CC BY
26Марухина О.В., Берестнева О.Г., Мокина Е.Е. УДК 004
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ МНОГОМЕРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ Марухина Ольга Владимировна
К.т.н., доцент, e-mail: marukhina@tpu.ru Берестнева Ольга Григорьевна
Д.т.н., профессор, e-mail: ogb6@yandex.ru Мокина Елена Евгеньевна
Ст. преподаватель, e-mail: Alisandra@tpu.ru Национальный исследовательский Томский политехнический университет Россия, 634050, г. Томск, проспект Ленина, дом 30
Аннотация. Статья посвящена оценке биологического системного состояния с помощью интегрированных индикаторов, а также методов обработки изображений на примере решения проблемы идентификации психологических и физиологических характеристик пациентов с различными формами астмы. Описана разработка программного продукта на основе пиктографиков «Лица Чернова». Эта программа предназначена для формирования графических образов, отображающих функциональное состояние человека, и, в частности, динамику изменения состояния пациентов в процессе лечения.
Ключевые слова: анализ медицинских данных, базы знаний, методов обработки изображений, медицинская экспертная система.
Введение. Воздействие интерактивной компьютерной графики (ИКГ) привело к возникновению нового направления в проблематике искусственного интеллекта, названного когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графикой. Когнитивная графика - это совокупность приемов и методов образного представления условий задачи, которое позволяет либо сразу увидеть решение, либо получить подсказку для его нахождения [5]. Отдельное направление когнитивная графика образует в медицине. Визуализация текущего состояния объекта и характерных особенностей позволяет обеспечить непрерывный контроль над состоянием групп лиц либо отдельного человека.
Настоящая работа посвящена вопросам выявления психологических и физиологических особенностей больных с различными формами бронхиальной астмы с помощью методов визуализации многомерных данных.
В ходе длительного динамического наблюдения за больными, анализа жизненных событий, анамнеза жизни К.Г. Языковым и Е.В. Немеровым [7] была выявлена группа пациентов с высокой чувствительностью к психотравмирующим жизненным ситуациям. В 2009-2012 году ими получены и опубликованы результаты, подтверждающие данную гипотезу. Часть результатов получена с помощью применения методов визуализации многомерных данных, которые и представлены в данной статье.
Современные компьютерные технологии используют широкий спектр методов визуализации информации. Методы визуализации позволяют исследователю одним взглядом
обнаружить особенности, выявить закономерности и аномалии в больших объемах информации.
Методы интегральной оценки состояния биосистем. На сегодняшний день существует достаточно большое количество подходов к формированию интегральных оценок состояния биосистем. В работе использован подход, основанный на информационно-энропийном методе, в модификации предложенной О.Г. Берестневой и Я.С. Пеккером [2].
Информационно-энтропийный метод представляет собой пример так называемого внешнего описания состояния больших систем. Известно, что энтропия живых систем - мера неопределенности распределения состояний биологических систем. По мнению некоторых авторов, увеличению энтропии в процессе перехода от нормы к патологии противостоят механизмы адаптации. Общий адаптационный синдром обеспечивает мобилизацию функциональных резервов организма. Происходят активизация и лабиализация функциональных систем, что ведет к снижению энтропии. Перенапряжение и истощение регуляторных механизмов сопровождается увеличением энтропии, что, в частности, проявляется в уменьшении согласованности элементов функциональной системы, ухудшением их синхронизации.
Для оценки степени отклонения состояния организма от уровня нормального функционирования используется критерий на основе информационной меры Кульбака, а именно, рассмотрение информационной меры Кульбака как меры предпочтительности поведения биообъекта [8]:
« Р0(х)
1адапт = ХР0(х/ ' (1)
] =1 Р( Х) )
где п - количество «существенных» признаков.
Р0(х^ ) - вероятность, характеризующая «предпочтительную» вероятность состояния
объекта, т.е. случай, когда отклонения у'-ой переменной от физиологической нормы равно 0.
Вероятность Р^х^ ) - апостериорная вероятность - вычисляется по следующей формуле:
Р^х] ) = р{ X - а <«)= 2фГ-]- 1. (2)
В выражении (1) вероятность P0(Xj) = 1, поскольку, в качестве «предпочтительного»
состояния объекта мы приняли состояние, при котором отклонение S = 0 (для нормального распределения), следовательно:
n 1
1адапт = ^ 7 •, (3)
j=1 P( Xj )
Данный критерий позволяет оценить степень отклонения текущего состояния объекта от «предпочтительного».
Изложенный выше математический аппарат был успешно применен ранее Берестневой О.Г., Пеккером Я.С., Ротовым А.В., Гергет О.М. и некоторыми другими исследователями для решения нескольких конкретных задач: оценки состояния адаптированности нефтяников и лесозаготовителей в условиях вахты [1]; оценки состояния организма на основе анализа результатов функциональных проб [4]; диагностики состояния новорожденных в раннем неонатальном периоде [3]; слежение за динамикой состояния организма человека в послеоперационном периоде [3].
