CC BY
121
УДК 004.891.3+681.5
А.1. ПОВОРОЗНЮК, д-р техн. наук, проф., НТУ "ХШ",
€.С. ХАРЧЕНКО, мапстр, НТУ "ХП1"
ЗАСТОСУВАННЯ НЕЧ1ТКО1 ЛОГ1КИ В КОМП'ЮТЕРНИХ
СИСТЕМАХ МЕДИЧНО1 Д1АГНОСТИКИ
Розглянуто особливост медично! д1агностики, що впливають на якiсть прийняття ршень в системах шдтримки прийняття ршень. Формал1зовано експертну шформащю щодо заданих множин д1агнсгав та !х симптомшв. Розроблено метод формування д1агностичного висновку при проведенш терапевтичних обстежень на основ! нечетко! логiки. 1л.: 4. Табл.: 2. Б1блюгр.: 10 назв.
Ключов1 слова: медична д1агностика, нечетка лопка, система шдтримки прийняття ршень.
Постановка проблеми. Медицина являе собою слабко структуровану область знань [1], що створюе серйозш труднощi при побудовi систем прийняття ршень. В той же час, в практичнш дiяльностi лiкар вибудовуе послщовнють висновк1в, що спираються на уявлення про зв'язок спостережуваних у хворого ознак з певним дiагнозом.
Дiагностичний процес в медицинi, побудований на ]шркуваннях про ознаки i !х поеднання, що обгрунтовують або ввдкидають певну дiагностичну гiпотезу [2], фактично спираеться на логiку аргументацп, що включае i ввдносини порядку на множит аргуменпв. Певний паралелiзм у досягненш мети за допомогою мiркування iснуе у лiкарiв i в штелектуальних системах.
Особливiсть дiагностичних проблемних ситуацiй полягае в тому, що прийняття ршень в цьому випадку характеризуеться наявнiстю людського фактора на вах рiвнях i етапах процесу управлiння [3]. Крiм того, в дiагностичних проблемних ситуацiях об'ект управлшня е джерелом iстотно неповно!, неточно!, нечiтко! шформаци i протирiч (наприклад, прилад е джерелом неточностi, пащент в клiнiцi - джерелом нечiткостi, неточностi та неповноти).
Таким чином, актуальною е проблема формалiзацi! задачi медично! дiагностики на основi аналiзу рiзнорiдно! дiагностично! iнформацi!, обгрунтування вибору математичного апарату, розробки методу формування дiагностичних висновкiв та його адаптащя до задано! предметно! галузi медицини з метою побудови системи пвдтримки прийняття ршень в медицинi.
Анал1з л1тератури. Як показуе огляд лггературних джерел,
© А.1. Поворознюк, £.С. Харченко, 2015
дiагностичнi проблемш ситуаци мають калька аспектiв, що вимагають наукового аналiзу та дослщження. По-перше, дiагностика включае класифiкацiю неповшстю певних станiв [4]. По-друге, дiагностика мае калька рiвнiв експертизи з непостшним складом групи експертiв, яш Здiйснюють вилучення шформаци, виявлення закономiрностей i протирiч, висування гiпотез, перевiрку гiпотез та iн. [5]. По-трете, прийняття рiшень мае двоетапну оргашзацш: iнструментальними методами верифiкуються ознаки, що щдтверджують, або заперечують гiпотези; особа, яка приймае рiшення, будуе або використовуе готовi логiчнi правила, приймае робочу гiпотезу (остаточний дiагноз) i здiйснюе потiм вибiр цiлей i шляхiв подолання сформовано! проблемно! ситуаци [6].
При виникненш дiагностично! проблемно! ситуаци недостатньо вивченими залишаються також питання дослiдження i аналiзу ситуацш iнструментальними засобами при нечiтко заданш iнформацi! [7], де необх1дно узгодити оцшки, одержуванi ввд експертiв, а також класиф^вати дiагностичнi проблемнi ситуаци по множит критерив.
