CC BY
16
УДК 004.896 DOI: 10.20998/2411-0558.2016.21.20
О.М. ШУШУРА, канд. тexн. rny^ дoц., ДoнНTУ, Пoкpoвcьк
(Кpacнoapмiйcьк),
А.Ю. Т1ТОВА, acп., ДoнНTУ, Пoкpoвcьк (Кpacнoapмiйcьк)
РОЗРОБКА МОДЕЛ1 АНАЛ1ЗУ ТЕРМОГРАМ МОЛОЧНИХ
ЗАЛОЗ Ж1НОК НА ЗАСАДАХ НЕЧIТKОÏ ЛОГ1КИ
Зaпpoпoнoвaнo швий пiдxiд ao aнaлiзy xapaктepиcтик тepмoгpaм мoлoчниx зaлoз (MB) жiнoк пiд Hac дiaгнocтики oнкoлoгiчниx зaxвopювaнь. Фopмaлiзoвaнi вмдш та виядш лiнгвicтичнi змiннi мoдeлi aнaлiзy кiлькicниx та вiзyaльниx xapaктepиcтик тepмoгpaм MS на зacaдax нeчiткoï лoгiки, cфopмoвaнa ïï база знань та oбpaнo aлгopитм нeчiткoгo вивoдy, пepeвipeнa aдeквaтнicть мoдeлi. 1л.: 4. Б1блюгр.: 1G назв.
Kлючoвi слова: тepмoгpaмa мoлoчниx зaлoз, oнкoлoгiчнi зaxвopювaння, нeчiткa
лoгiкa.
Постановка проблеми. Ствopeння зacoбiв дiaгнocтики oнкoлoгiчниx зaxвopювaнь мoлoчниx зaлoз (MЗ) y жiнoк e вaжливoю нayкoвo-тexнiчнoю зaдaчeю. Одним з нaпpямiв poзв'язкy ща зaдaчi e poзpoбкa iнфopмaцiйниx тexнoлoгiй для пpoвeдeння aнaлiзy тepмoгpaм MЗ [1]. У зaгaльнoмy випaдкy тepмoгpaмa - цe тeмпepaтypнa кapтa дiлянки тiлa aбo вcьoгo тiлa, пpeдcтaвлeнa y виглядi зoбpaжeння. Oб'eктoм дocлiджeння y дaнiй po6o^ e пpoцec aнaлiзy тepмoгpaм MЗ жiнoк з мeтoю пocтaнoвки ^^peA^ora дiaгнoзy. Для opгaнiзaцiï мacoвoгo cкpинiнгy пaцieнтiв aктyaльнoю пpoблeмoю e автоматизащя aнaлiзy кiлькicниx та вiзyaльниx xapaктepиcтик тepмoгpaм MЗ з мeтoю визнaчeння oзнaк зaxвopювaнь.
Аналiз лiтератури. Сyчacнi cиcтeми дiaгнocтики зaxвopювaнь MЗ на ocнoвi тepмoгpaфiï пpaцюють з викopиcтaнням знань eкcпepтiв, rpyнтyютьcя на poзpaxyнкy кiлькicниx пoкaзникiв та oцiнцi вiзyaльниx xapaктepиcтик тepмoгpaм [2]. Дo кiлькicниx oцiнoк вiднocять пoшyк cepeA^oï тeмпepaтypи MЗ [2, 3]; мiнiмaльнoгo та мaкcимaльнoгo знaчeння тeмпepaтypи MЗ [2, 3]; кoeфiцieнтy acимeтpiï тeмпepaтypнoгo poзпoдiлy m^oï MЗ та кoeфiцieнтy e^^cy m®™'! MЗ [2]; poзpaxyнoк зaлeжнocтi щiльнocтi мiкpocyдин та ïx пiдвищeнoï тeмпepaтypи пpи зaxвopювaннi MЗ [4]. Пpoвoдять мyльтифpaктaльний aнaлiз на ocнoвi cпeктpa cингyляpнocтeй, poзpaxyнoк пoкaзникa Гeльдepa та вeйвлeт aнaлiз на ocнoвi мeтoдa мaкcимyмiв мoдyлiв вeйвлeт-пepeтвopювaнь [5]. Дo вiзyaльниx xapaктepиcтик cлiд в^^сти кopeляцiю мiж щiльнicтю мiкpocyдин та гpaдieнтoм тeмпepaтypи на дiлянцi пyxлини [4]; видiлeння мeж aнoмaльниx зoн та мeтoди для видiлeння oблacтeй iнтepecy [6]. Кpiм тoгo, в [7] зaпpoпoнoвaнi пiдxoди ao cтвopeння 4D тeплoвiзiйнoï cиcтeми для мeдичнoгo викopиcтaння. Шд чac aнaлiзy тepмoгpaм poзpaxoвyють
© O.M. Шyшypa, А.Ю. Tiтoвa, 2G16
статистичш показники, асиметричш дiагностичнi ознаки, видшяють границi зон гшертермп, а експерт робить висновок, яке саме захворювання вiдповiдаe цим даним.
