Posobie Informatica

101

Томографический метод находит все более широкое применение в медицинской практике в связи с тем, что в последние десятилетия появляются все новые и новые методы регистрации состояния внутренних тканей организма. Вероятно, что методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР-томография), электрического парамагнитного резонанса (ЭПP-спектроскопия) постепенно будут все более вытеснять метод томографии, основанный на регистрации степени поглощения тканями рентгеновских лучей.

Принцип томографии (рис. 8.2) основан на послойной регистрации большого числа лучей, посланных излучателем (1) через исследуемый орган (3) в сторону регистратора излучения (2). На рисунке условно разделены две пары излучатель-регистратор, расположенные в горизонтальной (А) и вертикальной (В) плоскостях.

Рuc. 8.2. Иллюстрация принципа съема сигнала при компьютерной томографии

При прохождении через ткань исследуемого органа лучи неравномерно поглощаются во всех его участках. Предположим, что внутри органа (3) имеется патологический очаг (4). Тогда профили интенсивности лучей, прошедших через орган, будут иметь вид, представленный на схеме справа. Низкая интенсивность соответствует расположению патологического очага. Наличие двух профилей позволяет точно указать расположение очага в структуре органа.

Этап обработки и графического синтеза осуществляется с помощью вычислительных систем, так как в этом случае обрабатываются огромные массивы цифровой информации.

Рис. 8.3. Преобразование сигналов при ультразвуковой диагностике (УЗИ)

Принцип работы установок для ультразвуковой диагностики (рис. 8.3) во многом аналогичен описанному выше, с той разницей, что речь идет, во-

102

первых, о механических колебаниях ультразвукового диапазона, а во-вторых, этот сигнал не проходит через орган, а отражается от него.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятию «телеметрия»

2.Для чего используется телеметрия?

3.Какими этапами представляется электрофизиологическое исследование?

4.Дайте определение следующим понятиям: биологический электрод; токосъемная поверхность; потенциальный электрод; нулевой электрод; нейтральный электрод; артефакты; разностные и синфазные помехи; мультипликативные помехи; методы электрофизиологических исследований

5.Что такое медицинское изображение?

6.Какими методами может быть получено медицинское изображение?

7.Что относят к аналоговым изображениям?

8.Что относят к цифровым изображениям?

9.Перечислите методы получения двумерных медицинских изображений

10.Перечислите методы получения трехмерных изображений

11.Какие методы получения одномерных изображений вам известны?

12.С какой целью может использоваться цифровая обработка изображения в медицине?

13.Каковы основные принципы обработки изображений?

Задание для самоконтроля

Подготовьте мини-доклад об одном из методов электрофизиологических исследований:

Электрокардиография;

Электроэнцефалография;

Электромиография;

Электроокулография.

Список литературы

1.Медична інформатика і ти. – Режим доступа: http://nmuinform.ucoz.ru/load/11

2.Методика компьютерной диагностики. – Режим доступа: http://oberon- aurum.ru/user-artical-50.php

3.Исаков Р.В., Лукьянова Ю.А. «Моделирование биосигналов и систем» информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии. – Режим доступа: http://ilab.xmedtest.net

4.Зозуля Е.П. Методы автоматического анализа биосигналов с хаотическими свойствами для медицинских компьютерных систем : автореф. дис. ... канд.

техн. наук : 05.11.17. - M, 2010.

5.Kaiser W, Findeis M. Artifact Processing During Exercise Testing // Journal of Electrocardiology. – 1999. – Vol 32, Supplement. – Р. 212-219.

103

ТЕМА 9 ФОРМАЛИЗАЦИЯ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ МЕДИЦИНСКИХ ЗАДАЧ

Любой человек в процессе жизнедеятельности постоянно встречается с множеством задач – от самых простых и хорошо известных до очень сложных. Для множества из них существуют определенные правила (инструкции, предписания), объясняющие, как решать данную задачу. Эти правила человек может изучить заранее или сформулировать сам в процессе решения. Чем более точно и однозначно будут описаны правила решения задач, тем быстрее человек овладеет ими и будет эффективнее их применять. Такие правила принято называть алгоритмами. Роль алгоритмизации в жизни человека невозможно переоценить. Алгоритмический подход, обращение к бытовым алгоритмам неотделимы от повседневной жизни людей и от их обычной работы. В подавляющем большинстве случаев результат деятельности человека зависит от того, насколько четко он чувствует алгоритмическую сущность своих действий: что делать в каждый момент, в какой последовательности, каким должен быть итог действий и т.п. Все это определяет особый аспект культуры мышления и поведения, характеризующийся умением составлять и использовать различные алгоритмы.

Алгоритм – набор правил, позволяющий решить любую конкретную задачу из определенного класса. С помощью алгоритма задают последовательность действий, которые надо совершить для получения искомого решения.

Другими словами, алгоритм – точное, общепринятое предписание о выполнении в определенной последовательности элементарных операций для решения ЛЮБОЙ из задач, принадлежащих определенному классу.

