CC BY
44
УДК 621.3 И.В. Степанян
ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ
СЕТЕЙ ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ
ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ
ЗАБОЛЕВАНИЙ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ
ГОРНОРАБОЧИХ ПРИ ПОМОЩИ АКУСТИЧЕСКОГО
СПИРОАНАЛИЗАТОРА
Семинар № 9
Я а кафедре электротехники МГГУ разработан акустический спирометр [2] для функциональной диагностики и мониторинга дыхания горнорабочих. Горнорабочие ежедневно подвергаются вредным и опасным факторам производства, в т.ч. воздействию пыли, что ведет к возникновению профессиональных заболеваний органов дыхания.
Спирометр позволяет строить кривые, характеризующие соотношение расхода измеряемого потока от времени. В этих кривых содержится информация о возможных патологиях органов дыхания. Акустический спирометр не создает препятствий измеряемому потоку, (поскольку он является воздуховодом - трубкой, снабженной датчиком), он безинерционен, портативен. Портативность спирометра позволяет производить мониторинг и оценку органов дыхания горнорабочих экспресс методом, т.е. производить анализ без отрыва рабочих от процесса производства в любом месте в любое время в отсутствии врача. Если прибор сигнализирует об обнаружении признаков заболевания, то рабочий направляется на медицинское дообследование.
Поскольку прибор безинерционен и не создает препятствий измеряемому потоку, по кривым форсированного выдоха можно построить спектры. На глаз не возможно определить какой спектр принадлежит больному, какой здоровому, поэтому це-
лесообразно применять математические методы распознавания образов. Самыми современными и точными из таких методов являются искусственные нейронные сети (ИНС).
Биологический нейрон - клетка, обладающая ядром и стандартным набором ор-ганелл. Эта клетка снабжена отростками двух видов: дендриты - синапсы, по которым в клетку поступает сигнал от других клеток, либо из внешней среды; и аксон, который передает сигнал далее в другие нейроны. Клетка может сгенерировать
сигнал только в том случае, если суммарный сигнал на всех входящих дендритах превысит или достигнет потенциала поляризации мембраны клетки, т.е. так называемого порога срабатывания. Аналогичным образом работает искусственный нейрон. При объединении нейронов в сети, у этих сетей возникают синергетические свойства такие как память, способность к распознаванию образов, обучению, обобщению, интел-лект. Таким образом, ИНС моделируют процессы, происходящие в мозге человека.
Любая ИНС, работает в двух режимах - обучение и опытная эксплуатация, причем для обучения обычно требуется гораздо больше времени, чем для эксплуатации, поскольку сеть выдает сигнал мгновенно. Задача исследователя и проектировщика состоит в том, чтобы подобрать архитектуру ИНС и обучить ее так, чтобы
при предоставлении неизвестных сети образов, она с большой достоверностью смогла бы верно распознать этот образ, т.е. отнести его к тому или иному классу.
В нейроматематике известны несколько видов ИНС. Для решения задачи функциональной диагностики органов дыхания горнорабочих можно применять сети, предназначенные для классификации и кластеризации [1].
В ходе работы были обучены нейро-сетевые модели на базе самоорганизующихся сетей Кохонена [3] с достоверностью 70 % для здоровых и 92 % для больных; вероятностные сети, достоверность которых составила 75 % для больных и 72 % для здоровых; блочная сеть прямого распространения без обратных связей с учителем, достоверность которой составила 99 % для больных и 100 % для здоровых на всем множестве данных, полученных с помощью спирометра.
Практическая ценность ИНС заключается в возможности дообучения в процессе функционирования. Предлагается два варианта применения ИНС:
1. Симахин В.А., Кашинцев А.В. Кластери-
зация медицинских данных с помощью нейросетей. // Курганский государственный университет, г. Курган - Ьйр://^^^ки^ап-
city.ru/conf1/simahin1.html
1. диагностика посредствам нейросервера: для этого можно использовать портативный компьютер, например ноутбук, который будет передавать полученные спектры для последующей обработки на удаленный нейросервер. После обработки будет возвращен список с фамилиями рабочих, которым необходимо пройти медицинское дообследование;
2. сеть находится на компьютере, непосредственно подключенном к спироанализатору, либо сеть может быть встроена в сам прибор посредством программируемых логических матриц, а через Интернет происходит регулярное обновление нейросети с учетом приобретенного опыта с других объектов (шахт, производств).
В обоих случаях речь идет о функциональной экспресс диагностике, позволяющей выявлять признаки профессиональных заболеваний органов дыхания горнорабочих на начальной стадии, что актуально на сегодняшний день.
Автор выражает благодарность Андрею Хомичу за любезно предоставленный нейроиммитатор.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Шкундин С.З., Румянцева В.А. Повышение точности измерения скорости воздушного потока акустическим анемометром. // Измерительная техника, №1, 2001, C. 54-57.
3. Kohonen, T, Self-Organization and Associative Memory. 2nd ed. Berlin: Springer-Verlag.1987
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Степанян И.В. - кафедра электротехники, Московский государственный горный университет.
