DEVELOPMENT OF DIAGNOSTIC MEDICAL EXPERT SYSTEM SUBJECT TO THE CONSTITUTIONAL TYPE OF A PATIENT
Authors:
1.
Novosibirsk State Technical University
2.
Novosibirsk State Technical University
3.
Novosibirsk State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 81
to 90
Status:
Published
Received:
05.04.2018
Accepted:
28.02.2020
Published:
25.04.2018
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 004.82
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 004.82
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
diagnostic test, likelihood assessment, expert system, integration of traditional and eastern medicines
Abstract (English):
In the context of decision making in difficult medical situations - for specifying a diagnosis - there was presented a model of medical expert system (atomic diagnostic test) based on integration of diagnostic methods of the traditional and oriental medicine. Criterion for choosing the most available atomic diagnostic test in determining the disease at each stage of diagnostic process is its informativeness which can be assessed in terms of likelihood of positive test results (with binary answers "yes"- "no"). An important feature of the model offered is an attempt to combine methods of traditional and Tibetan medicine in order to develop a well-defined concept and methodology how to diagnose a disease. To increase diagnostic precision there has been developed a program method of diagnostic criterion (informativeness) using Bayes procedure and module of analysis based on nominal entropies. One variant of the diagnostic test based on self-assessed health status suggests determining a patient’s constitution due to which it is possible to specify the diagnosis, avoiding diseases that are not typical for a certain constitutional type. Application of the diagnostic model offered motivates a patient to develop a healthy life, adhere to scientifically grounded system of disease prevention, according to the causes of diseases of the given constitution type.
In the context of decision making in difficult medical situations - for specifying a diagnosis - there was presented a model of medical expert system (atomic diagnostic test) based on integration of diagnostic methods of the traditional and oriental medicine. Criterion for choosing the most available atomic diagnostic test in determining the disease at each stage of diagnostic process is its informativeness which can be assessed in terms of likelihood of positive test results (with binary answers "yes"- "no"). An important feature of the model offered is an attempt to combine methods of traditional and Tibetan medicine in order to develop a well-defined concept and methodology how to diagnose a disease. To increase diagnostic precision there has been developed a program method of diagnostic criterion (informativeness) using Bayes procedure and module of analysis based on nominal entropies. One variant of the diagnostic test based on self-assessed health status suggests determining a patient’s constitution due to which it is possible to specify the diagnosis, avoiding diseases that are not typical for a certain constitutional type. Application of the diagnostic model offered motivates a patient to develop a healthy life, adhere to scientifically grounded system of disease prevention, according to the causes of diseases of the given constitution type.
Keywords:
diagnostic test, likelihood assessment, expert system, integration of traditional and eastern medicines
diagnostic test, likelihood assessment, expert system, integration of traditional and eastern medicines
Введение В медицинской практике после предварительного клинического обследования пациента и проведения типовых диагностических процедур врач формирует представление о возможных диагнозах. При определении реального заболевания (заболеваний) возникает задача выбора наиболее предпочтительного атомарного диагностического теста (АДТ) на каждом шаге диагностического процесса. Атомарный диагностический тест представляет собой неделимую диагностическую процедуру, в ходе которой оценивается один или более показателей состояния организма [1]. Однако при принятии решения в сложных медицинских ситуациях врачам необходимо иметь более подробную информацию о пациентах. В современной медицине конституцию человека рассматривают в качестве основной характеристики жизнедеятельности целостного организма. Конституционный тип человека не меняется, влияет на состояние как здорового, так и больного организма, а также на состояние его гомеостаза при различных изменениях внешней и внутренней среды [2]. Под конституциональными признаками подразумеваются такие показатели структуры тела, метаболизма, психики и поведения человека, которые на протяжении значительного времени существенно не изменяются. В трактовке восточной медицины, диагностика болезни проводится на основе выраженности и соотношения тех или иных характеристик морфологии, метаболизма, функций тканей, внутренних органов, физиологических систем и организма в целом (в том числе особенностей конституционного типа человека) [3]. Одним из направлений предлагаемой к рассмотрению работы является исследование информативности опросника пациента, в котором в качестве АДТ выступают вопросы