Анализ состояния здоровья и нейросетевое прогнозирование заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата медицинских наук

Анализ состояния здоровья и нейросетевое прогнозирование заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России

05.26.02 - безопасность в чрезвычайных ситуациях

Головинова Вероника Юрьевна

Самара - 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении высшего профессионального образования «Самарский военно-медицинский институт» Министерства обороны Российской Федерации

Научный руководитель:

доктор медицинских наук профессор Котенко Пётр Константинович

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук профессор Новицкий Альберт Александрович

Заслуженный врач РФ доктор медицинских наук профессорПильник Николай Михайлович

Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение дополнительного профессионального образования «Санкт-Петербургская медицинская академия последипломного образования Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию Российской Федерации»

Защита диссертации состоится 09 декабря 2010 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 205.001.01 при Федеральном государственном учреждении здравоохранения «Всероссийский центр экстренной и радиационной медицины имени А.М. Никифорова» МЧС России по адресу: 194044, Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, дом 4/2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного учреждения здравоохранения «Всероссийский центр экстренной и радиационной медицины имени А.М. Никифорова» МЧС России

Автореферат разослан ____ ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат медицинских наук М.В. Санников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью поиска современных высокотехнологичных инструментов и методов теории управленческого анализа, мониторинга и прогнозирования состояния здоровья сотрудников системы МЧС России с учётом уровня и тенденций развития государственной статистики России на современном этапе.

Только в 2008 г. в стране произошло 200 386 пожаров (-5,7 % по сравнению с 2007 г.), при которых погибло 15 165 человек (-5,6 %), в том числе 584 ребёнка (-2,2 %). На пожарах получили травмы 12 800 человек (-6,5 %). Подразделениями государственной противопожарной службы на пожарах спасено 94 220 человек и материальных ценностей на сумму более 42,9 млрд. рублей. Тенденция к снижению количества пожаров сохранилась и в 2009 г. (-8,2% по сравнению с 2008 г.), тем не менее, подразделения МЧС России более 200 000 раз выезжали на пожары (Шойгу С.К., 2010).

По информации пресс-службы МЧС России по состоянию на 25 сентября 2010 г. с начала пожароопасного периода 2010 г. в стране возникло 32 057 очагов только природных пожаров на общей площади 1 567 579 га, в том числе 1 432 очага торфяных пожаров на общей площади 2 634,5 га. К тушению лесных пожаров привлекалось 2 882 человека и 744 единицы техники, из них 8 воздушных судов, в том числе от МЧС России 627 человек и 140 единиц техники.

Пожар на заводе «Иркутсккабель» (г. Шелехов Иркутской области, 24.12.1992 г.), ландшафтные пожары на территории Российской Федерации летом_осенью 2010 г., помимо общественного резонанса, подняли проблему оценки состояния здоровья пожарных, привлекаемых для их ликвидации.

Данная проблема находится под постоянным пристальным вниманием учёных (Колычева И.В. и др., 2003; Матюшин А.В. и др., 2003; Порошин А.А. и др., 2005, 2009; Алексанин С.С. и др., 2010; Бояринцев В.В. и др., 2010; Санников М.В., 2010).

Согласно современной концепции профессионального здоровья, не отсутствие болезни, не просто здоровье, а оценка и прогнозирование функционального состояния и психофизиологические резервы являются важнейшей составляющей профессиональной надёжности (Алексанин С.С., 2010). Прогноз заболеваемости является конечным и, вследствие этого, наиболее важным этапом исследования состояния здоровья организованных коллективов.

Сохранение и укрепление здоровья населения является важной социально-экономической проблемой, основными аспектами которой являются знание реального состояния здоровья нации и снижение уровня заболеваемости, инвалидности, смертности в России. К тому же в условиях демографического кризиса в стране, как никогда актуальными становятся достоверные, полные сведения о медико-социальных проблемах населения. В этих условиях активно вводятся в жизнь ряд федеральных программ, направленных на подъём научных, материальных, демографических ресурсов страны.

Федеральная целевая программа «Развитие государственной статистики России в 2007-2011 гг.» направлена на получение адекватной характеристики состояния здоровья населения, создание системы статистической информации, независимо от организационно-правовой формы и ведомственной принадлежности лечебно-профилактических учреждений. Одновременно намечено совершенствование информационной базы системы здравоохранения и медицинских услуг (Уйба В.В., 2009).

Идея нейронных сетей родилась в ходе исследований в области искусственного интеллекта в результате попыток учёных воспроизвести способность биологических нервных систем обучаться и исправлять ошибки, моделируя низкоуровневую структуру мозга (Розенблатт Ф., 1965; Боровиков В.П., 2008). В последнее время нейронные сети и нейрокомпьютеры активно изучают и используют в разных областях науки и техники (Уоссерман Ф., 1992; Горбань А.Н., 1996; Россиев Д.А., 2005). В медицине нейронные сети применяются, прежде всего, для решения задач диагностики (Россиев Д.А., 1996; Андрюнькина Е.В., 2006; Журова О.В., 2007), прогнозирования (Россиев Д.А., 1996; Гвасалия Б.Р., 2004; Немытин Ю.В., 2006; Тетюшкина Е.В., 2008; Белялов Ф.И., 2009) и анализа медицинской информации (Артюхов П.И., 2005; Россиев Д.А., 2005; Бесько В.А., 2009).