Марухина О.В., Берестнева О.Г., Мокина Е.Е.
Методы визуального представления состояния объекта. Пиктографики «Лица Чернова». Многомерные пиктографики - не очень простой, но мощный исследовательский инструмент разведочного анализа данных. Главная идея такого метода анализа основана на человеческой способности «автоматически» фиксировать сложные связи между многими переменными, если они проявляются в последовательности элементов.
Лица Чернова - это один из наиболее интересных типов пиктографиков. Herman Chernoff придумал использовать для поиска зависимостей одних статистических показателей от других (корреляций) ресурсы мозга, отвечающие за распознавание лиц.
Основная идея представления информации в «лицах Чернова» состоит в кодировании значений различных переменных в характеристиках или чертах человеческого лица [6]. Пример такого «лица» приведен на рис. 1.
Смещение лев^го^ ^^^^^^^^Смещение правого зрачка
Кривизна левой части рта Кривизна правой части рта
Рис. 1. Пример изображения пиктографика «лицо Чернова»
Для каждого наблюдения рисуется отдельное «лицо». На каждом «лице» относительные значения переменных представлены как формы и размеры отдельных черт лица (например, длина и ширина носа, размер глаз, размер зрачка, угол между бровями).
Анализ информации при помощи такого способа отображения основан на способности человека интуитивно находить сходства и различия в чертах лица.
Для отображения динамики состояния объектов многие авторы предлагают использовать асимметрию, она позволяет рассматривать объекты в прогрессе.
В качестве исходной информации использовались данные клиники, в которой зарегистрированы результаты исследования 83 человек с установленным диагнозом бронхиальной астмы. 23 человека - первая группа - бронхиальная астма психогенно-индуцированная; 19 человек - вторая группа - бронхиальная астма сомато-психогенная; 29 человек - третья группа - бронхиальная астма непсихогенная, 12 человек - четвертая группа - психогенная одышка (не болеют бронхиальной астмой).
Программная реализация. Программа CHERN. В Институте кибернетики ТПУ с 2012 года ведутся работы по разработке программного обеспечения визуализации состояния биологических объектов на основе пиктографиков «Лица Чернова».
На первом этапе нами была разработана узкоспециализированна программа ^ет, реализующая данный подход для отображения функционального состояния больных бронхиальной астмой. Однако, в нашем случае, для оценки состояния объекта «до» и «после» воздействия используется не две половины «лица», а два разных пиктографика.
Принцип работы программы ^ет заключается в следующем: при сравнении параметров до и после лечения, если параметры после лечения больше, чем до лечения, на рисунке у прямых начинается отклонение вправо или вниз, а окружности вытягиваются влево и вправо (обратный принцип только у глаз и зрачков); если же меньше или равны, то изменения на рисунке наоборот. При плохом прослеживании отклонения можно воспользоваться просмотром координат точек, которые появляются при нажатии на интересующую часть рисунка. Ниже приведен пример, в котором для построения «лиц» используются 22 информативных физиологических показателя, характеризующих состояние больных бронхиальной астмой.
Рис. 2. Отображение состояния больного до и после лечения в виде «лиц Чернова»
Основным недостатком программы Chern является то, что она предназначена для решения конкретной прикладной задачи - оценки динамики состояния больных бронхиальной астмой.
Заключение. Развитием разработанного программного продукта явилось создание универсальной программы «Chernoff Faces». Данная программа предназначена для формирования графических образов, отображающих функциональное состояние человека, и, в частности, динамику изменения состояния пациентов в процессе лечения.
Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках выполнения научных проектов № 15-07-08922, № 14-07-00675, № 14-06-00026
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Берестнева О.Г., Карпов Г.А., Пеккер Я.С. Оценка функционального состояния беременных женщин по данным ортостатической пробы // Медико-биологические аспекты нейро-гуморальной регуляции. Вып. 3. Томск. 1994. С. 4-6.
2. Берестнева О.Г., Пеккер Я.С. Применение интегральных энтропийных критериев в анализе биотехнических систем / Томский политехнический институт. Томск. 1987. 19 с. Деп. в ВНИИ МИ 21.04.87., № 13259.
Марухина О.В., Бepeстнeва О.Г., Мокина Е.Е.
3. Берестнева О.Г., Цхай В.Ф., Пеккер Я.С. Применение интегральных критериев для оценки послеоперационного состояния при механических желтухах паразитарной природы // Медико-биологические аспекты нейро-гуморальной регуляции. Вып. 3. Томск. 1994. С. 8-9.
4. Гергет О.М., Берестнева О.Г., Пеккер Я.С., Сваровская И.Г. Математическое моделирование состояния детей в раннем неонатальном периоде // Актуальные проблемы информатики: Сб. трудов VI Междунар. научн. конф. Ч. 1. Минск. 1998. С. 174-176.
5. Зенкин А.А. Когнитивная компьютерная графика / Под ред. Д.А. Поспелова // М.: Наука. 1991. 187 с.