диагноста, подразумевающие бинарные ответы («да» - «нет»). Важной особенностью модели является попытка объединения языка традиционной медицины с представлениями об организме и его терапии, используемыми в восточной рефлексотерапии. С этой целью формируются различные морфизмы, отражающие предпочтительные диагностические связи между существенным многообразием физиологических и патогенных факторов человека (терминология восточной медицины) и результатом клинических диагнозов (терминология современной медицины). Диагностичность АДТ и оценка вероятностей возникающих болезней, связанных с обнаружением симптомов Каждый диагноз (Di) образует бинарную, полную группу гипотез («поставлен Di» - «не поставлен Di»). Для любого Di существует множество АДТ. Диагностичность АДТ может быть оценена с помощью отношения правдоподобия, и его оценка будет отличаться для различных видов АДТ [4, 5]. Бинарный тест оценивает правдоподобие для положительных или отрицательных результатов диагноза. При исследовании контрольных групп здоровых и больных людей, к которым применялся этот тест [4, 5], с использованием статистических данных можно определить наличие и отсутствие заболевания у людей с подтвержденным или отклоненным диагнозом [6]. Рассмотрим случай, когда всего обследовались (a + c) больных пациентов (по результатам другого теста) и (b + d) здоровых. Гипотетическим тестом правильно выявлено a больных (из (a + c) всего больных) и d здоровых (из (b + d) всего здоровых). Из уточненного числа больных или здоровых людей можно вычислить чувствительность и специфичность диагностического теста: (1) где Se - чувствительность диагноза, доля позитивных результатов теста в группе больных пациентов; (2) где Sp - специфичность диагноза, доля негативных результатов теста в группе здоровых людей. Используя (1) и (2), вычисляем правдоподобия для положительного и отрицательного результата: Из результатов следует, что чувствительный тест часто дает положительный ответ, а специфичный тест - редко [7], однако он более информативен при положительном результате, подтверждая (предположенный) диагноз. Преимущество отношений правдоподобия состоит в том, что они помогают выйти за рамки грубой классификации результатов теста (норма - патология), с которой сталкиваются специалисты, если описывают точность теста только в терминах чувствительности и специфичности при единственной точке разделения. Таким образом, критерий диагностичности будем оценивать через отношение правдоподобия положительного результата теста: чем оно выше, тем диагностичнее источник. В случае вербального АДТ при визуальной оценке (УЗИ, рентген, КТ, ЭКГ и т. п.) оценка правдоподобия, на наш взгляд, производится не по отдельным фрагментам снимка или кардиограммы (значения АДТ), а по способности теста «разделить» две гипотезы: наличие заболевания и его отсутствие. Другими словами, под информацией I понимается не результат АДТ, а эффективность его использования при любых выходных данных. Соответственно, оценивается правдоподобие не конкретного сообщения АДТ, а теста в целом. Например, P(экг / Di) и P(экг / не Di)), i = 1, n, означает вероятность выявления заболевания (при его наличии) и вероятность выявления заболевания (при его отсутствии) для одной и той же ЭКГ соответственно. Нет никаких принципиальных запретов на принятие заведомо худших решений на основе одной и той же информации. Для корректности определения диагностичности АДТ данной группы необходимо постулировать его наилучшее использование [8]. Способность врача к постановке диагноза очень важна для оценки прогноза и результативности лечения. Но возможность постановки верного диагноза исключается в ситуации неполноты в определении симптомов, признаков заболевания или диагностических анализов. К рассмотрению предлагается модель выбора источников информации на очередном шаге диагностического процесса. Критерием выбора АДТ является его диагностичность, допускающая ряд формализаций. Например, остаточная энтропия для пары «диагноз - его отрицание» («Di» - «не Di») , где n - число диагнозов, рассматриваемых врачом, или отношение правдоподобия для информации, формируемой АДТ. Предлагаемая математическая формулировка позволит формализовать выражения логических основ диагностики о болезнях, основанных на разных случаях, поддающихся учету. Для повышения точности диагноза разработаны программный модуль критерия диагностичности (информативности) и модуль анализа на основе условных энтропий. Связь критериев отношения правдоподобия и апостериорной средней условной энтропии легко проследить, если перейти к рассмотрению шансов. Шансы (O(H)) и вероятности (P(H)) связаны следующей формулой: где H - гипотеза о наличии диагноза. Переходя в формуле Байеса от вероятностей к шансам (здесь - отрицание диагноза), получим: Пусть имеется множество диагнозов D и симптомов S, на основе которых специалист может получить необходимую информацию о диагностике заболеваний. Тогда: - - априорная вероятность диагноза, установленная до получения каких-либо симптомов, а вероятность отсутствия диагноза; - - условная вероятность проявления симптома, если у пациента наблюдается множество симптомов; - - апостериорная вероятность диагноза. Оценка априорных вероятностей происходит на основе статистической вероятности диагноза (можно взять