Применение современных нейросетевых методик позволяет разрабатывать высокоэффективные компьютерные системы прогнозирования заболеваемости как инфекционной (Парпара О.С., 2006; Поступайло В.Б., 2010), так и неинфекционной природы.

Цель исследования заключается в проведении анализа состояния здоровья и разработке методики прогнозирования заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России на основе искусственных нейронных сетей.

Объект исследования - состояние здоровья сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России.

Предмет исследования - система медицинского учёта и отчётности МЧС России.

Границы исследования очерчены сведениями, содержащимися в годовых отчётах о состоянии здоровья сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России за период с 2003 по 2008 г. (формы 3-ЗАБ и 4-ВУТ).

Задачи исследования:

1.Изучить отечественный и зарубежный опыт применения искусственных нейронных сетей в современной медицине.

2. Выполнить анализ интенсивных показателей состояния здоровья (заболеваемости, трудопотерь, смертности и инвалидности) сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России за период с 2003 по 2008 г.

3. Выявить классы и группы болезней, имеющие наибольшую социально-эпидемиологическую значимость для данного контингента.

4. Провести сравнительный анализ состояния здоровья сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России и военнослужащих Вооружённых сил Российской Федерации.

5. Разработать методику прогнозирования заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России на основе искусственных нейронных сетей и оценить ее эффективность.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационного исследования:

_ подведены научные итоги становления, внедрения, развития и состояния научных исследований и технологий, основанных на использовании искусственных нейронных сетей и применяемых в современной медицине;

_ определён уровень, оценены структура и динамика заболеваемости, трудопотерь, смертности и инвалидности сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России за период с 2003 по 2008 г., выявлены классы и группы болезней, имеющие наибольшую социально-эпидемиологическую значимость;

_ показана более высокая по сравнению с официально регламентированным линейным регрессионным анализом эффективность применения искусственных нейронных сетей для прогнозирования заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России;

_ теория статистики общественного здоровья дополнена методикой прогнозирования заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России на основе искусственных нейронных сетей.

Практическая значимость исследования:

_ впервые с 2002 г. выполнен ретроспективный анализ состояния здоровья сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России по данным годовых отчётов (формы 3-ЗАБ и 4-ВУТ);

_ предлагаемая методика прогнозирования заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России на основе искусственных нейронных сетей способна обеспечить качественное прогнозирование заболеваемости сотрудников;

_ результаты исследования могут быть применены для прогнозирования состояния здоровья сотрудников/личного состава федеральных органов исполнительной власти, в которых федеральными законами предусмотрена военная служба, а также организованных коллективов.

Положения, выносимые на защиту:

1. За период с 2003 по 2008 г. имеет место отчётливая, статистически значимая тенденция снижения общей и первичной заболеваемости, а также трудопотерь сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России (р < 0,001), в то же время, тенденция снижения инвалидности и смертности статистически незначима (р > 0,05).

2. Болезни органов дыхания, травмы, отравления и некоторые другие последствия воздействия внешних причин, болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани являются социально-эпидемиологически значимыми для сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России.

3. Эффективность методики прогнозирования заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России на основе искусственных нейронных сетей превосходит качество официально регламентированного линейного регрессионного анализа.

Апробация работы проведена на межкафедральном совещании коллективов кафедр организации медицинского обеспечения, военной эпидемиологии и военной гигиены, военно-полевой терапии ФГУ ВПО «Самарский военно-медицинский институт» МО РФ. Материалы исследования доложены на Всеармейской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития службы медицины катастроф министерства обороны Российской Федерации» (Москва, 3-5.6.2008 г.); на Всероссийской конференции с международным участием «Профилактическая медицина в России: истоки и современность», посвященной 140-летию образования первой гигиенической кафедры в России (Казань, 24_25.9.2009 г.); на Всеармейской юбилейной научно-практической конференции «Актуальные вопросы медицинского обеспечения войск в мирное и военное время» (Санкт-Петербург, 13.11.2009 г.); на 43-й итоговой научно-практической конференции научно-педагогического состава Самарского военно-медицинского института (Самара, 18.02.2010 г.).

Внедрение результатов исследования. Медицинский отдел Северо-Западного регионального центра МЧС России использует результаты, полученные в процессе исследования, при планировании лечебно-профилактических и санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий. Материалы исследования используются в процессе обучения курсантов и слушателей на кафедрах организации медицинского обеспечения, военной гигиены и военной эпидемиологии Самарского военно-медицинского института, а также при обучении аспирантов и клинических ординаторов в ФГУЗ «Всероссийский центр экстренной и радиационной медицины имени А.М. Никифорова» МЧС России.

