии исключения, при выполнении которых диагноз анализируемой рубрики не может быть поставлен.
В программе использовались четыре основных типа объектов:
1 . Тип «Расстройство», со значениями в виде диагнозов.
2 . Тип «Симптомы» со значениями в виде вариантов симптомов.
3 . Тип «Общие критерии» с соответствующими значениями.
4 . Тип «Счетчики», значения которых используются для подсчета количества выполненных правил и для сравнения с порогом установления истинности факта.
F4I ■ kil
Правила базы знаний можно разбить на две группы:
1 . Правила, в антецеденты которых включены объекты типа «Расстройство», «Симптомы», «Общие критерии». В консеквенте этих правил обычно находится объект типа «Счетчик». Целью их является подсчет количества критериев постановки диагноза или исключения.
2 . Правила, консеквентами которых являются значения атрибутов объекта «Расстройства». Цель этих правил - формирование диагностического заключения.
В целом программа диагностики психических расстройств содержит более 600 признаков и свыше 400 продукционных правил, может быть использована для поддержки решений психиатров, обладает возможностями объяснения результатов работы и предъявляемых пользователю вопросов. Последнее свойство важно для обучения оптимальным способам принятия диагностических решений.
Перспективно использование программы в дистанционном повышении квалификации врачей. Программа внедрена на кафедре психиатрии Сибирского государственного медицинского университета, в Томской областной психиатрической больнице.
Аналогичные программы создаются за рубежом. Хорошее качество диагностики по МКБ-10 и согласованность этой классификации с мнением экспертов показано в работе Dittmann V. Therap//Umsch, 1996. -Vol. 53. - № 3. - P. 327-346. Создана экспертная система по психиатрии, содержащая блок поддержки диагностических решений в соответствии с МКБ-10 [8]. Однако разработка оболочки для работы со знаниями в слабо формализованных предметных областях и компьютерной диагностической программы по психиатрии является достаточно новым подходом для России.
.Диагноз МКБ-10 (Класс V) - Шизофрения и аффективные расстройства настроения ,.. IfÖl'X
1 Диалог | Истории Рдеочм память 1 Протокол | Дерево | Паранетры |
Ф<ИЛЫ I Vrnr.m.4 1 Г.ч^ипим {
lOÖMKT [лтриСут ¡Значение [ Истинность | [Т
Счетчнш н промел к. резул>т F200I -2 Неологизмы, гире 1
•Счетчики к промеж. pesyjbT F20.012 Квтатоничесжое п 0
Счстчн» и и промеж. рсэул>т Счет1*« F25 02 Не меньше 1 1
Счмптоьы Дяггетьчость Нв менее 2-х нед. 1
Симптомы Настроение Энсгиманиов и» 1
ОМ1ПМЫ Повышенная вкткшость или фиэтеское eecnwoi icTi имеется 1
Симптомы ПовЫейННЯ» ro&opiM&OCTb Имеется 1
Симтчмы _j Уснзры на течения кысяаЙ Имеется I_ti
Симпгомы Стжегие нс^мапьюго c«t*er«*iOfti контроля Имеется 1| „
Истинное гь ровна я ['■] соот&етст&ует f 00%, равная [0|- 0%, рве ив я ИI- недостатку n~»tcpvöi*«
ш
Рис. 6. Содержание рабочей памяти программы диагностики психических расстройств
Рис.7. История диалога в программе диагностики психических расстройств
ЛИТЕРАТУРА
1. Червинская К.Р. Медицинская психодиагностика и инженерия знаний. - СПб.: Ювента, 2002.
2. Поспелов Д.А. Представление знаний. Опыт системного анализа//Системные исследования. Методологические проблемы. - М.: Наука, 1985. - С.83-102.
3. Зеличенко А.И. Интеллектуальные системы знаний и технологии знаний//Компьютеры и познание. Очерки по когнитологии. - М.: Наука, 1990. - С. 68-86.
4. Гельфанд И.М. Очерки о совместной работе математиков и врачей. - М:Наука, 1988.
5. Shortliffe, E.H. Computer-Based medical consultation: MYCIN//New York: American Elsevier, 1976.
6. Тиганов А.С. и др. //Росс. психиатр. журнал, 1999. - Т. 2. № 2-3. - С. 31-38.
7. Dittmann V. Therap//Umsch, 1996. - Vol. 53, № 3.- P. 327-346.
8. Kovacs M. //Medinfo.- 1995. - Vol.8. - № 2. - P.97-110.