из публикуемой медицинской статистики) и базы знаний, открытой для свободного доступа. Каждый диагноз со своим отрицанием составляет ансамбль гипотез, где - множество симптомов. Каждый диагноз со своим отрицанием определяется множеством симптомов. - симптом отсутствует. Обозначения вероятностей представлены следующей четверкой: Условные вероятности, отражающие правдоподобие получения у пациента ответа на вопрос о наличии (отсутствии) симптома, при условии наличия (отсутствия) диагноза, определяются только для тех симптомов, которые информативны при пересчете вероятности диагноза в смысле Байеса [9, 10]. При получении как положительных, так и отрицательных ответов о симптоме можно оценивать апостериорные вероятности следующими способами: (3) где (4) где . Из формул (3) и (4) получаем Если использовать в качестве критерия диагностичности, при первом вопросе, Шенноновское количество информации, заключенное в ответе, то имеем две частные условные энтропии (остаточные): Чтобы найти среднюю условную энтропию, надо также знатьи : Используя дополнительный тест на предмет определения конституции пациента (восточная медицина), можно выделить среди прочих диагнозов группу потенциальных болезней, что ведет к изменению коэффициентов для начальных вероятностей (по сравнению с основным тестом (традиционная (западная) медицина)). Под результатом совместных диагностик будем рассматривать внутренний и внешний фактор симптомов болезни. На первый взгляд, можно ограничиться использованием данных симптомов болезней, но при более подробном изучении можно сделать вывод, что использование данных о симптомах не дает полного результата из-за того, что некоторые из симптомов, проявляющиеся в разных заболеваниях, могут не проявиться на начальном этапе болезни. Структура диагностической экспертной системы и выбор диагноза Экспертная система (ЭС) была разработана в соответствии со следующими критериями: - система проста в освоении; - интерфейс удобен и спроектирован согласно требованиям пользователей системы (врач, пациент); - работа с базой данных не вызывает затруднений. По итогам исследования предметной области были спроектированы диаграммы UML, на которых наглядно показана структура ЭС, взаимодействие ролей пользователей внутри системы, жизненный цикл тестирования, авторизации пользователя, добавление, редактирование, удаление знаний и пр. Диаграммы вариантов использования ЭС описывают функциональное назначение системы или то, что система должна делать (рис. 1). Рис. 1. Диаграмма вариантов использования ЭС: ТМ - тибетская медицина В большинстве диагностических систем для определения ощущений пациента используется удобный интерфейс с четкими вопросами. На рис. 2 показаны этапы обработки запросов во время прохождения каждого теста. Рис. 2. Этапы обработки запросов медицинской экспертной системы На начальном этапе пользователь системы проходит авторизацию. Далее пользователь выбирает, какой из тестов пройти в первую очередь - основной или по тибетской медицине (ТМ). Если он выбирает основной, то обработка пройдет без дополнительных коэффициентов и результат будет несколько отличаться от возможного. После срабатывания критерия останова пользователь может не согласиться с системой и продолжить тестирование либо сохранить (либо нет) результаты в базе данных и выйти из системы. Начальная жалоба определяет диагноз или может вызвать гипотезы. Тогда в результате опроса и экспертиз происходит выбор или исключение конкурирующих возможностей. Восточный диагностический метод более субъективен [11]. Человек может определить свою конституцию на основе самооценки своего состояния. В восточной медицине считается, что каждый человек (индивид), будь то взрослый или ребенок, имеет свою неповторимую индивидуальную особенность. Эта концепция имеет в основе рассмотрение человека с точки зрения основных трех элементов: Ветер, Желчь и Слизь (рис. 3). Рис. 3. Типичная схема определения сущности болезни в традициях восточной медицины В жизни чаще встречаются средние типы, для которых характерны смешанные черты. Следует подчеркнуть, что главные признаки конституции, которые заложены в основу ведущих типов конституции, наследуются. Строго не наследуются поперечные размеры тела и ряд других признаков, которые более тесно связаны с полом, возрастом, профессией индивида и влиянием внешней среды на организм [12]. Приверженцы восточной медицины считают, что вероятность хронических заболеваний можно определить на основе конституционного типа [13]. Возникает необходимость в разработке медицинской ЭС, которая позволит поставить более вероятный диагноз в соответствии с данными о конституционном типе пациента. Основная сложность при разработке такой медицинской ЭС заключается в этапе определения типов конституции и в точности интерпретации результатов диагностики. Пример работы программы В данном разделе представлены результаты прохождения пациентом теста (основного) в двух вариантах: без прохождения предварительного теста (на определение типа конституции) и с ним. При прохождении основного теста задается ряд вопросов о текущих симптомах. Вопросы задаются в произвольном порядке, в зависимости от ответов полученных на предыдущие вопросы. На рис. 4 представлен фрагмент программы, отражающий результат прохождения основного теста без