Загальним недолшом розглянутих пiдходiв е те, що !х використання потребуе у значнiй мiрi участi експертсв. Це збiльшуе час на проведення аналiзу термограм та пiдвищуе його вартють. Можливим напрямком подолання зазначеного недолшу е розробка моделi аналiзу термограм МЗ на засадах неч^ко! логiки, яка широко застосовуеться у задачах моделювання штелектуально! дiяльностi людини [8].
Мета досл1дження - розробка моделi аналiзу кiлькiсних та вiзуальних характеристик термограм МЗ на засадах неч^кою логiки для створення можливостей тдвищення автоматизацп визначення ознак захворювань.
Для досягнення мети необхщно вирiшити наступш задачi:
- формалiзувати вхiднi та вихщш змiннi моделi;
- визначити функцп належностi лiнгвiстичних змiнних;
- сформувати неч^ку базу знань;
- обрати алгоритм неч^кого логiчного виводу;
- провести дослщження адекватностi модель
Матер1али досл1дження. Вихiдними даними для постановки попереднього дiагнозу е: вщомосп про стан пацiента, термограма (рис. 1), набiр температурних показникiв МЗ, результати розрахунку кшьюсних та вiзуальних характеристик термограм [9, 10], таю як: середня рiзниця температур, максимальна локальна асиметрiя, площа дiлянки гшертермп.
Рис. 1. Термограми з патолопею в л1вш МЗ
Для аналiзу термограми необхiдно розробити нечiтку модель, яка представляе собою функщональну залежнють виду:
/: X = {*ь7, (1)
Ae X - вeктop вxiдниx лiнгвicтичниx змiнниx, якi мютять дiaгнocтичнi oзнaки зaxвopювaнь MЗ.
Спpoщeний oпиc лiнгвicтичниx змiнниx вeктopy X нaвeдeнo дaлi: x1 - бшь в MЗ, тepми яш':!: "нeмae", "cлaбкa", "p^^", "лoкaлiзoвaнa", "пepioдичнa", "cильнa", "дyжe cильнa";
x2 - тeмпepaтypa тiлa пaцieнтa з тepмaми: "нopмa", "пiдвищeнa", "виcoкa";
x3 - змши шкipи MЗ, тepми якoï: "вiдcyтня", "лoкaльнe пoчepвoнiння", "пoчepвoнiння", "вeликe пoчepвoнiння", "пoчepвoнiння та лyщeння";
x4 - вид^ння з cocкiв MЗ, Ae тepми: "нopмaльнoгo xapaктepy", "зeлeнyвaтi", "кpoв'янi", "жoвтi";
x5 - фopмa нoвoyтвopeння з тepмaми: "нe пaльпyeтьcя", "вyзлoвa", "нeпpaвильнa", "гладка кyлькa", "знaчнo нeпpaвильнa", "майданчик";
x6 - cepeдня piзниця тeмпepaтyp MЗ з тepмaми: "в мeжax нopми" (MN - на pTO. 2.), "лeдь вищe нopми" (LVN), "вищe нopми" (VN), "дyжe вищe нopми" (DVN), "пepeвищeння нopми" (PN), "вeликe пepeвищeння нopми" (VPN);
xt - piзниця тeмпepaтyp cимeтpичниx пoзицiй, тepми mipoï: "гpaничнi" (G - на p^. 3.), '^дь вищe гpaничниx" (LVG), "вищe гpaничниx" (VG), "дyжe вищe гpaничниx" (DVG), "пepeвищeння гpaничниx" (PG), "вeликe пepeвищeння гpaничниx" (VPG);
x8 - макотмаль^ лoкaльнe пepeвищeння тeмпepaтypи пpaвoï MЗ, Ae тepми: "нopмaльнe", "нeзнaчнe", "нeзнaчнo бiльшe", "бiльшe", "знaчнo бiльшe";