Личный вклад автора заключается в подготовке программы диссертационного исследования, составлении и проведении анализа баз данных, сборе и обработке литературных источников, полученных материалов и данных, в выполнении исследований, предусмотренных целью и задачами работы. Диссертантом лично, при консультативном участии специалиста в области математического анализа и программирования, разработаны нейросетевые модели, проведена статистическая обработка полученных результатов, предложены математические модели ключевых показателей. Лично разработана методика анализа состояния здоровья сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России с использованием среды МS Excel.

Публикации по теме диссертации насчитывают 11 научных работ, в том числе 3 - в журналах, определённых перечнем Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки России.

Структура и объём диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, общего заключения и общих выводов, практических рекомендаций, списка использованной литературы и приложения. Текст диссертационного исследования изложен на 159 страницах, иллюстрирован 43 рисунками и 23 таблицами. Список использованной литературы насчитывает 132 источника, из них 103 отечественных и 29 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы, методы и организация исследования

Исследование проводилось в период с 2004 по 2009 г. Материал исследования составили данные отчетов формы 3-ЗАБ (о зарегистрированных заболеваниях и их исходах) и 4-ВУТ (о причинах временной нетрудоспособности) сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России (ФПС СЗРЦ МЧС России) за период с 2003 по 2008 г.

Количество отчётов за анализируемый период - 125.

Численность сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за отчётный год составила в среднем 6 200 человек, из них 85 % - мужчины, 15 % - женщины.

Методы исследования, применённые в работе: научного анализа, синтеза и обобщения информации, системного анализа проблемы и ее структурно-логического моделирования (концептуального и статистического); логико-математического моделирования; социальной прогностики и нейросетевого прогнозирования на основе задачи анализа временной последовательности: линейной сети, многослойного персептрона (MLP-сети) и сети с радиальной базисной функцией; линейного регрессионного анализа, ретроспективного эпидемиологиче-ского анализа с реализацией расчетных задач на ПЭВМ.

На подготовительном этапе выполнен анализ интенсивных показателей состояния здоровья сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за период с 2003 по 2008 г. путем расчета показателей частоты каждого вида заболеваемости на 1 000 человек личного состава суммарно по всем классам болезней и по основным, наиболее значимым для данной категории, классам и группам болезней, также определены экстенсивные показатели. Математико-статистическая обработка полученных результатов проводилась с помощью t - критерия Стьюдента и доверительных интервалов в программе МS Excel - 2007.

Математические эксперименты по созданию прогнозной модели заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России на основе искусственных нейронных сетей (ИНС) проведены в пакете программного обеспечения STATISTICA 6.0 в три этапа.

В ходе первого - сформировали обучающую выборку, которую составили сведения о заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за 2003-2007 гг. по месяцам. Данные о заболеваемости за 2008 г. на сеть не подавали и были зарезервированы для проверки эффективности созданной модели прогнозирования и качества прогноза.

На втором - осуществлено «обучение» ИНС по подаваемому на сеть набору обучающих данных: с помощью мастера решений и конструктора сетей, методами обратного распространения, сопряжённых градиентов, Левенберга-Маркара для MLP-сети, к-средних и изотопных для сети с радиальной базисной функцией. На вход ИНС подавали 60 наблюдений, из них при постоянном перемешивании выделяли по 15 % наблюдений на контрольные и тестовые множества.

В ходе эксперимента установлено, что наилучший результат прогноза показывает MLP-сети. Особую трудность в каждом эксперименте составляло определение величины окна прогноза, функции активации на выходном слое, архитектуры сети.

Выходные данные подвергли масштабированию путем уменьшения диапазонов параметров минимального среднего (Min/Mean) и максимального стандартного отклонения (Max/SD) при помощи редактора моделей.

Выбор оптимальной модели осуществлён на основе показателя отношения стандартных отклонений (S.D. ratio), который представляет собой отношение стандартного отклонения ошибки прогноза к стандартному отношению исходных данных. Модель оценивали как удачную, если S.D. ratio приближалось к нулю. Величина, равная единице минус отношение стандартных отклонений, равна доле объяснённой дисперсии модели. Критерием успешного обучения являлось последовательное уменьшение ошибки на обучающем множестве. Критерием остановки процесса обучения служил рост ошибки на контрольном множестве при продолжающемся уменьшении её или остановки на обучающем множестве. Это свидетельствовало о «переобучении» сети, т.е. о том, что сеть слишком близко аппроксимировала выборку, в результате чего снижалось качество прогноза при подаче на сеть новых данных.

На третьем - осуществлено тестирование, независимая оценка качества прогноза созданной нейросетевой модели, что достигнуто путем сравнения прогноза с набором известных данных, которые ранее на сеть не подавали. Данный этап исследования выполнен в программе МS Excel - 2007. Верификация прогноза проводилась методами анализа качества прогноза с использованием абсолютных и сравнительных показателей точности прогноза (абсолютная и относительная ошибки, их средние значения , , среднеквадратическая ошибка у_t и коэффициенты несоответствия: на уровне среднего КН₁ и «наивной» экстраполяции неизменности КН).