Свойства алгоритмов. Любой применимый алгоритм обладает следующими основными свойствами:

Дискретность - последовательное выполнение простых или ранее определённых (подпрограммы) шагов. Преобразование исходных данных в результат осуществляется дискретно во времени.

Однозначность - при одних и тех же исходных данных результат исполнения алгоритма приводит к одному и тому же результату.

Определённость - состоит в совпадении получаемых результатов независимо от пользователя и применяемых технических средств (однозначность толкования инструкций).

Массовость – заключается в возможности применения алгоритма к целому классу однотипных задач, различающихся конкретными значениями исходных данных (разработка в общем виде).

Результативность (конечность) - означает возможность получения результата после выполнения конечного количества операций.

Понятность - алгоритм должен быть понятен для исполнителя.

Эффективность - из возможных алгоритмов выбирается тот, который содержит меньше шагов, или времени на его выполнение требуется меньше.

104

Выбор средств и методов для записи алгоритма зависит, прежде всего, от назначения самого алгоритма, а также от того, кто будет исполнять алгоритм.

Исполнителем алгоритма может быть человек или ЭВМ. В зависимости от этого существует несколько способов описания алгоритмов.

В первом случае (исполнитель: человек) алгоритм формулируется:

на естественном языке (словесный способ) с тщательным отбором слов и фраз, не допускающих лишних слов, двусмысленностей и повторений. дополняется язык обычными обозначениями и некоторыми специальными соглашениями. Алгоритм описывается в виде последовательности шагов. На каждом шаге определяется состав выполняемых действий и направление дальнейших действий. При этом, если на текущем шаге не указывается какой шаг должен выполняться следующим, то осуществляется переход к следующему шагу.

в виде «блок-схем» (графический способ) - это способ представления алгоритма с помощью общепринятых графических фигур (блоков), каждая из которых описывает один или несколько шагов алгоритма. Внутри блока записывается описание команд или условий. Для указания последовательности выполнения блоков используют линии связи (линии соединения). Последовательность блоков и линий образуют блок-схему алгоритма.

Во втором случае (для ЭВМ) – для записи алгоритма применяются спе-

циальные алгоритмические языки (языки программирования).

В зависимости от порядка выполнения команд алгоритмы разделяют на последовательный (линейный), разветвляющийся и циклический:

линейный алгоритм – алгоритм, в котором исполнитель все команды выполняет одну за другой в порядке их записи.

разветвляющийся алгоритм – алгоритм, содержащий хотя бы одно условие, в результате проверки которого происходит переход на один из двух возможных шагов: ЕСЛИ условие, ТО действие 1, ИНАЧЕ действие

2.

циклический алгоритм – алгоритм, содержащий многократно повторяемые участки алгоритмов.

Диагностические алгоритмы. Медицинская диагностика представляет собой область интересных и своеобразных задач профессиональной выработки решений в сложных ситуациях или ситуациях с неполной информацией. Особенность работы врача состоит в том, что объект (больной) чрезвычайно сложен, а решение должно быть принято обязательно. Значительная часть информации о больном имеет невербальный характер. Формализация и структуризация хотя бы части используемой врачом информации может быть полезна для самого врача (часть вопросов упростится и может быть решена формально, это освобождает сознание для решения более сложных профессиональных проблем). Кроме того, облегчится передача его опыта новому поколению специалистов. В медицине разрабатываются алгоритмы стандартизованных действий при обработке материалов исследований, при постановке диагноза и т. п.

105

Диагностический алгоритм – набор формальных правил, позволяющий на основе сведений о больном сформулировать диагноз заболевания, дать количественные или качественные оценки состояния больного.

Алгоритмизация ускоряет диагностику, но не исключает полностью перебора симптомов и диагнозов. Другими словами–алгоритмизированный диагноз основан на итеративном диагнозе, вытекает из него, но полная и исчерпывающая итерация симптомов и вариантов диагностических заключений бывает при этом не нужна. И в этом преимущество алгоритмизированного диагноза. Он позволяет в большей степени механизировать диагностическую работу врача.

Рис. 9.1. Схема диагностического алгоритма, предложенная Л.Б.Наумовым

Диагностический алгоритм составляется как для непосредственного использования медработниками, так и для решения диагностических задач с помощью ЭВМ.

Формы записи диагностического алгоритма для врачей. Существует несколько форм записи диагностического алгоритма для врачей:

логические деревья

дифференциально-диагностические таблицы

словесный алгоритм

Такие формы представления диагностических алгоритмов просты, удобны в употреблении и не требуют от медработников каких-либо специальных знаний.

Логические деревья представляют собой графический способ описания диагностического алгоритма. Пример логического дерева смотрите на рис. 9.2.