Медичний дiагноз, як правило, включае в себе ретельне обстеження пацiента, щоб перевiрити наявнiсть i силу деяких особливостей, пов'язаних з пiдозрою на хворобу, щоб прийняти рiшення - мае пащент цю хворобу чи т [8]. Симптом, такий як наприклад нежить, може проявлятися сильнiше у одного пащента, а може бути помiрним або навiть дуже непомггним для iншого. Досвiд лiкаря говорить йому, як об'еднати множину симптомiв (ознаки i !х iнтенсивнiсть), щоб встановити правильний дiагноз.
З врахуванням вище сказаного, в якостi математичного апарату аналiзу експертно! iнформацi! та результапв iнструментальних дослвджень пацiентiв вибрано нечiтку логiку [9, 10], яка усшшно застосовуеться в медичних дiагностичних системах [9]. Але при !! застосуваннi в конкретнiй предметнiй обласп медицини (терапевтичнi обстеження) необхвдно формалiзувати експертну iнформацiю щодо заданих множин дiагнозiв та !х симптомiв, узгодити результата шструментальних дослiджень пацiентiв з експертними оцшками та розробити методику формування дiагностичного висновку.
Мета статть Формалiзацiя задачi медично! дiагностики, розробка методики формування дiагностичного висновку при проведенш терапевтичних обстежень на основi нечiтко! логiки.
Формалiзацiя задачi медичноТ дiагностики та побудова дiагностичного висновку на основi нечггкоТ логiки. Розглянемо множину хвороб Б = {ё\, йт} а також визначимо множину
симптомiв ¥ = ■■■,/п} цих захворювань. Зазвичай маемо п >> т.
Для опису симптомiв пащента, буде виконуватися перевiрка симптомiв в наборi Г, тсля чого кожнiй змiннiй буде присвоено нечигсе значения. Набiр нечiтких значень представлений наступною множиною: дуже низьке, низьке, помiрне, високе, дуже високе.
Звiривши симптоми пацiента з уама п елементами множини симптомiв Г i призначивши належне нечiтке значення для кожного компонента, множина симптомiв пацiента буде мати наступний вигляд:
= {<л VI>, </г, У2>, ..., <п Уп>},
де VI - нечiтке значення, присвоене симптому £ при оглядi пацiента, i = 1, 2, ..., п.
Досввд лiкаря-експерта щодо набору розглянутих захворювань Б збертаеться в наборi нечiтких таблиць, кожна з яких задае профiль для одного захворювання. Ми розглянемо три нечггких значення "Так", "Може бути" i "Ш", як показано на рис. 1, для виявлення наявносп захворювания. Записи в таблицях профшю захворювання будуть формуватися з цих лшгвютичних змiнних [9].
Ы Може бути Так
Рис. 1. Нечiткi значення для встановлення дiагиозу
Для кожного 1-го захворювання формуеться множина Я, (, = 1, 2, ..., к,) з к, < п ввдповвдних симш^в, що е тдмножиною множини Г. Завдання експерта - встановити ввдповвдш значення для кожного елемента в таблиц профiлiв захворювань на пiдставi його досвiду. Це мае бути зроблено для кожного захворювання в наборi Б. Табл. 1 iлюструе фрагмент профiлю для поширено! шфекци верхнiх дихальних шлях1в, заснований на експертних консультащях лiкаря.
Розглянемо процес дiагностування пацiента та отримання множини його симптомiв 5. Приклад тако! множини приведений в табл. 2, яка показуе нечiткi значення для вах симптомiв у загальнiй множит Г.
Таблиця 1
Профшь для захворювання "Грип"
^^^^Атрибути Симптоми^^^^ Дуже низький Низький Помiрний Високий Дуже високий
Нежить Н1 Н1 Можливо Так Так
Лихоманка Н1 Можливо Так Так Так
Кашель Н1 Можливо Так Так Так
Ломкiсть в ттт Н1 Можливо Так Так Так
Головний бiль Н1 Можливо Так Так Так
Збшьшення
лiмфатичних Н1 ffi Можливо Можливо Можливо
вузлiв
Таблиця 2
Таблиця симптомГв пащента
Симптом Нечгтке значення
Нежить П
Висип свило рожевого кольору ДН
Лихоманка В
Кашель П
Рiзкий i уривчастий кашель ДН
Ломюсть в тiлi Н
Головна бшь Н
Чутливiсть до свiтла ДН
Кон'юктивiт В
Симптом Нечгтке значення
Збшьшення лiмфатичних вузлГв за вухом ДН
Бшь в суглобах ДН
Збшьшення лiмфатичних вузлГв у шт П
Слабкiсть ДВ
Нудота П
Бшь в горлГ П
Свербiння ДН
Втрата апетиту Н
Судоми ДН
* ДВ = дуже високий, В = високий, П = помрний, Н = низький, ДН = дуже низький.