x9 - мaкcимaльнe лoкaльнe пepeвищeння тeмпepaтypи лiвoï MЗ з тepмaми: "нopмaльнe", "нeзнaчнe", "нeзнaчнo бiльшe", "бiльшe", "знaчнo бiльшe";
x1G - мaкcимaльнa лoкaльнa acимeтpiя, ïï тepми: "нe зaзнaчeнa", "дyжe мaлeнькa", "мaлeнькa", "cepeдня", "вeликa", "дyжe вeликa";
xn - пгоща гiпepтepмiï, Ae тepми: "мeжoвa", "бiльшe мeжoвoï", "бiльшa", "нaйбiльшa", "мeнш мaкcимaльнa", "мaкcимaльнa";
x12 - кoлip гiпepтepмiï з тepмaми: "зeлeний", "жoвтий", "пoмapaнчeвий", "чepвoний";
Y - виxiднa змшна, знaчeння я^' вiдпoвiдae пeвнoмy зaxвopювaнню MЗ.
Виxiднa лiнгвicтичнa змiннa Y - пoпepeднiй дiaгнoз, щo мютить тepми: "Нopмoтepмoгpaмa", "Вyзлoвa фopмa pa^", "Дифyзнa фopмa paкy", "Кicтa", "Macтoпaтiя", "paк Пaджeтa", "Macтипoдiбнa фopмa pa^", "Macтит".
Функцп належносп термiв обрано на основi метода комюп та статистично'1 обробки експертних даних. У якосп прикладу на рис. 2, 3 наведеш функцп належностi термiв змiнних: Хб - середньо'1 рiзницi температур МЗ та Х7 - рiзницi температур симетричних позицiй, де по ос Х - значення iнтервалiв вiдповiдних термiв, по ос У - значення функцп належносп.
Рис. 2. Функцii належносп терм1в змiнноi Хб
а 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Рис. 3. Функцп належносп термiв змiнноi Х7
На основi формалiзованих лiнгвiстичних змiнних сформована неч^ка база знань у виглядi системи неч^ких продукцiй. У якостi прикладу деяю правила наведенi далi:
ЯКЩО Х1 = "немае" 1x2= "норма" I хз = "вщсутня" 1x4 = "нормального характеру" I Х5 = "не пальпуеться" I Хб = "в межах норми" I Х7 = "граничш" I Х8 = "нормальне" I Х9 = "нормальне" I Х10 = "не зазначена" I Х11 = "межова" I Х12 = "зелений" ТО у = "Нормотермограма";
ЯКЩО Х1 = "слабка" I Х2 = "норма" I Хз = "вщсутня" I Х4 = "зеленувап" I Х5 = "вузлова" I Хб = "перевищення норми" I Х7 =
"пepeвищeння гpaничниx" I X8 = "значш бiльшe" I X9 = "знaчнo бiльшe" I XlG = "вeликa" I X11 = "нaйбiльшa" I xi2 = "жoвтий" ТО y = "Вyзлoвa фopмa paкy";
ЯКЩО xi = "p^rao" I X2 = "виcoкa" I X3 = "лoкaльнe пoчepвoнiння" I X4 = "нopмaльнoгo xapaктepy" I X5 = "нeпpaвильнa" I X6 = "вeликe пepeвищeння нopми" I X7 = "вeликe пepeвищeння гpaничниx" I xs = "нeзнaчнe" I X9 = "бiльшe" I xio= "дyжe вeликa" I xii = "мaкcимaльнa" I X12 = "жoвтий" ТО y = "Дифузна фopмa";
ЯКЩО XI = "cильнa" I X2 = "нopмa" X3 = "пoчepвoнiння" I X4 = "кpoв'янi" I X5 = "майданчик" I X6 = "дyжe вищe нopми" I X7 = "вищe гpaничниx" I X8 = "нopмaльнe" I X9 = "нeзнaчнe" I XIG= "cepeAra" I X11 = "бiльшe мeжoвoï" I X12 = "жoвтий" ТО y = '^ак Пaджeтa";
ЯКЩО XI = "дyжe cильнa" I X2 = "виcoкa" I X3 = "пoчepвoнiння" I X4 = "зeлeнyвaтi" I X5 = "вyзлoвa" I X6 = "лeдь вищe нopми" I X7 = '^дь вищe гpaничниx" I X8 = "нeзнaчнo бiльшe" I X9 = "нeзнaчнo бiльшe" I XIG = "мaлeнькa" I X11 = "бiльшa" I xi2 = "жoвтий" ТО y = "Macra^1.
