авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Математические методы и модели оценки функционального состояния человека и их реализация в программном комплексе

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ланцберг Анна Вильямовна

Математические методы и модели
оценки функционального состояния человека
и их реализация в программном комплексе

Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Суятинов Сергей Игоревич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Большаков Александр Афанасьевич
кандидат технических наук, доцент Жигулевцев Юрий Николаевич
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

Защита состоится «5» июля 2010 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.08 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов,
ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат размещен на сайте СГТУ www.sstu.ru «4» июня 2010 г.

Автореферат разослан «4» июня 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.А.Терентьев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Развитие математических методов и моделей, являющихся основой программно-аналитических комплексов, реализующих диагностический процесс в медицине, становится приоритетным направлением. Об этом свидетельствуют многочисленные разработки, описанные как в зарубежной, так и в отечественной литературе (А.В. Богомолов, Л.А. Гридин, Ю.А. Кукушкин, И.Б. Ушаков). Значительная часть работ данного направления посвящена вопросам создания распределенных модульных архитектур комплексов, реализующих технологии гибридных экспертных систем на основе интеллектуальных агентов (А.А. Большаков, Е.И. Зайцев, Д.А. Зарин, Г.В. Заходякин, В.Б. Тарасов, L. Dib, J. Hendler, K. Troitzsch). В них каждый модуль отвечает за диагностику состояния определенной подсистемы организма, комплексная оценка состояния организма осуществляется на основе экспертных знаний. Важным является вопрос объединения специализированных диагностических модулей без потери их функциональной возможности.



Обычно используемые в медицинской практике диагностические показатели, приведенные в медицинской литературе, основаны на многолетних наблюдениях и носят среднестатистический характер. Статистический подход, как известно, оперирует с усредненными показателями, которые имеют большой разброс, что не предоставляет возможности достоверно оценить состояние конкретного человека. Следует отметить, что в медицинской практике используются как точечные, так и интервальные количественные показатели, а также вербальные описания.

Из-за большого объема исходных данных врачу трудно выделить наиболее значимые для данной задачи оценки функционального состояния показатели. Задача формирования совокупности наиболее значимых показателей решается на интуитивном уровне высококвалифицированными специалистами. На основе наиболее значимых показателей врач-эксперт относит функциональное состояние организма человека к определенному классу, определяющему характер лечения.

Вопросам моделирования оценки функционального состояния организма человека посвящен ряд работ, среди которых работы Н.В. Дмитриевой, Ю.Н. Миронкиной, А.В. Новикова, Ю.М. Перельмана, В.П. Колосова, И.В. Шкелева, А.О. Тараканова, М.В. Туманова. Однако в них не исследована возможность приведения исходных показателей к интервальному виду и учета интервальных оценок, более полно отражающих состояние организма. Кроме того, известные модели не доведены до проблемно-ориентированных комплексов программ, позволяющих модифицировать и наращивать их функциональные возможности без перепрограммирования.

Вышеизложенное определило актуальность, цель и задачи работы.

Цель работы – развитие математических моделей и алгоритмов, а также разработка на их основе проблемно-ориентированного комплекса программ, реализующего оценку функционального состояния организма человека на основе учета точечных, интервальных количественных показателей, биосигналов, представленных временными рядами, и вербальных описаний, а также отбор наиболее существенных из них.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • создать математические модели оценки состояния организма человека, реализующие на основе численных методов совместный анализ различных типов данных (вербальные описания, точечные и интервальные количественные значения, временные ряды) в рамках единого технологического подхода;
  • разработать метод разбиения пространства функциональных состояний на классы в зависимости от значимости показателей и значений корреляционных связей между различными функциональными состояниями на основе применения метода скрытого семантического анализа;
  • разработать метод совместного анализа показателей состояния человека, представленных различными типами данных на основе применения статистических методов и интеллектуальных алгоритмов анализа данных;
  • исследовать диагностические возможности предложенного метода совместного анализа разнотипных показателей функционального состояния организма человека;
  • разработать модульную архитектуру программно-аналитического комплекса диагностики функционального состояния организма человека на основе многоагентного подхода, который реализует созданный метод анализа данных;
  • реализовать модуль оценки функционального состояния организма человека в рамках программно-аналитического комплекса.