Оценка эффективности применения разработанных моделей проведена методом сравнения качества прогнозов, построенных с помощью ИНС и официально регламентированного линейного регрессионного анализа.

Результаты исследования и их обсуждение

Средний уровень общей заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за период с 2003 по 2008 г. составил 745,76 ‰, первичной заболеваемости - 459,13 ‰, заболеваемости с временной утратой трудоспособности (случай трудопотери) - 572,98 ‰, дней трудопотерь - 8430,76 ‰, инвалидности - 0,96 ‰, смертности - 0,74 ‰. Основные медико-статистические показатели состояния здоровья сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за период с 2003 по 2008 г. представлены в табл. 1.

Таблица 1

Медико-статистические показатели состояния здоровья сотрудников

ФПС СЗРЦ МЧС России за период с 2003 по 2008 г., ‰

Год	Заболеваемость	Случаи трудопотерь	Дни трудопотерь	Инвалидность	Смерт ность
	общая	первичная
2003	1045,02	624,34	756,98	11159,39	1,61	1,01
2004	760,28***	474,78***	591,45***	9308,63***	0,69	1,21
2005	734,86*	493,73	580,95	8342,68***	0,72	0,36
2006	669,66***	408,57***	565,72	8378,86	1,67	1,28**
2007	714,50***	408,82	564,48	8521,99*	0,63	0,25*
2008	550,26***	344,54***	378,27***	4872,98***	0,45	0,34
Средние данные	745,76	459,13	572,98	8430,76	0,96	0,74

Примечание: По сравнению с предыдущим годом: * р<0,05; ** р<0,01; *** р<0,001.

В структуре общей заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за исследуемый период по классам болезней 1-е место заняли болезни органов дыхания - 41 % (уровень общей заболеваемости - 291,4 ‰); 2-е - болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани - 11 % (80 ‰); 3-е - травмы, отравления и некоторые другие последствия воздействия внешних причин - 10% (77,5 ‰).

Классы болезней органов пищеварения, системы кровообращения, мочеполовой системы и болезней глаза и его придаточного аппарата занимают места с 4-го по 7-е соответственно и составляют от 7 до 5 % в структуре общей заболеваемости. Перечисленные 7 классов болезней составили 84 % от общей заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России за 2003-2008 гг. противопожарный здравоохранение нейрокомпьютер

В структуре первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за исследуемый период по классам болезней (рис. 1) 1-е место заняли болезни органов дыхания - 57 % (уровень первичной заболеваемости - 251,4 ‰); 2-е - травмы, отравления и некоторые другие последствия воздействия внешних причин - 16 % (78,1 ‰); 3-е - болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани - 6 % (27,6 ‰).

Классы болезней мочеполовой системы, системы кровообращения, органов пищеварения расположились с 4 по 6 место соответственно, их доля в структуре первичной заболеваемости составила по 3 %. Перечисленные 6 классов болезней составили 87,3 % всей первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за 2003-2008 гг.

Рис. 1. Структура первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за 2003-2008 гг. по классам болезней

В структуре дней трудопотерь сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России 1-е место заняли болезни органов дыхания - 36 % (уровень трудопотерь - 3035,3 ‰); 2-е - травмы, отравления и некоторые другие последствия воздействия внешних причин - 23 % (1974,5 ‰); 3-е - болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани - 10 % (857,98 ‰).

Места с 4-го по 6-е заняли беременность, роды и послеродовый период, болезни системы кровообращения, пищеварительной системы, их доля в структуре трудопотерь составила от 6 до 4,6 %.

Указанные 6 классов болезней дали 86 % от всех дней трудопотерь сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за исследуемый период.

Наиболее частыми причинами, приводящими к инвалидности сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за период наблюдения, служили болезни системы кровообращения - 47,2 % (уровень инвалидности - 0,45 ‰); на 2-м месте - болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани - 11,1 % (0,10 ‰); места с 3-го по 5-е заняли туберкулез, болезни эндокринной системы и новообразования - все по 8,3 % (0,08 ‰).

Указанные классы болезней составили 88,9 % от всех случаев и определили уровень инвалидности сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за 2003-2008 гг.

В структуре смертности сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России за исследуемый период на долю гибели пожарных от травм приходилось 50 % (уровень смертности - 0,36 ‰); на 2-м месте - новообразования - 21,4 % (0,21 ‰); на 3-м - ишемическая болезнь сердца - 20 % (0,16 ‰). Места с 4-го по 6-е заняли болезни эндокринной системы, крови, острая пневмония - по 3,6 % в структуре смертности пожарных.

Сравнительный анализ среднегодовой первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России с военнослужащими ВС РФ, проходящими военную службу по призыву и военнослужащими ВС РФ, проходящими военную службу по контракту (офицеры, прапорщики и солдаты, сержанты - далее военнослужащие по контракту) показал, что сравнение возможно со второй категорией военнослужащих, что подтверждается схожим уровнем заболеваемости (рис. 2), который у сотрудников ФПС МЧС России выше на 10,6 %.