Нeчiткий лoгiчний вивщ, щo здiйcнюeтьcя на нaвeдeнiй бaзi пpaвил, мicтить eтaпи:
- poзpaxyнoк знaчeнь фyнкцiй нaлeжнocтi тepмiв, щo вxoдять в aнтeцeдeнти пpaвил;
- oбчиcлeння на ocнoвi нeчiткoï лoгiчнoï кoн'юнкцiï знaчeнь aнтeцeдeнтiв пpaвил;
- poзpaxyнoк знaчeнь фyнкцiй нaлeжнocтi тepмiв виxiднoï змiннoï як нeчiткoï лoгiчнoï диз'юнкцп aнтeцeдeнтiв пpaвил, y якиx тepм e в кoнceквeнтнi.
В нeчiткiй мoдeлi викopиcтaнo мeтoд лoгiчнoï кoн'юнкцiï за мiнiмaльним знaчeнням в yмoвax нeчiткиx пpaвил, та мeтoд лoгiчнoï диз'юнкцп за мaкcимaльним знaчeнням.
Рeзyльтaтoм нeчiткoгo вивoдy e мшжина тepмiв та poзpaxoвaниx знaчeнь ïx фyнкцiй нaлeжнocтi. У якocтi ocнoвнoгo пoпepeдньoгo дiaгнoзy oбиpaeтьcя тepм з макотмальним знaчeнням функцл нaлeжнocтi.
Для пepeвipки aдeквaтнocтi мoдeлi здiйcнювaлocя пopiвняння peзyльтaтiв мoдeлювaння з виcнoвкaми eкcпepтa пo 52 тepмoгpaмaм.
З мeтoю чиceльнoï oцiнки aдeквaтнocтi мoдeлi в бaзi знань викopиcтaнi кoнcтaнти, щo вiдпoвiдaють тepмaм лiнгвicтичнoï змiннoï, а caмe y = [G - Нopмoтepмoгpaмa; 0.1 - Вyзлoвa фopмa paкy; 0.2 - Дифyзнa фopмa paкy; 0.4 - Кicтa; 0.5 - Macrora™; 0.6 - paк Пaджeтa; 0.7 -Macтипoдiбнa фopмa paкy; 0.9 - Macтит]. ^тим 6УВ пpoвeдeний нeчiткий лoгiчний вивщ за aлгopитмoм Сyгeнo з зaзнaчeнoю вищe peaлiзaцieю нeчiткoï лoгiчнoï кoн'юнкцiï та диз'юнкцп, для дeфaзифiкaцiï зacтocoвaнo мeтoд звaжeнoгo cepeдньoгo. Oтpимaнi peзyльтaти зoбpaжeнi на pиc. 4.
1
0,8 s 0,6
X а
& 0,4 х
о «
0,2 --
0
I I I I I I I i i i i
II ill i lili
DL
1
\ Ь ЪЪ^^ффгф^ £ $
□ Нечггка система □ Мед. експерти Номер термограми
Рис. 4. Пор1вняння роботи неч1тко! модел1 та висновюв мед. експерпв
Для оцшки адекватностi моделi використано критерш:
а =
1
tZ (yi - mei
i:
(2)
i=1
де yi - значення вих1дного результату неч1тко! системи для дано'1 термограми; mei - значення висновку медичного експерта для дано'1
термограми; l - кшьюсть термограм, що обираються для анал1зу.