Объектом исследования является программно-аналитическое обеспечение системы оценки функционального состояния организма человека и выбора метода лечения онкологических больных в хирургии.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа и нечеткой логики, нейросетевого моделирования, статистические методы кластерного и дискриминантного анализа, латентно-семантический анализ, а также технологии и методы проектирования информационных систем (CASE-технологии, многоагентный подход к проектированию информационных систем).

Научная новизна результатов исследований:

  • развита математическая модель оценки функционального состояния организма человека и предложена совокупность численных методов для ее реализации, позволяющая по исходному набору показателей, представленных вербальными описаниями, интервальными и точечными количественными значениями, временными рядами, определить принадлежность пациента к определенному классу функционального состояния, что позволило достичь объективность и точность постановки диагноза, сравнимых с показателями работы высококвалифицированных экспертов;
  • разработан алгоритм оценки функционального состояния организма человека, основанный на выявлении классов функциональных состояний и скрытых линейных связей между показателями состояния методом сингулярного разложения и дискриминантного анализа, а также уточнении классов функционального состояния, выявлении нелинейных взаимосвязей между показателями и формализации логики принятия решения эксперта на основе нейронечеткой сети;
  • предложен метод разбиения пространства функциональных состояний человека на классы в зависимости от значимости показателей и набора возможных методов лечения, основанный на последовательном применении скрытого семантического и дискриминантного анализа;
  • разработан метод прогнозирования исхода оперативного вмешательства при лечении онкологических болезней желудочно-кишечного тракта на основе предложенного алгоритма анализа данных, позволяющий формализовать процедуру принятия решения;
  • создана модульная архитектура программно-аналитического диагностического комплекса на основе технологии распределенных параллельных вычислений, отличительной особенностью которого является способность к семантическому и физическому распределению вычислительных процедур между модулями, что позволит в дальнейшем легко модифицировать и наращивать программный комплекс.

Связь работы с крупными научными программами и темами.

Диссертационная работа выполнялась при поддержке:

1) Министерства образования и науки РФ: аналитическая целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 – 2008 годы)», тема «Синхронизация сложных процессов и систем. Приложения к задачам биофизики»;

2) Российского Фонда фундаментальных исследований (РФФИ): проект 07-07-12066 «Разработка методов модельного анализа биосигналов с целью экспресс-диагностики» (2007 – 2009 годы);

3) Министерства образования и науки РФ и Германской службы академических обменов (DAAD): проект № 16102 «Мультиагентная биомедицинская система обработки информации» (2008 – 2009 годы).

Практическая ценность работы. Предложенные в работе программно-аналитический комплекс диагностики, а также метод и модели внедрены в медицинскую практику в Саратовском государственном медицинском университете, что подтверждается соответствующим актом.

Разработанный метод реализован при оценке предоперационного состояния пожилых пациентов, страдающих онкологическими заболеваниями желудочно-кишечного тракта. Полученные результаты используются в учебном процессе в Саратовском государственном техническом университете при проведении занятий по дисциплинам «Автоматизированные информационно-управляющие комплексы», «Системный анализ и моделирование», «Идентификация и диагностика систем».

Основные положения, выносимые на защиту:

    1. Созданная математическая модель оценки функционального состояния человека позволяет использовать различные показатели состояния (вербальные описания, интервальные и точечные количественные значения, временные ряды).
    2. Алгоритм, реализующий комбинированную процедуру анализа исходных показателей состояния, позволяет реконструировать логику принятия решения врача-эксперта при оценке функционального состояния.
    3. Метод оценки функционального состояния организма человека, реализующий совместное использование скрытого семантического и дискриминантного анализа, а также нейронечеткого алгоритма анализа данных, позволяет выполнять комплексный анализ показателей состояния подсистем организма человека.
    4. Метод разбиения пространства функциональных состояний человека на классы в зависимости от значимости показателей и набора возможных методов лечения, основанный на последовательном применении скрытого семантического анализа и обучения с учителем, позволяет каждому классу поставить в соответствие определенный метод лечения.
    5. Разработанная модульная архитектура распределенного программно-аналитического комплекса реализует предложенный метод совместного анализа различных показателей и обеспечивает возможность расширения комплекса.
    6. Модели и метод принятия решения об оперировании больных преклонного возраста, страдающих онкологическими заболеваниями желудочно-кишечного тракта, позволяют формализовать процесс диагностики предоперационного состояния больного, существенно сократить время, затрачиваемое на предоперационное обследование пациента, а также повысить точность и надежность диагностики на основе выбора объективных показателей.
    7. Программно-аналитический комплекс позволяет исследовать предоперационное состояние организма человека на основе разнотипных показателей; архитектура комплекса позволяет путем настройки параметров моделей адаптировать диагностический модуль к различным областям медицинской диагностики.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11-й Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2007); научно-практических конференциях «Ситуационные центры и перспективные информационно-аналитические технологии поддержки принятия решений» (Москва, РАГС, 2007, 2008 и 2009 гг.); 3-й Международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании ИНФОКОМ-3» (Кисловодск, Филиал СевКавГТУ, 2008); XX (Ярославль, ЯГТУ, 2007) и XXI Международных научно-практических конференциях «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)» (Саратов, СГТУ, 2008); Научном семинаре стипендиатов программ «Михаил Ломоносов II» и «Иммануил Кант» 2008/2009 года (Москва, DAAD, 2009).





Реализована программная разработка, зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009610632, 28.01.2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в т.ч. 5 статей в научных журналах из списка ВАК РФ (в том числе 2 из них – по смежной специальности), 3 статьи в сборниках научных трудов, 8 докладов в трудах международных конференций, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 152 страницы текста, 12 рисунков, 16 таблиц, список использованной литературы включает 162 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлены цель и задачи исследования, определены научная новизна результатов и их практическое значение.

В первой главе поставлена задача оценки функционального состояния организма (ФСО) на основе анализа разнотипных показателей состояния организма человека.

Выбор метода лечения в медицине напрямую связан с комплексной оценкой ФСО человека. В частности, в хирургии, оценка состояния всего организма пациента необходима для определения его способности перенести тот или иной вид оперативного вмешательства. Основой оценки функционального состояния является, как правило, многолетний опыт врача по анализу разносторонней информации о состоянии подсистем организма на основе типовых методик анализа и оценки показателей состояния. Поэтому процесс принятия решения в большей степени зависит от опыта и компетентности врача.

В работе показано, что необходимым является создание математических моделей, формализующих процесс принятия диагностического решения и учитывающих вариабельность разнотипных показателей и характер взаимосвязей между ними.

Техническая реализация созданных моделей и алгоритмов принятия решения в виде программно-аналитического комплекса облегчит менее опытным врачам более объективно производить оценку состояния человека.

Вторая глава посвящена разработке метода оценки функционального состояния организма человека, позволяющего формализовать процесс интеллектуальной обработки разнообразной информации.

Фактически, ФСО оценивают по обширной совокупности взаимосвязанных разнотипных показателей, определяющих состояние подсистем организма (данные анализа крови, электрокардиограммы, температура и др.).

Задача оценки ФСО состоит в формировании совокупности типологических классов и формулировке набора правил, в соответствии с которыми изучаемый объект, описываемый характеристическим вектором показателей, может быть отнесен к одному из выделенных классов. Принадлежность пациента к определенному классу определяет соответствующую группу методов лечения.

Так, в онкологии при предоперационном обследовании пациента, врачу необходимо выяснить, сможет ли пациент перенести сложную или поддерживающую операцию, либо его состояние настолько тяжелое, что возможно лишь медикаментозное лечение. Таким образом, на основе совокупности показателей состояния различных подсистем организма, врач классифицирует состояние пациента как: состояние, при котором возможно проведение сложной радикальной операции, поддерживающей паллиативной операции, проведение операции невозможно. Очевидно, что ошибки в определении ФСО, в частности, особенно свойственные малоопытным врачам, приводят к неэффективности лечения и к серьезным последствиям.

Традиционно в медицинской диагностике используется оценка ФСО по показателям, приведенным к точечному количественному виду, на основе статистических методов. Для повышения объективности и качества принятия решения предлагается использовать методы нечеткой логики и нейронных сетей, формализующих опыт высококвалифицированного врача и учитывающих нечеткую и интервальную природу показателей.

Основными этапами предложенного метода оценки ФСО являются:



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.