диссертации / 101

31

заболевания. При разработке правил стремятся к достижению высоких значений чувствительности и специфичности, хотя их изменения и реципрокны. Для бинарных диагностических правил (с двумя возможными гипотезами) стандартным способом оценки качества являются ROC-кривые.

Различные СППР могут включаться в состав отделенческих и госпитальных информационных систем.

Встроенные в информационную систему системы поддержки принятия решений могут быть использованы как врачами-специалистами, так и другими медицинскими работниками с различным уровнем подготовки в данной предметной области: врачами смежных специальностей, врачами общей практики, а также фельдшерами.

1.2.1 Использование вычислительных методов в построении

диагностических систем

Одним из способов разработки СППР является использование вычислительных методов. С этой целью применяются различные методы многомерной статистики (дискриминантный, регрессионный, факторный анализ), нейронные сети и другие. Для выбора параметров (входных переменных), которые будут включены в правило, прежде всего, проводят проверку на их информативность, которая заключается в сопоставлении выборок (групп сравнения) с помощью различных статистических критериев

[18] (параметрических и непараметрических для количественных величин;

критерий хи-квадрат, точный критерий Фишера и другие – для качественных). Широкое применение имели методы теории распознавания образов [51].

В случае нахождения между парой параметров сильной корреляционной связи, для построения правила используют лишь один из них, чтобы избежать искажения результатов вследствие усиления влияния в пользу одного из дифференцируемых классов. Основной мотивацией для сокращения числа признаков в целом является формирование их

32

совокупности, являющейся необходимой и достаточной для создания правила. Кроме того, включение в правило неинформативных параметров может привести к «зашумлению» выходной переменной. Выбор способа построения правила определяется типом входных переменных

(качественные, количественные), характером распределения количественных переменных.

После построения решающего правила обязательным является его проверка на контрольной выборке, которая может быть сформирована как на ретроспективных данных, отобранных с учетом рандомизации, так и на проспективных, собранных в ходе опытной эксплуатации. При проблеме недостаточного количества наблюдений, что часто встречается в медицине,

применяется процедура скользящего экзамена, заключающаяся в многократном построении решающего правила на всей выборке за вычетом одного из случаев и в последующей проверке правила на исключенном случае.

Однако применение различных статистических процедур в задачах диагностики всегда ограничено требованием к необходимому объему выборки: количество объектов в выборке должно иметь порядок квадрата числа признаков. В то время как в практике имеют место ситуации, когда количество используемых в построенном правиле признаков равняется количеству наблюдений, а увеличение объема выборки требует многолетнего сбора материала, в процессе которого может изменяться принцип лечения, и

затруднительно в случае исследования редких заболеваний. Попытки справиться с этим за счет использования данных об объектах из различных учреждений ведут к неоднородности выборки ввиду применения разных подходов к диагностике и лечению врачами, относящимися к различным научным школам.

Другой слабой стороной подобных диагностических алгоритмов является их работа по принципу «черного ящика»: для пользователя не

33

очевидна логика принятия решения, ему остается лишь принять к сведению заключение информационной системы.

В связи с этим широкое применение в области медицины нашли экспертные системы (ЭС), характеризующиеся отсутствием многих из этих недостатков.

1.2.2 Системы, основанные на знаниях, в решении задач

дифференциальной диагностики

Применение систем, основанных на знаниях, в медицине обусловлено

их особенностями, среди которых можно выделить следующие:

1.«прозрачность» логики принятия решения – система предоставляет пользователю не только решение, но и дает содержательное объяснение на понятном для пользователя языке;

2.возможность решения трудных дифференциально-диагностических задач в достаточно широкой области нозологических форм или состояний организма, нередко требующих привлечения врачей-

специалистов высокого уровня;

3.использование эвристических знаний для решения задач в медицине,

являющейся слабоструктурированной областью, что особенно важно в случаях мало распространенных болезней и сложных для диагностики и лечения заболеваний;

4.характеристика "размытых" понятий, переходы между которыми не имеют четких границ, что вызывает различную их трактовку и субъективную оценку врачами [23].

Ядром экспертной системы является база знаний, представляющая собой совокупность знаний предметной области, записанную на языке представления знаний [15]. Традиционно в еѐ структуре выделяют два элемента [4, 19]: декларативные и процедурные знания, которые могут быть представлены различными способами. В формировании базы знаний

34

ключевую роль играет инженер по знаниям (когнитолог), участвующий на протяжении всего процесса создания экспертной системы.

Разработка базы знаний экспертной системы проходит в несколько этапов, и самым трудоемким и в тоже время важнейшим из них является этап извлечения знаний. Методы приобретения знаний принято разделять на две основные группы: коммуникативные и текстологические [15].

Как правило, процесс извлечения знаний начинается с применения текстологического метода, основанного на анализе специализированных текстов из учебников, монографий, методических рекомендаций и других источников, отличающихся высокой степенью концентрации специализированных и фоновых знаний. Так как учебники содержат преимущественно эксплицитные (явные) связи между понятиями, знакомство с предметной областью начинается именно с них.

Существует большое разнообразие коммуникативных методов, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Чаще всего на практике для решения конкретной задачи применяется комбинация тех или иных методов, дополняющих друг друга. Это могут быть как пассивные методы (наблюдение, прослушивание лекций, анализ протоколов «мыслей вслух») [17], так и активные, проходящие в форме диалогов,

интервьюирования, мозговых штурмов и ролевых игр. Одним из лучших способов извлечения знаний эксперта является диалог [4],

характеризующийся возможностью направлять ход рассуждений эксперта, но требующий высокой профессиональной подготовки у когнитолога.