Заболеваемость органов дыхания в сравниваемых контингентах хоть и стоит на 1-м месте по частоте общей заболеваемости (рис. 3), но у сотрудников ФПС МЧС России доля её выше на 14,3 % (р < 0,01), в промилле разница составляет 30 % (251,4 ‰) (р < 0,001).

Выявлены превышение доли травматизма в структуре первичной заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России в 3 раза.

Рис. 2. Среднегодовая первичная заболеваемость сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России и военнослужащих ВС РФ, ‰

Рис. 3. Среднегодовые показатели структуры первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России и военнослужащих ВС РФ по контракту

При сопоставлении уровня инвалидности (0,96 ‰) сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России и увольняемости по болезни военнослужащих по контракту (7,43 ‰) отмечены более высокие показатели увольняемости на 87 %, в т.ч. вследствие болезней системы кровообращения на 80 % (2,2 ‰) у военнослужащих по контракту, однако в структуре инвалидности болезни системы кровообращения занимают большую долю (на 17,6 %) у сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России. Различия в независимых выборках статистически достоверны (р < 0,001).

Различия уровня и структуры смертности сравниваемых контингентов статистически незначимы (р > 0,05).

Ранжирование показателей состояния здоровья по рейтингу классов болезней показало, что наиболее значимыми для сотрудников ФПС МЧС России являются болезни органов дыхания, травмы, отравления и некоторые другие последствия воздействия внешних причин, болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани, системы кровообращения. В связи с этим для разработки прогнозной нейросетевой модели нами были приняты показатели вышеуказанных классов заболеваний.

Прогнозирование первичной заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России. Структура наилучшей модели ИНС, обученной для прогноза первичной заболеваемости, имеет вид 12 : 6 : 1 (количество входных нейронов: количество нейронов в скрытом слое: количество выходных нейронов), архитектура представлена на рис. 4.

Рис. 4. Архитектура нейронной сети № 87, обученной для прогноза первичной заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России

Согласно S.D. ratio, равного 0,25, модель объяснила ³/₄ исходного ряда. Обучение MLP-сети проводилось методами обратного распространения и сопряжённых градиентов. Окно прогноза - 12.

Функция активации на выходном слое - линейная. Масштабирование выходной переменной: Min/Mean увеличили до 0,2, Max/SD - уменьшили до 0,75. В проекции временного ряда осуществлён пошаговый прогноз на 12 месяцев. Результаты обученной модели № 87 представлены в табл. 2.

Таблица 2

Подробные результаты модели № 87

Архитектура	Производительность обучения	Контрольная производительность	Тестовая производительность	Ошибка обучения	Контрольная ошибка	Тестовая ошибка	Обучение/ элементы
МП s12 1:12-6-1:1	0,2179	0,2735	0,3185	0,0334	0,0507	0,0375	ОР100,СГ21b, ОР100, СГ135b

Примечание: Стремление производительности и ошибок к нулю свидетельствуют о качестве прогнозной модели

Первичная заболеваемость сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России в 2008 г., фактическая и прогнозная, полученная с использованием нейросетевой модели № 87, представлена на рис. 5.

Описание прогноза математически подтверждает распределение фактических значений по времени, расхождения незначительны.

Прогноз заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России на 2008 г. совпадает с фактическими значениями, за исключением февраля, апреля и июня месяцев, где прогноз предусматривал более высокий уровень заболеваемости.



Рис. 5. Сравнительная динамика первичной заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России и нейросетевого прогноза на 2008 г.

Прогнозирование первичной заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России болезнями органов дыхания. Уже на первом этапе обучения хороший результат показала модель № 22: низкие ошибки на обучающем (0,02), контрольном (0,06) и тестовом (0,14) множествах, S.D. ratio равно 0,24.

Структура наилучшей модели: 12 : 3 : 1. Качество нейросетевой модели для прогноза заболеваемости болезнями органов дыхания даже выше, чем модели для прогноза первичной заболеваемости.

Обучение MLP-сети проводилось методами обратного распространения и сопряжённых градиентов.

Окно прогноза - 12. Функция активации на выходном слое - линейная. Скорость и момент обучения оставили по умолчанию. В проекции временного ряда осуществлён пошаговый прогноз на 12 месяцев.

Прогнозные значения заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России болезнями органов дыхания в 2008 г., полученные с использованием нейросетевой модели № 22, практически полностью совпадают с фактическими (рис. 6).

Это объясняет наличие постоянной сезонной составляющей в данном временном ряду. В наиболее напряженные по эпидемической обстановке месяцы (февраль, декабрь) прогноз предусматривает более высокие значения заболеваемости органов дыхания (до 45 ‰).

Рис. 6. Сравнительная динамика первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России болезнями органов дыхания и нейросетевого прогноза на 2008 г.

Нейросетевая модель № 22 показала хорошее качество прогноза, а полученные данные свидетельствуют, что первичная заболеваемость сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России болезнями органов дыхания в своей тенденции имеет сложную, нелинейную зависимость.