106

Рис. 9.2. Схема. Алгоритм специфической аллергологической диагностики поллиноза

В логических деревьях и дифференциально-диагностических таблицах шаги представляются в виде наборов признаков, каждому из которых приписывается определенный вес. При наличии у больного определенных признаков их веса суммируются, а результат сравнивается с известным пороговым значением. Если сумма превышает пороговое значение, принимается решение о наличии заболевания. В противном случае предполагается, что данное заболевание отсутствует.

107

Рис.9.3. Дифференциально - диагностическая таблица признаков капельных инфекций у детей.

Пример словесного способа описания алгоритмов можно увидеть на рис. 9.4:

108

СПИРОМЕТРИЯ (измерение дыхательного объема легких)

Цель: определить жизненную емкость легких (ЖЕЛ). Показания определяет врач:

-обследование здоровых людей (спортсменов);

-при заболеваниях легких;

-при заболеваниях сердца. Противопоказания определяет врач.

ПРИГОТОВЬТЕ:

1. Спирометр, состоящий из 2-х цилиндров, помещенных друг в друга 2. Воду и емкость для заливания воды в цилиндр.

3. Стерильные наконечники.

4. Емкость для использованных наконечников.

5. Емкости с дезинфицирующим раствором.

6.Перчатки.

ПОДГОТОВЬТЕ ПАЦИЕНТА:

-сообщите о намеченном исследовании,

-объясните порядок проведения манипуляции и поведение пациента во время ее проведения.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЙ:

1. Подготовьте к работе спирометр и проверьте его работу:

-наружный цилиндр наполните водой, при этом внутренний цилиндр должен быть опрокинут ВВЕРХ дном и уравновешен 2-мя гирями со шнурками, идущими через блоки;

-из полости ВНУТРЕННЕГО цилиндра выведите трубку, внутренний конец которой должен находиться ВЫШЕ уровня воды;

-на НАРУЖНЫЙ конец трубки наденьте СМЕННЫЙ стерильный наконечник.

2. Работа с пациентом:

-предложите пациенту сделать МАКСИМАЛЬНЫЙ ВДОХ, зажать нос и МЕДЛЕННО сделать МАКСИМАЛЬНЫЙ выдох через наконечник, взятый в рот;

-внутренний цилиндр ВЫДЫХАЕМЫМ воздухом поднимется вверх. По шкале на поверхности внутреннего цилиндра или боковой части аппарата определите объем выдыхаемого воздуха;

-полученные результаты запишите в лист наблюдения за пациентом, отпустите пациента;

-наденьте перчатки, смените наконечник, использованный - замочите в 3% растворе хлорамина.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: ЖЕЛ у мужчин =3500-4500 куб. см. ЖЕЛ у женщин =2500-3500 куб. см.

Рис. 9.4. Пример словесного способа описания алгоритмов

109

Диагностический алгоритм с помощью ЭВМ. В настоящее время ак-

тивно развиваются компьютерные программы, которые позволяют полностью или частично провести дифференциальную диагностику.

Существующие системы, предназначены для диагностики таких заболеваний, как шизофрения, болезнь Лайма или ассоциированная пневмония. Существуют такие программы, как QMR, DiagnosisPro, и VisualDx.

Автоматическая диагностика применяется также на стадиях доврачебного опроса (например, выявление групп риска при диспансеризации), при отсутствии на местах обследования квалифицированного медперсонала (например, при обслуживании небольших групп, работающих в отдаленных районах) и др. Имеется опыт создания и применения автоматизированных дистанционнодиагностических систем, когда медработник по телефону передает в диагностический центр данные экстренного обследования больного и получает от ЭВМ предполагаемый диагноз. Опыт работы таких дистанционнодиагностических систем свидетельствует о больших возможностях машинной диагностики. Наилучший результат отмечается, когда медицинские работники, получив поставленный машиной диагноз, самостоятельно принимают окончательное решение (выразив согласие или несогласие с ЭВМ). В этих условиях процент правильной диагностики увеличивается до 93%.

Элементы алгебры логики. Алгоритмы диагностики в настоящее время

– это эвристика, попытка приблизиться к наиболее совершенному психологическому механизму оперативного мышления и интуиции – т.е. «послелогическому скачку». Однако при этом не стоит забывать об элементарных правилах алгебры логики, на которых строятся правильные логические умозаключения.

Логика – наука о законах и формах мышления Высказывание (суждение) – некоторое предложение, которое может

быть истинно (верно) или ложно.

Утверждение – суждение, которое требуется доказать или опровергнуть. Рассуждение – цепочка высказываний или утверждений, определенным

образом связанных друг с другом.

Умозаключение – логическая операция, в результате которой из одного или нескольких данных суждений получается (выводится) новое суждение.

Логическое выражение – запись или устное утверждение, в которое, наряду с постоянными, обязательно входят переменные величины (объекты). В зависимости от значений этих переменных логическое выражение может принимать одно из двух возможных значений: ИСТИНА (логическая 1) или ЛОЖЬ (логический 0).

Сложное логическое выражение – логическое выражение, составленное из одного или нескольких простых (или сложных) логических выражений, связанных с помощью логических операций.