В результат дослщження 52 термограм значення критер1я становило 0,000018, що свщчить про адекватшсть модель
Висновки. В даному дослщженш формал1зоваш вхщш та вихщш лшгвютичш змшш модел1 анал1зу кшьюсних та в1зуальних характеристик термограм МЗ на засадах нечггкою лопки, сформована 11 база знань та обрано алгоритм неч1ткого виводу. Результати перев1рки адекватносп модел1 свщчать про те, що вона може бути використана при створенш шформацшних технологий для проведення масового скриншгу населення на основ1 термограм з метою своечасного виявлення захворювань МЗ на раншх стад1ях та збшьшення ефективносп д1агностування та л1кування в цшому.
Список лiтератури: 1. Timoea А.Ю. Методи сегментацп термограм шд час д1агностики онколопчних захворювань молочно! залози / А.Ю. Timoea, О.М. Шушура // Науков1 пращ ДонНТУ. - Красноармшськ, 2015. - № 1. - С. 89-96. 2. Приходченко В.В. Можливосп контактно! цифрово! термографп у раннш доклшчнш д1агностиц1 раку молочно! залози / В.В. Приходченко // ОНКОЛОГИЯ. - 2011. - № 2 - С. 125-129. 3. Kolaric D. Thermography - а feasible method for screening breast cancer / D. Kolaric // Coll. Antropol, 2013. - № 2. - P. 583-588. 4. Toshiro Y. Relationship between microvessel
l
density and thermographic hot areas in cancer / Y. Toshiro // Surgery Today, 2003. - № 33. -P. 243-248. 5. Герасгмова C.I. Мультифрактальний аналiз динамши поверхнево! температури молочних залоз i його використання для дiагностики раку молочно! залози: автореф. дис. ... канд. фiз.-мат. наук: 03.01.02 - Бiофiзика / Герасгмова Свгенгя 1гор1вна.
- 2014. - 19 с. 6. Бехтгр О.В. Щдвищення вiзуальноi шформативносп термограм у оптоелектронних системах тепловiзiйноi медично! дiагностики:автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.12.20 - оптоелектронш системи / Бехтгр Олена Володимир1вна. - К., 2006.
- 21 с. 7. Skala K. 4D thermal imaging system for medical applications / K. Skala // Periodicum biologorum. - 2011. - № 4. - P. 407-416. 8. Штовба C.Д. Введения в теорш нечггких множин i нечггку лопку [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://matlab.exponenta.ru/fuzzylogic/book1/index.php. - Дата доступу: квггень 2016. -Заголовок з екрану. 9. Ттова А. Ю. Апаратш та програмш складовi первинно! дiагностики онкологiчних захворювань молочно! залози на основi термографи / А.Ю. Ттова, О.МШушура // Збiрка праць V Мiжнародноi' мiжвузiвськоi' школи-семiнару "Методи i засоби дiагностики в технiцi - 2015". - 1вано-Франковськ, 2015. -C. 98-101. 10. Titova A.Yu. Fuzzy model thermal image analysis for detection breast cancer in women's /A.Yu. Titova //AIST-2016- Sumy, 2016. - P. 83-85.
References:
1. Titova, A.Yu., Shushura, A.N. (2015), "Segmentation methods of thermograms in the breast cancer diagnosis", Scientific works of DonNTU, No. 1, pp. 89 - 96.
2. Prikhodchenko V.V. (2011), "Potentialities of contact digital thermography in early preclinical diagnostics of breast tumor", ONCOLOGY, No. 2, pp. 125 - 129.
3. Kolaric, D. (2013), "Thermography - a feasible method for screening breast cancer", Coll Antropol, No. 2, pp. 583 - 588.
4. Toshiro, Y. (2003), "Relationship between microvessel density and thermographic hot areas in cancer", Surgery Today, No. 33, pp. 243 - 248.
5. Gerasimova, E.I. (2014), Multifractal analysis of the dynamics surface temperature of the breast and use for the diagnosis of breast cancer, Author's thesis, Perm, 19 p.