Прогнозирование травматизма сотрудников ФПС МЧС России. Структура наилучшей модели: 12 : 6 : 1. Обучение MLP-сети проводилось методами обратного распространения и сопряжённых градиентов. Окно прогноза - 12. Функция активации на выходном слое - логистическая. Масштабирование выходной переменной: Min/Mean на выходном слое оставили минимальным, а Max/SD уменьшили до 0,75. О хорошем качестве сети говорит S.D. ratio, равное 0,24.

В проекции временного ряда осуществлён пошаговый прогноз на 12 месяцев. При прогнозировании травматизма на известные сети данные (на 2007 г.) модель показала близкую схожесть с фактическими значениями, хоть и имеются расхождения практически во всех временных тактах с максимальной разницей в 1,5 ‰, однако в целом существующая тенденция описывается. Ошибка обучения равна 0,03, тестовая ошибка - 0,08.

Значения уровня травматизма сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России в 2008 г. фактические и прогнозные, полученные с использованием нейросетевой модели № 200, представлены на рис. 7.

Рис. 7. Сравнительная динамика травматизма сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России и нейросетевого прогноза на 2008 г.

Прогнозные значения уровня травматизма приближаются к средним периодичным наблюдениям и представлены в виде прямой линии. Это объясняется тем, что нейронная сеть не смогла учесть влияния различных внешних факторов (изменение природно-техногенных, социально-бытовых условий) на возникновение случаев травматизма.

Нейросетевые модели, «обученные» прогнозировать первичную заболеваемость сотрудников ФПС МЧС России болезнями костно-мышечной системы и соединительной ткани и системы кровообращения имеют хорошее качество согласно S.D. ratio равного соответственно 0,25 и 0,11, тестовой ошибки - 0,09 и 0,03.

Структура моделей: 24 : 3 : 1. Скорость обучения: начальная - 0,01, конечная - 0,001. Момент: начало - 0,3, конец - 0,2. Окно прогноза - 24.

Обучение MLP-сети в первом случае проводилось методом обратного распространения, во втором - обратного распространения и сопряжённых градиентов.

Масштабирование выходной переменной нейросетевой модели № 105, обученной для прогноза заболеваемости болезнями костно-мышечной системы: Min/Mean - 0,2, Max/SD - 0,85. В проекции временного ряда осуществлён пошаговый прогноз на 12 месяцев 2008 г.

Сравнение фактических значений первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России болезнями костно-мышечной системы и соединительной ткани, а так же системы кровообращения в 2008 г. с прогнозными, полученными с использованием нейросетевой модели № 105 и № 80 представлены на рис. 8.

Прогноз заболеваемости болезнями костно-мышечной системы превысил реальные в напряженные для данного класса месяцы (январь - март, ноябрь, декабрь) до 2 ‰.

Рис. 8. Сравнительная динамика заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России болезнями костно-мышечной системы, системы кровообращения и нейросетевого прогноза на 2008 г., ‰

Прогноз заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России болезнями системы кровообращения на 2008 г. свидетельствует о высокой степени аппроксимации с фактическими данными.

Верификация прогноза, полученного с использованием нейросетевых моделей. Линейный регрессионный анализ как основа прогноза первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России на 2008 г. имеет удовлетворительную точность согласно средней относительной ошибки, однако КН₁ > 1, прогноз на уровне среднего дал бы лучший результат. Показатели качества прогнозов, полученных с помощью искусственных нейронных сетей и линейного регрессионного анализа представлены в табл. 3.

При сравнении качества прогноза первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России на 2008 г., полученного с использованием нейронных сетей, и данных, полученных с применением линейного регрессионного анализа получена картина явного превосходства первого - средняя относительная ошибка 16,3 %, КН₁ < 1.

Прогноз первичной заболеваемости исследуемого контингента болезнями органов дыхания на 2008 г., выполненный с использованием нейросетевой модели, показал хорошее качество: < 20 %, КН₁ < 1. В то же время линейный регрессионный анализ этого же показателя первичной заболеваемости по средней относительной ошибке - неудовлетворительный, КН₁ > 1.

Нейросетевая модель для прогнозирования травматизма, хорошо обученная на известных ей данных (S.D. ratio 0,23), «провалилась» при прогнозировании травматизма на 2008 г.

Линейный регрессионный анализ травматизма даёт лучший результат согласно средней относительной ошибки, его показатель превосходит не только линейный тренд других классов болезней, но и прогноз травматизма, полученный нейросетевой моделью - больше средняя относительная ошибка и значения коэффициентов несоответствия (е_пр = 32,52 %, КН₁ = 2,049).

Однако, КН₁ > 1 и, следовательно, линейный тренд для среднесрочного прогнозирования травматизма также не может быть рекомендован.