На основе полученной от эксперта информации и еѐ систематизации

(выявления структуры знаний) когнитолог создаѐт модель предметной области – формируется так называемое поле знаний [15] в виде некоторого неформального описания: текста, таблицы или схемы.

Последующая формализация заключается в представлении знаний в виде единой модели с помощью одного или совокупности методов:

35

продукционных правил, фреймов, семантических сетей, в том числе с

использованием методов нечеткой логики [14, 19, 48].

1.2.3.Обзор существующих систем для поддержки принятия решений

впроцессе оказания помощи ожоговым больным

Внастоящее время на рынке информационных технологий представлен большой выбор приложений, предназначенных для поддержки медицинских работников на этапе острой ожоговой травмы. Они ориентированы на расчет объема инфузионной терапии и нутритивной поддержки, расчет площади поражения на основе введения данных в фиксированное количество полей.

Однако, значительно меньше программ, позволяющих рассчитать площадь ожога на основе работы пользователя с изображением в электронном виде:

нами была найдена информация лишь о семи приложениях (SAGE II [97], BurnCase3D [73], Burn Calculator [63], Mersey Burns [106], LiAo BurnsPro [116], WoundFlow [111], BAI [99]), три из которых получили коммерческое распространение. Во всех этих программах в расчетах площади пораженной поверхности учитывается возраст пациента и производится вычисление объема необходимой инфузионной терапии по формуле Паркланда.

Рассмотрим их подробнее.

Первой программой, включающей функционал, подобный графическому редактору, являлась SAGE II [97] (рис. 4), разработка которой была начата еще в 1987 году. В программе предусмотрена работа пользователя с двухмерной проекцией; расчет площади пораженной поверхности производится как в процентах от общей площади поверхности тела, так и в квадратных сантиметрах. На изображении (скице) можно указать участки с глубокими и поверхностными ожогами, ампутации,

донорские участки и рубцы. Изначально приложение была разработано для настольных персональных компьютеров, позднее вышла версия для карманных персональных компьютеров с операционной системой Palm OS (в

настоящее время не поддерживается). Программа является платной, но в

36

свободном доступе есть web-версия для расчета площади поражения в

режиме онлайн [118].

Рисунок 4. Интерфейс программы SAGE II

В 2001 году при Университете прикладных наук Хагенберга, Австрия,

коллектив ученых приступил к работе над приложением с трехмерной проекцией тела человека, получившем название ―BurnCase3D‖ [73] (рис. 5).

Первая версия программы, выполненная для персональных компьютеров,

вышла в свет в 2005 году и в последующем многократно обновлялась

(работает под ОС MS Windows 2000/XP/VISTA/Windows 7). Как и в программе Sage II, для пользователя есть возможность отметить участки поверхностных и глубоких ожогов, донорских участков, ампутации и рубцы.

Особенностью программы является то, что при расчете площади поражения учитываются не только масса, рост и возраст, но и комплекция пациента.

37

Помимо расчета необходимого объема инфузионной терапии и энергетической потребности также производится вычисление различных индексов: ABSI (A New Body Shape Index), Boux Score. Функционал предусматривает ведение архива цифровых изображений пораженной поверхности и их прикрепление к скице. В настоящее время разрабатывается версия программы для планшетов и смартфонов (iPhone/iPad, ОС Apple iOS),

однако она пока не сертифицирована для клинического использования [117].

Работы, посвященные преимуществам использования данного программного обеспечения, неоднократно публиковались [73, 82].

Рисунок 5. Интерфейс программы BurnCase 3D

Всеми вышеуказанными преимуществами обладает и программа BAI

[99], разработанная в 2005 году в Университете Севильи, Испания.

Программа также позволяет работать с трехмерным изображением (рис. 6);

авторами была показана высокая точность оценки площади ожога с помощью разработанного обеспечения. В настоящее время программа реализована только для персональных компьютеров.

38

Рисунок 6. Интерфейс программы BAI

В 2005 году в Манчестере, Великобритания была разработана программа Burn Calculator [63], не получившая коммерческого распространения. Программа позволяла рассчитать площадь ожога путем внесения отметок на двухмерную проекцию (рис. 7). Авторами была показана высокая корреляция значений, полученных с помощью программы,

со значениями, рассчитанными экспертами, а также высокая межэкспертная надежность.

39

Рисунок 7. Основное окно программы Burn Calculator

Другие два приложения были разработаны в последние несколько лет и только для планшетных компьютеров и смартфонов, что связано с их лавинообразным распространением на мировом рынке.

В программе Mersey Burns [106] (рис. 8) подсчет площади ожоговой поверхности осуществляется после «раскрашивания» двухмерной проекции тела человека; пользователь может отмечать участки поверхностных и глубоких ожогов. Данное программное обеспечение является бесплатным.

Кроме того доступна web-версия программы [115].

Похожим интерфейсом и функционалом характеризуется другая программа для планшетов и смартфонов – LiAo BurnsPro [116] (рис. 9),

разработанная в Китае. От Mersey Burns еѐ отличает иная градация глубины ожоговых ран (три степени, а не две) и возможность прикрепления к скице цифровых изображений. Расчет объема инфузионной терапии осуществляется по новой формуле, разработанной в Военном Медицинском Университете города Чунцин. Публикаций об эффективности данного приложения нами не найдено.

Одним из недавно разработанных приложений является программа

WoundFlow [111] (рис. 10), предложенная Институтом хирургии военных сил США. Было показано, что точность расчета площади ожога в данной программе не уступает точности традиционного способа оценки площади поражения с помощью диаграмм Ланда и Браудера.