6. Кабулов Б.Т. Метод построения лиц Чернова, ориентированный на интервальные оценки параметров // Техническая кибернетика. 1991. 250 с.
7. Немеров Е.В., Языков К.Г. К вопросу изучения личностных свойств в психофизиологической реактивности больных бронхиальной астмой на аудиовизуальную стимуляцию // Вестник ТГПУ. 2011. В. 6 (108). С. 134-137.
8. Пеккер Я.С, Берестнева О.Г., Ротов А.В. Моделирование процессов адаптации организма вахтовых рабочих с учетом типа функциональной конституции // Механизмы адаптации организма: Матер. Всеросс. науч.-практ. конф. Томск. 1996. С. 105-107.
UDK 004
VISUALIZATION AND ANALYSIS OF MULTI-DIMENSIONAL EXPERIMENTAL DATA Olga V. Marukhina
Ph.D., Assistant Professor, National Research Tomsk Polytechnic University Russia, (634050, Tomsk, Lenina av. 30), e-mail: marukhina@tpu.ru
Olga G. Berestneva Dr., Professor, National Research Tomsk Polytechnic University Russia, (634050, Tomsk, Lenina av. 30), e-mail: marukhina@tpu.ru
Elena E. Mokina
Senior teacher, National Research Tomsk Polytechnic University Russia, (634050, Tomsk, Lenina av. 30), e-mail: marukhina@tpu.ru
Abstract. The article is devoted to evaluation of the biological systems status which based on integrated indicators, as well as imaging techniques on the example of solving the problem of identifying the psychological and physiological characteristics of patients with various forms of asthma. The development of the developed software product was the creation of a universal program «Chernoff Faces». This program is designed to generate graphics images displaying human functional state, and, in particular, the dynamics of the patient's condition during treatment. Keywords: analysis of medical data, knowledge base, imaging techniques, medical expert system.
The research was partially supported by RFBR as part of research projects № 15-07-08922, № 14-07-00675, № 14-06-00026
References
1. Berestneva O.G., Karpov G.A., Pecker Y.S. Ocenka funkcional'nogo sostoyaniya beremennyh zhenshchin po dannym ortostaticheskoj proby [Evaluation of the functional condition of pregnant women according to the orthostatic test] // Medical and biological aspects of neurohumoral regulation. Vol. 3. Tomsk. 1994. Pp. 4-6. ( in Russian)
2. Berestneva O.G., Pecker Y.S. Primenenie integral'nyh ehntropijnyh kriteriev v analize biotekhnicheskih sistem [Application of integral entropy criteria in the analysis of biotechnical systems] / Tomsk Polytechnic Intstitute. Tomsk, 1987. 19 p. Dep. MI Institute in 21.04.87., № 13259. ( in Russian)
3. Berestneva O.G., Tskhai V.F., Pecker Y.S. Primenenie integral'nyh kriteriev dlya ocenki posleoperacionnogo sostoyaniya pri mekhanicheskih zheltuhah parazitarnoj prirody [Integrated criteria using for the assessment of post-operative state in obstructive jaundice parasitic nature] // Medical and biological aspects of neuro-humoral regulation. Vol. 3. Tomsk. 1994. Pp. 8-9. ( in Russian)
4. Gerget O.M., Berestneva O.G., Pecker Y.S., Svarovskaya I.G. Matematicheskoe modelirovanie sostoyaniya detej v rannem neonatal'nom periode [Mathematical modeling of the state of children in the early neonatal period] // Actual problems of informatics: Coll. works of VI Intern. Scien. Conf. Part 1. Minsk. 1998. Pp. 174-176. ( in Russian)
5. Zenkin A.A. Kognitivnaya komp'yuternaya grafika [Cognitive Computer Graphics] / Ed. YES. Pospelov // M .: Science. 1991. Pp.187. ( in Russian)
6. Kaboulov B.T. Metod postroeniya lic CHernova, orientirovannyj na interval'nye ocenki parametrov [The method of constructing Chernova people-oriented interval estimates of parameters] // Technical Cybernetics. 1991. 250 p. ( in Russian)
7. Nemerov E.V., Yasikov K.G. K voprosu izucheniya lichnostnyh svojstv v psihofiziologicheskoj reaktivnosti bol'nyh bronhial'noj astmoj na audiovizual'nuyu stimulyaciyu [On the issue of studying personality traits psychophysiological reactivity in patients with bronchial asthma in the audiovisual stimulation] // Bulletin of Tomsk State Pedagogical University. 2011. V. 6 (108). Pp. 134-137. ( in Russian)
8. Pecker Y.S., Berestneva O.G., Rotov A.V. Modelirovanie processov adaptacii organizma vahtovyh rabochih s uchetom tipa funkcional'noj konstitucii [Adaptation processes modelling of shift workers bodies according to the type of functional constitution] // Mechanisms of adaptation: Proceedings of All Russian scientific-practical. Conference. Tomsk. 1996. Pp. 105-107. ( in Russian)