Таблица 3

Показатели качества прогнозов, полученных с помощью нейросетевых моделей и линейного регрессионного анализа

Заболеваемость	Метод прогноза	Период прогноза	КН1	, (‰)	, (‰)	, (%)
Первичная заболеваемость	НСМ	12	0,59	4,23	4,91	16,26
	ЛРА		1,07	7,47	8,98	27,91
Болезни органов дыхания	НСМ	12	0,42	3,35	4,31	19,28
	ЛРА		1,07	9,36	10,98	68,92
Травматизм	НСМ	12	2,05	1,00	1,10	32,52
	ЛРА		1,49	0,67	0,80	25,70
Болезни костно-мышечной системы	НСМ	12	0,75	1,00	1,15	40,58
	ЛРА		1,12	1,50	1,70	65,90
Болезни системы кровообращения	НСМ	12	0,80	0,25	0,30	30,31
	ЛРА		1,53	0,46	0,57	80,89

Условные обозначения: НСМ - нейросетевая модель, ЛРА - линейный регрессионный анализ. Примечание: КН₁ < 1 и 10 < < 20 - хорошее качество прогноза; 20 < < 50 - удовлетворительное, > 50 - неудовлетворительное.

Результаты проверки качества нейросетевого прогноза уровня первичной заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России болезнями костно-мышечной системы, а также системы кровообращения на 2008 г., показали, что точность прогноза - удовлетворительная: < 50 %, КН₁ < 1.

Результаты линейного регрессионного анализа первичной заболеваемости костно-мышечной и сердечно-сосудистой систем исследуемого контингента на 2008 г. неудовлетворительные, средние относительные ошибки больше 50 %, КН₁ > 1.

Таким образом, при сравнении качества прогноза первичной заболеваемости сотрудников ФПС СЗРЦ МЧС России на 2008 г., полученных с использованием ИНС и линейного регрессионного анализа получена картина явного превосходства первого метода.

Методика прогнозирования заболеваемости на основе искусственных нейронных сетей в задаче анализа временной последовательности позволяет прогнозировать заболеваемость по вышеперечисленным классам болезней на год вперед.

ВЫВОДЫ

1. В современной научной литературе на фоне многочисленных публикаций, свидетельствующих об эффективном применении в медицине искусственных нейронных сетей для решения задач диагностики, лечения и прогнозирования исходов заболеваний и их осложнений, отсутствуют сведения о прогнозировании заболеваемости неинфекционной природы на основе искусственных нейронных сетей в задаче анализа временной последовательности. Организационные проблемы прогностики, требующие решения с использованием инновационных технологий, исследованы недостаточно.

2. За период наблюдения с 2003 по 2008 г. наметилась отчётливая, статистически значимая (р < 0,001), тенденция снижения общей и первичной заболеваемости, трудопотерь сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России, в основном, за счёт уменьшения количества случаев заболеваемости пожарных болезнями органов дыхания на 43 % и травматизма на 24 %.

3. Наибольшую социально-эпидемиологическую значимость для сотрудников Федеральной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России за период с 2003 по 2008 г. имеют болезни органов дыхания, травмы, отравления и некоторые другие последствия воздействия внешних причин, болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани, которые лидируют в структуре общей и первичной заболеваемости, а также по количеству дней трудопотерь.

4. Проведённый анализ структуры инвалидности и смертности сотрудников ФПС МЧС России показал, что необходима целенаправленная совместная работа командования и медицинской службы по проведению первичной и вторичной профилактики болезней системы кровообращения, костно-мышечной системы и соединительной ткани, по предупреждению гибели пожарных от травм, своевременной диагностике и лечению новообразований.

5.Военнослужащие Вооружённых сил Российской Федерации, проходящие военную службу по контракту, могут выступать в качестве группы сравнения при проведении сравнительного анализа состояния здоровья сотрудников ФПС МЧС России.

6.Методика прогнозирования заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России на основе искусственных нейронных сетей позволяет получить более качественный прогноз по сравнению с официально регламентированным линейным регрессионным анализом.

7.Наиболее показательно нейросетевые модели проявили себя применительно к прогнозированию первичной заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России и к первичной заболеваемости пожарных болезнями органов дыхания.

8.Создание методики прогнозирования заболеваемости сотрудников системы МЧС России на основе искусственных нейронных сетей возможно с использованием трехслойного персептрона, обученного методами обратного распространения и сопряженных градиентов, при этом каждый класс болезней потребует создания индивидуальной модели.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Результаты диссертационного исследования предназначены для врачей-организаторов здравоохранения, системы МЧС России и медицинских статистиков.

1. В целях совершенствования управления системой мониторинга состояния здоровья сотрудников ФПС МЧС России и системы медицинского учёта и отчётности МЧС России целесообразно: 1) создать территориальную систему медицинского обеспечения сотрудников системы МЧС России; 2) определить и законодательно закрепить в субъектах Российской Федерации пожарные отряды для проведения выборочного мониторирования состояния здоровья сотрудников; 3) подготовить проект совместного приказа МЧС России, МВД России и Минздравсоцразвития России об улучшении информационно-статистической работы в лечебно-профилактических учреждениях, на которые законодательно возложены задачи по оказанию медицинской помощи и лечению сотрудников ФПС МЧС России.

2. Направить первоочередные усилия медицинской службы МЧС России на предупреждение и повышение качества лечения и медицинской реабилитации наиболее социально-эпидемиологически значимых для сотрудников ФПС МЧС России классов болезней: органов дыхания; костно-мышечной системы и соединительной ткани; системы кровообращения; травм и отравлений и некоторых других последствий воздействия внешних причин; а также новообразований.