Цiлком природно, що po3Mip нечислових значень симптомiв представлений нечеткими значениями. Тим не менш, е й iншi симптоми, таш як температура, тиск, рiвень цукру в кровi i т.д., яю можуть бути заданi числовим значенням. Так значення мають бути належним чином приведенi до нечiткого значення.
Нехай:
- s[/] - нечгтке значення симптому f у вхвднш множинi симптомiв;
- г,у -у-й симптом ,-го дiагнозу i = 1, 2, ..., п; у = 1, 2, ..., т;
- Ру [гу, V] - процент впевненосп в ,-му дiагнозу при нечiткому значеннi V симптому г,у;
- 5,у - дiагностичне рiшения щодо ,-го дiагнозу, що базуеться на вщповвдному симптомi г,у;
- к, - загальна к1льк1сть вiдповiдних симптомiв для ,-го дiагнозу;
- ^у - вага гуу симптому в дiагностуваннi ,-о! хвороби;
- а, - загальне дiагностичне рiшення щодо /'-о! хвороби.
Вплив симптому г,у на дiагностичне рiшения може бути отриманий безпосередньо з таблицi профшю хвороби Ру [гу, V]. Нечгтке значения V отримуеться iз симптому г,у пацiента як vу. Значению 5у буде присвоено одне зi значень нечiткого набору "Так", "Можливо" i "Нi". Воно може бути представлене наступним чином:
Пiдсумовуючи ефект уах к вiдповiдних функцiй, загальне дiагностичне рiшения щодо i-о! хвороби отримуеться наступним чином:
Ваговий коефщент w1у вводиться тут для того, щоб лiкар мiг вказати, що деяш симптоми можуть мати бшьше або менше значения нiж iншi при дiагностицi захворювания, i вш повинен встановити вiдповiднi вiдноснi значения ваг. Якщо всi симптоми мають однакове значения, то ваговий коефщент буде дорiвнювати одиницi для вах функцiй. У цьому випадку вираз (2) може бути спрощений до:
Останшм кроком е отримания чиких значень [10], що визначають вiрогiднiсть наявностi для кожного захворювания у множит Б. Щоб показати, як отримати так1 чiткi значения, розглянемо наступний приклад.
Припустимо, що дане захворювания що мае 10 вщповщних йому симптомiв, кожен з яких мае однакову вагу в дiагностицi. Припустимо, що при використанш виразу (1) були отриманi дiагностичнi рiшення вiдповiднi 7 "Так", 2 "Можливо" i 1 "Нi".
Загальне дiагностичне рiшения буде мати вигляд:
Ьу = ру [г,у, V/]
(1)
(2)
(3)
с, = ( 7 "Так" + 2 "Можливо" + 1 "Ш" ) / 10.
Отримaнa жчита множига зобрaжeнa нa риc. 2. Hexafr
- Ci - ^тр вaги зaгaльного нeчiткоï множини рiшeння;
- су - цeнтр вaги для нeчiткого знaчeння "Tax";
- qi - визнaчeнicть приcyтноcтi розглянуто1' xвороби di в процeнтax.
Pnc. 2. Heчiткa множит, що cтaновить зaгaльнe дiaгноcтичнe рiшeння
Отжe, чита знaчeння рiшeння для xвороби di бyдe обчиcлeно, як покaзaно нижчe. Cлiд зaзнaчити, що якщо для вcix вiдповiдниx cимпомiв дiaгнозy di знaчeння лiнгвicтичноï змiнноï бyдe "Ta^', то рiшeння мaтимe 100%.
q, = ( с, / cy ) x 100%.
(4)
Для дaного прикиду знaчeння ci = 0,69 тa су = 0,87. Ц говорить про тe, що в^в^н^ть у приcyтноcтi розглянутого зaxворювaння cтaновить 79%.