предварительного. Данные представлены в таблице: № Код Диагноз Вероятность 1 16 Бронхоэктаз 1,000000000000000000 2 54 Шейный спондилез 0,999919013966676200 3 48 Геморрой 0,997260276704822500 4 59 Острая глаукома 0,942951438000942900 5 55 Субдуральное кровотечение 0,907416904137204470 Рис. 4. Фрагмент программы: результат прохождения основного теста без предварительного Как можно отметить, в данном случае доминируют диагнозы «бронхоэктаз», «шейный спондилез», «геморрой» и т. п., что представляет определенные трудности при выборе окончательного диагноза. Диагнозы являются результатами субъективного мнения, соответствующими симптомам данной болезни. Большинство ответов «да» увеличивают вероятность диагноза одной болезни. На рис. 5 показан график изменения вероятностей диагноза после прохождения основного теста без предварительного. Рис. 5. График изменения вероятностей диагноза после прохождения основного теста без предварительного Далее определяются изменения вероятностей диагноза, которые зависят от полученных ответов. Симптомы диагнозов имеют разные частоты наблюдаемости, следовательно, неопределенность появления для некоторых симптомов больше, чем для других. В ходе проведения теста наблюдались некоторые изменения энтропии, но в итоге она свелась к нулю, а вероятности некоторых болезней возросли из-за того, что ответы основывались только на известных в настоящее время симптомах. Изменение вероятности при определении взаимозависимости между симптомами и болезнями вызывает изменение энтропии (рис. 6). Рис. 6. График изменения энтропии при изменении вероятностей диагноза Изменение энтропии зависит от ответов на вопрос. Суть взаимозависимости вопросов и ответов заключается в наблюдаемости симптомов. Если вероятность появления одного симптома в разных болезнях равна нулю, то система не обладает неопределенностью диагноза, в этом случае энтропия равна нулю. Когда вероятность появления одного симптома в некоторых болезнях находится в диапазоне от нуля до единицы, энтропия имеет существенно положительную величину. После прохождения основного теста можно пройти тестирование заново. Выбрав пункт «Пройти тестирование по тибетской медицине», пользователь попадает на страницу определения типа конституции. Тестирование базируется на самохарактеристиках человека. Благодаря определению конституционного типа человека можно получить более подробную информацию о причине заболевания, которая определяется внутренними факторами, структурой и особенностями телосложения [14-16]. В рассматриваемом случае у пользователя был определен смешанный тип конституции с преобладанием типов Ветер и Желчь (рис. 7). Рис. 7. Результат прохождения теста по системе тибетской медицины При данном типе конституции повышается вероятность следующих диагнозов: «бронхоэктаз», «шейный спондилез», «состояние тревоги», «геморрой», «острая глаукома» (рис. 8). Данные представлены в таблице: № Код Диагноз Вероятность 1 16 Бронхоэктаз 1,000000000000000000 2 54 Шейный спондилез 0,999919013966676200 3 40 Состояние тревоги 0,999547352577759300 4 48 Геморрой 0,997260276704822500 5 59 Острая глаукома 0,942951438000942900 Рис. 8. Фрагмент программы: результат прохождения основного теста после предварительного В этом случае некоторые названия диагноза остаются такими же, как после прохождения основного теста без предварительного, но возник и новый диагноз - «Состояние тревоги». На рис. 9, 10 представлены графики изменения вероятностей и энтропий после получения результатов прохождения основного теста после предварительного. Рис. 9. График изменения вероятностей диагноза после прохождения основного теста после предварительного После прохождения теста увеличились первоначальные вероятности, в соответствии с заданными коэффициентами связывающими конституционные типы человека и возможные диагнозы. Рис. 10. График изменения энтропии при увеличении вероятностей диагноза Поскольку величина энтропии характеризуется условными вероятностями, то ее применение как меры неопределенности целесообразно только при имеющихся в ЭС значительных статистических данных. Заключение В работе предложен к рассмотрению вариант интеграции способов диагностики традиционной и восточной медицины. На первый взгляд, можно ограничиться использованием данных о симптомах заболевания (традиционная медицина), но при более подробном изучении можно сделать вывод, что этот способ не позволяет сразу установить верный диагноз, т. к. некоторые из симптомов, проявляющиеся в разных заболеваниях, могут не проявиться на начальном этапе болезни. Восточная диагностика - более субъективный подход к представлениям о болезни. Определение конституционного типа человека дает возможность диагностировать заболевание по наличию внутренних и внешних факторов. При определении реального заболевания возникает проблема выбора наиболее предпочтительного атомарного диагностического теста. Критерием выбора способа тестирования является его диагностичность, допускающая ряд формализаций. Разработана модель медицинской экспертной диагностической системы, включающая информацию о 88 заболеваниях. Важной особенностью предлагаемой модели является попытка объединения двух систем диагностики: традиционной и восточной медицины. В системе применяются байесовская процедура и понятие условной энтропии.