6. Bekhtir, O.V. (2006), Increasing of the visual informativeness for thermograms in optoelectronic systems by thermal-vision medical diagnostics, Author's thesis, Kiev, 21 p.
7. Skala, K., (2011), "4D thermal imaging system for medical applications", Periodicum biologorum, No. 4, pp. 407 - 416.
8. Shtovba, S.D. (2001), "Introduction to Theory and fuzzy multitude fuzzy logic" available at: http://matlab.exponenta.ru/fuzzylogic/book1/index.php (Accessed 4 April 2016).
9. Titova, A.Yu., Shushura, A.N. (2015), "Hardware and program components of primary diagnosis oncological breast diseases on the basis of the thermal visualization", Proceedings of the V International Interuniversity school-seminar "Methods and diagnostic tools in technology - 2015", Ivano-Frankivsk, Ukraine, pp. 98 - 101.
10. Titova, A.Yu. (2016), "Fuzzy model thermal image analysis for detection breast cancer in women's", AIST-2016, May, 2016, Sumy, Ukraine, pp. 83 - 85.
Надшшла (received) 12.05.2016 Статтю представив д-р техн. наук, проф. ДонНТУ Федоров C.C.
Shushura Oleksiy Mykolayovych, Cand. Sci. Tech. Donetsk National Technical University
Square Shybankova, 2, Krasnoarmiysk, Donetsk region, Ukraine, 85300 Tel.: (050) 470-15-67, e-mail: [email protected] ORCID ID: 0000-0003-3200-720X
Titova Anastasiya, Postgraduate Donetsk National Technical University
Square Shybankova, 2, Krasnoarmiysk, Donetsk region, Ukraine, 85300 Tel.: (095) 333-51-01, e-mail: [email protected] ORCID ID: 0000-0002-4803-2090
УДК 004.896
Розробка моделi ан^зу термограм молочних залоз жшок на засадах нешткоТ логiки / Шушура О.М., Тiтова А.Ю. // Вюник НТУ "ХШ". Сер1я: 1нформатика та моделювання. - Харк1в: НТУ "ХШ". - 2016. - № 21 (1193). - С. 184 -192.
Запропоновано новий щдхвд до анал1зу характеристик термограм молочних залоз жшок щд час д1агностики онколопчних захворювань. Формал1зован1 вхвдш та вихвдш лшгвютичш змшт модел анал1зу шлькюних та в1зуальних характеристик термограм МЗ на засадах нечетко! лопки, сформована И база знань та обрано алгоритм нечеткого виводу, перев1рена адекватшсть моделг 1л.: 4. Б1бл1огр.: 10 назв.
Ключовi слова: термограма молочних залоз, онколопчш захворювання, неч1тка
лопка. УДК 004.896
Разработка модели анализа термограмм молочных желез женщин на основе нечеткой логики / Шушура А.Н., Титова А.Ю. // Весник НТУ "ХПИ". Серия: Информатика и моделирование. - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2016. - № 21 (1193). - С. 184 - 192.
Предложен новый подход к анализу характеристик термограмм молочных желез женщин во время диагностики онкологических заболеваний. Формализованы входные и выходные лингвистические переменные модели анализа количественных и визуальных характеристик термограмм МЗ на основе нечеткой логики, сформирована ее база знаний и выбран алгоритм нечеткого вывода, проверена адекватность модели. Ил.: 4. Библиогр.: 10 назв.
Ключевые слова: термограмма молочных желез, онкологические заболевания, нечеткая логика.
UDC 004.896
Development of model analysis of thermal images breast women based on fuzzy logic / Shushura A.N, Titova A.Yu. // Herald of the National Technical University "KhPI". Subject issue: Information Science and Modelling. - Kharkov: NTU "KhPI". - 2016. - № 21 (1193). - Р. 184 - 192.
A new approach to analyzing the characteristics of thermal image breasts of women in the diagnosis of cancer was proposed. Input and output linguistic variables of model analysis of quantitative and visual characteristics of thermal image breast based on fuzzy logic were formalized, fuzzy knowledge base was formed and fuzzy inference algorithm was selected, the adequacy of the model was tested. Figs.: 4. Refs.: 10 titles.
Keywords: thermal image breast, cancer, fuzzy logic.