Обробкa вимiрювaниx знaчeнь. Симптоми, що мaють вимiрювaнi знaчeння, тaкi як тeмпeрaтyрa, цукор в кровi i т.д., будуть вкaзaнi в видi чиcлового знaчeння. Для простоти можнa викориcтовyвaти фiкcовaнi тaблицi, пiдготовaнi лiкaрeм, щоб вiдобрaзити цi чиcловi знaчeння в видi нeчiткиx знaчeнь з множини {дyжe низькa, низьга, помiрнa, виcокa, дyжe виcокa}. Ц рiшeння в дeякиx випaдкax можe бути доцiльним. Tим нe мeнш, розглянeмо рiшeння, якe e бшьш точним i дозволяе уникнути рiзкиx пeрeпaдiв знaчeнь. Pозглянeмо приклaд зi знaчeнням цукру в кровi, як покaзaно нa риc. 3.
Ha риа 3 прeдcтaвлeнa нeчiткa множин з чотирьоx знaчeнь, як1 вiдобрaжaють рiвeнь глюкози в кровi. Якщо вишряш знaчeння, нaприклaд, дорiвнювaтимe 8,7%, то дaнe знaчeння бyдe вiднeceнe до
нeчiткоï змшно1' "ceрeднiй" зi знaчeнням коeфiцieнтy 0,3 i "Виcокий" зi знaчeнням коeфiцieнтy 0.7.
Низький Норма Середый Високий
01234&6789 10 PiBeHb глюк о зи (ммоль/лггр)
Pnc. 3. Heчiткa множинa ршня цукру в кровi
Припycтимо, що в профш дeякого зaxворювaння di збeрiгaeтьcя нacтyпнa iнформaцiя:
- якщо рiвeнь цукру "ceрeднiй", то впeвнeнicть у дiaгнозi di "Можливо".
- якщо рiвeнь цукру "виcокий", то впeвнeнicть у дiaгнозi di "Taк". Taким чином, дiaгноcтичнe рiшeння 5j для зaxворювaння di нa
оcновi знaчeння рiвню цукру в кровi 8,7% бyдe приймaтиcя нa оcновi двоx нeчiткиx знaчeнь: "Можливо" з коeфiцieнтом 0,3 тa "Taк" з коeфiцieнтом 0,7, як покaзaно нa риc. 4.
Ршень впевненост!
Pnc. 4. Heчiткa множинa дiaгноcтичного рiшeння na оcновi знaчeння ршню цукру в кровi (8,7%)
Дане ршення може бути узагальнене з можливютю включення шших числових значень, таких як кров'яний тиск.
У цьому випадку дана мiра може складатися з чотирьох можливих нечiтких множин i мае бути застосоване правило мшмуму для об'еднання пар нечетких множин з застосуванням оператора "I".
Висновки. В результатi виконано! роботи було формалiзовано експертну iнформацiю щодо заданих множин дiагнозiв та !х симптомiв при проведеннi терапевтичних обстежень. Запропоновано формування профiлiв захворювань та !х зберiгання у виглядi нечiтких таблиць. Розроблено метод формування дiагностичного висновку на основi неч1тко! лопки. Виконана тестова перевiрка працездатностi розробленого методу.