3. Рекомендовать методику прогнозирования заболеваемости сотрудников ФПС МЧС России на основе искусственных нейронных сетей для мониторинга состояния здоровья личного состава федеральных органов исполнительной власти, в которых федеральными законами предусмотрена военная служба, а также организованных коллективов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в периодических научных изданиях, определённых ВАК Минобрнауки России

1.Головинова В.Ю. Прогнозирование заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы с использованием нейронных сетей / В.Ю. Головинова, П.К. Котенко, С.Г. Киреев // Мед.-биол. и соц.-психол. пробл. безопасности в чрезв. ситуациях. - 2010. - № 4, вып. 1 (6) - С. 28-34.

2. Головинова В.Ю. Прогнозирование заболеваемости в коллективе с использованием нейросетевой модели / В.Ю. Головинова, П.К. Котенко, Ю.Л. Минаев (и др.) // Изв. Самарск. науч. центра РАН. - Самара, 2010. - Т. 12. - № 1 (6). - С. 1595-1596.

3. Головинова В.Ю. Практическая медицинская деятельность и искусственный интеллект / Ю.Л. Минаев, В.Ю. Головинова, П.Ф. Панин (и др.) // Изв. Самарск. науч. центра РАН. - Самара, 2010. - Т. 12. - № 1 (6). - С. 1615-1616.

Монографии и учебно-методические издания

4. Головинова В.Ю. Нейросетевое прогнозирование заболеваемости сотрудников Федеральной противопожарной службы МЧС России / В.Ю. Головинова ; под ред. П.К. Котенко - Самара : СВМИ, 2010. - с. 64.

Материалы научных конференций

5.Головинова В.Ю. Показатели общей и первичной заболеваемости, трудопотерь, инвалидности и смертности сотрудников Государственной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России за период с 2003 по 2006 г. / П.К. Котенко, С.Г. Киреев, В.В. Парамошко, В.Ю. Головинова // Материалы Всеарм. науч.-практ. конф. «Состояние и перспективы развития службы медицины катастроф министерства обороны Российской Федерации». - М., 2008. - С. 81-82.

6. Головинова В.Ю. Ретроспективный анализ общей и первичной заболеваемости, трудопотерь, инвалидности и смертности сотрудников Государственной противопожарной службы Северо-Западного регионального центра МЧС России за период с 2003 по 2006 г. (по субъектам Российской Федерации / П.К. Котенко, С.Г. Киреев, В.В. Парамошко, В.Ю. Головинова // Материалы Всеарм. науч.-практ. конф. «Состояние и перспективы развития службы медицины катастроф министерства обороны Российской Федерации». - М.: Б.и., 2008. - С. 82-83.

7. Головинова В.Ю. Применение нейронных сетей в прогнозировании заболеваемости сотрудников Северо-Западного регионального центра МЧС России / П.К. Котенко, Ю.Л. Минаев, С.Г. Киреев, В.В. Парамошко, В.Ю. Головинова // Материалы Всерос. конф. с международным участием, посвя-щённой 140-летию образования первой гигиенической кафедры в России «Профилактическая медицина в России: истоки и современность». - Казань, 2009. - Т. 2. - С. 7.

8. Головинова В.Ю. Применение нейронных сетей в медицине / Ю.Л. Минаев, В.Ю. Головинова // Материалы Всерос. конф. с международным участием, посвящённой 140-летию образования первой гигиенической кафедры в России «Профилактическая медицина в России: истоки и современность». - Казань, 2009. - Т. 2. - С. 39.

9. Головинова В.Ю. Показатели общей и первичной заболеваемости, трудопотерь, инвалидности и смертности сотрудников Государственной противопожарной службы Северо-западного регионального центра МЧС России за период с 2003 по 2007 г. / П.К. Котенко, С.Г. Киреев, В.В. Парамошко, В.Ю. Головинова // Материалы Всеарм. юбил. науч.-практ. конф. «Актуальные вопросы медицинского обеспечения войск в мирное и военной время». - СПб : ВМедА, 2009. - С. 123-125.

10. Головинова В.Ю. Нейросетевая модель прогнозирования заболеваемости в коллективе / П.К. Котенко, Ю.Л. Минаев, В.Ю. Головинова // Сб. тез. и статей 43-й итоговой науч.-практ. конф. науч.-педагог. состава Самарск. воен.-мед. ин-та «Актуальные вопросы военной медицины». - Самара : СВМИ, 2010. - С. 21-22.

11. Головинова В.Ю. Применение искусственного интеллекта в медицинской деятельности / Ю.Л. Минаев, В.Ю. Головинова // Сб. тез. и ст. 43-й итоговой науч.-практ. конф. науч.-педагог. состава Самарск. воен.-мед. ин-та «Актуальные вопросы военной медицины». - Самара : СВМИ, 2010. - С. 18-21.

Размещено на Allbest.ru