1. Vlasenko T. A. Kriteriy diagnostichnosti dlya modeli medicinskoy diagnostiki // Vestn. nauki i obrazovaniya. 2015. № 4 (6). S. 57-58.
2. Tumba H. Chetyre osnovy medicinskoy nauki / per. s kit. Ulan-Bator: Gos. izd-vo, 1991. 735 s.
3. Konstituciya organizma. Konstitucional'nye priznaki. URL: http://dommedika. com/phisiology/325.html (data obrascheniya: 01.10.2017).
4. Shegal B. R. Model' vybora informacii v ekstrennoy medicinskoy diagnostike // Sb. nauch. tr. NGTU. 2013. № 2 (72). S. 68-77.
5. Vlasenko T. A., Shegal B. R. Kriteriy diagnostichnosti dlya modeli ekstrennoy medicinskoy diagnostiki // Sb. nauch.tr. NGTU. 2014. № 2 (76). S. 48-57.
6. Gaydyshev I. P. Ocenka kachestva binarnyh klassifikatorov // Vestn. Omsk. un-ta. 2016. № 1. S. 14-17.
7. Litvin A. A., Kalinin A. L., Trizna N. M. Ispol'zovanie dannyh dokazatel'noy mediciny v klinicheskoy praktike (soobschenie 3 - Diagnosticheskie issledovaniya) // Problemy zdorov'ya i ekologii. 2008. № 4 (18). S. 12-19.
8. Grif M. G., Shegal B. R., Ayush Yu., Yastrebova S. V. Diagnostic test design for the medical decision support system "Aimedica" based on integration of the "European" and the "Eastern" medicines // Proceedings international multi-conference on engineering, computer and information sciences (SIBIRCON) (Novosibirsk, Akademgorodok, 18-22 Sept. 2017). Novosibirsk: IEEE, 2017. P. 209-214.
9. Lasted L. Vvedenie problemy prinyatiya resheniy v medicine / per. s angl. M.: Mir, 1971. 235 s.
10. Lekcii. Net. URL: http://lektsii.net/1-46254.html (data obrascheniya: 10.09.2015).
11. Chzhud-Shi. Osnovy tibetskoy mediciny. URL: http://www.rulit.me/books/chzhud-shi-osnovy-tibetskoj-mediciny-read-415656-1.html (data obrascheniya: 01.10.2017).
12. Sidorov S. Rassvet beckonechnoy zhizni. Uchebnik Tibetskoy mediciny: ucheb. posob. M.: Zolotoe sechenie, 2008. 386 s.
13. Baavgay Ch., Boldsayhan B. Mongol'skaya tradicionnaya medicina. Ulan-Bator: Gos. izd-vo, 1990. 380 s.
14. Choyzhinimaeva S. G. Bolezni nervnyh lyudey, ili otkuda duet veter? M.: Astral, 2010. 183 s.
15. Choyzhinimaeva S. G. Bolezni bol'shih lyudey, ili chto takoe sliz'? SPb.: Piter, 2016. 136 s.
16. Choyzhinimaeva S. G. Bolezni sil'nyh lyudey, ili kak obuzdat' zhelch'? M.: Astral, 2010. 145 s.