Список л1тератури: 1. Кобринський Б.А. Автоматизоваш системи диференщально! д1агностики спадкових захворювань / Б.А. Кобринський, Л.З. Казанцева, A.C. Фельдман // Спадкова патолопя людини - М.: Медицина, 1992. - С. 229-239. 2. Виноградов A.B. Диференщальний д1агноз внутршшх хвороб: довщковий поабник для л1кар1в /A.B. Виноградов. - М.: Медицина, 1987. - C. 96-117. 3. Евербек Г. Диференцшна д1агностика хвороб у дитячому вод: Пер. з шм. / Г. Евербек. - М.: Медицина, 1980. - C. 146185. 4. Р^ельман Р. Як уникнути лжарських помилок. Книга практикуючого лжаря: Пер. з англ. / Р. Рiгельман. - М.: Практика, 1994. - C. 45-216. 5. Лукашевич 1.П. Проблема отримання та передач! медичних знань / 1.П. Лукашевич, А.Л. Сиркт // Комп'ютерна хрошка. - 1994. - № 8-9. - С. 39-43. 6. Рассел Б. Ф1лософ1я лопчного атом1зму (1918) / Б. Рассел // Ф1лософ1я лопчного атом1зму. - Томськ: Вид-во "Водолш", 1999. - С. 3-108. 7. Кобринський Б.А. Нечетка лопка в анал1з1 образних уявлень в медичних системах штучного штелекту / Б.А. Кобринський // М1жнар. конф. по м'яких обчислень i вим1рювань: Зб. докл. Т.1. - СПб. - 1998. - С. 233-235. 8. Фтн В.К. Про один вар1ант лопки аргументаци / В.К. Фтн // НТ1. Сер.2. - 1996. - № 5-6. - С. 3-19. 9. Innocent P.R. Fuzzy Methods and Medical Diagnosis / P.R. Innocent, R.I. John, J.M. Garibaldi // The Centre for Computational Intelligence Department of Computer Science De Montfort University, Leicester, UK. - 2004. -C. 4-17. 10. Klir J.K. Fuzzy Sets and Fuzzy Logic: Theory and applications / J.K. Klir, B. Yuan -Prentice-Hall, 1995. - C. 2-7.
Bibliography (transliterated): 1. Kobrins'kij B.A. Avtomatizovani sistemi diferencial'no! diagnostiki spadkovih zahvorjuvan' / B.A. Kobrins'kij, L.Z. Kazanceva, A.C. Feldman // Spadkova patologija ljudini. - M., Medicina, 1992. - P. 229-239. 2. VinogradovA.V. Diferencial'nij diagnoz vnutrishnih hvorob: dovidkovij posibnik dlja likariv / A.V. Vinogradov. - M.: Medicina, 1987. -P. 96-117. 3. Everbek G. Diferencijna diagnostika hvorob u ditjachomu vici: Per. z nim. / G. Everbek. - M.: Medicina, 1980. - P. 146-185. 4. Rigel'man R. Jak uniknuti likars'kih pomilok. Kniga praktikujuchogo likarja: Per. z angl. / R. Rigel'man - M.: Praktika, 1994. - P. 45-216. 5. Lukashevich I.P. Problema otrimannja ta peredachi medichnih znan' / I.P. Lukashevich, A.L. Sirkin // Komp'juterna hronika. - 1994. - № 8-9. - P. 39-43. 6. Rassel B. Filosofija logichnogo atomizmu (1918) / B. Rassel // Filosofija logichnogo atomizmu. - Toms'k: Vid-vo "Vodolij", 1999. - P. 3-108. 7. Kobrins'kij B.A. Nechitka logika v analizi obraznih ujavlen' v medichnih sistemah shtuchnogo intelektu / B.A. Kobrins'kij // Mizhnar. konf. po m'jakih obchislen' i vimirjuvan': Zb. dokl. - 1998. - T.1. - SPb.- P. 233-235. 8. Finn V.K. Pro odin variant logiki argumentaci! / V.K. Finn // NTI. Ser.2. - 1996. - № 5-6. - P. 3-19. 9. Innocent P.R. Fuzzy Methods and Medical Diagnosis / P.R. Innocent, R.I. John, J. M. Garibaldi // The Centre for
Computational Intelligence Department of Computer Science De Montfort University, Leicester, UK. - 2004. - P. 4-17. 10. Klir J.K. Fuzzy Sets and Fuzzy Logic: Theory and applications / J.K. Klir, B. Yuan - Prentice-Hall, 1995. - S. 2-7.
Поступила (received) 20.07.2015
Статтю представив д-р техн. наук, проф. каф. обчислювально'1 техтки та програмування Леонов С.Ю.
Povoroznjuk Anatolij, Dr.Sci.Tech, Professor
National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"
Str. Frunze, 21, Kharkov, Ukraine, 61002
tel./phone: (057) 707-60-19, e-mail: AI.Povoroznjuk@gmail.com
ORCID ID: 0000-0003-2499-2350
Kharchenko Evgenij, master
National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" Str. Uchitelskaja, 11, Peresechnoe, Kharkov, Ukraine, 62364 tel./phone: +38 066 2319803, e-mail: xabi@meta.ua ORCID ID: 0000-0006
