Принципы структурной организации информации при построении медицинских интеллектуальных систем

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Принципы структурной организации информации при построении медицинских интеллектуальных систем

И.П. Лукашевич

Р.И. Мачинская

М.Н. Фишман

Предложен метод структурирования информации в неформализованных областях знаний. Представление информации в функционально однородных блоках облегчает передачу внутри- и междисциплинарных знаний, а также сокращает объем знаний необходимых для принятия решения и перебор возможных признаков. Использование структурной схемы в электроэнцефалографии позволило создать автоматизированную систему диагностики функционального состояния мозга и разработать программу для обучения специалистов в области анализа ЭЭГ.

Введение

Выявление знаний является наиболее важным и трудоемким процессом при построении интеллектуальных систем и делится на извлечение информации, в том числе невербализованной, и её структурную организацию.

Мы подошли к решению общих вопросов на примере решения практически важных задач в областях знаний, связанных с изучением высшей нервной деятельности человека: неврологии, электрофизиологии, нейропсихологии, психологии.

Эти задачи, помимо их значения для фундаментальных исследований мозга человека и практического значения для медицины, оказались удобными для отработки одного из ключевых вопросов информатики связанного с сокращением перебора - структурной организацией знаний и информации [Лукашевич, 1995, 1999a, 2002]. При этом решался целый ряд

задач, которые традиционно относят к проблемам искусственного интеллекта: выявление и организация профессиональных знаний, создание баз знаний и систем для поддержки принятия решений, дистанционная диагностика, передача знаний и повышение эффективности при подготовке специалистов, междисциплинарный обмен информацией.

1. Метод структурной организации информации

Структурная организация состоит в выделении минимального числа блоков (структурных единиц), знание которых достаточно для принятия решения. В зависимости от сложности области знаний число уровней структурирования может быть разным. Но основной принцип всегда один: выявление систем, изучаемых в данной предметной области, определение функций, которые эти системы выполняют и симптомов, характеризующих нарушение этих функций.

Таким образом, речь идет о содержательной организации результатов исследования. Как показал наш опыт работы в области неврологии, электроэнцефалографии, нейропсихологии, психологии, а также при анализе биохимических лабораторных данных, предложенная содержательная организация материала повышает его информативность, значительно сокращая объем необходимой информации, что приводит к лучшему пониманию и запоминанию материала и, как следствие, к более эффективному решению стоящих перед специалистом задач. Кроме того, унифицированное представление информации позволяет проводить комплексный анализ, что не только повышает результативность исследований, но и способствует формированию нового взгляда на проблему и новых научных гипотез.

Метод структурной организации не имеет аналогов, является универсальным для медицины, использует естественный для специалистов язык представления информации и позволяет в работе с экспертами вербализовать интуитивные профессиональные знания [Лукашевич, 1995, 1999а, 2002].

Предлагаемый нами структурный анализа электроэнцефалограмм (ЭЭГ) строится на распределении признаков, выделяемых при визуальной оценке ЭЭГ, по блокам, характеризующим: состояние ритмогенных систем коры головного мозга; общемозговые нарушения электрической активности (ЭА); локальные отклонения ЭА, включая локальные индуцированные изменения; состояние подкорковых регуляторных структур разных уровней. Внутри каждого блока информация представляется в двух видах: в виде переменных - ЭЭГ-феноменов, их локализации и реакции на внешние воздействия, и функций, являющихся выводами из анализа переменных и требующих дополнительных знаний и аргументации.

Разработанная схема представления данных ЭЭГ- обследования может быть использована для решения любых задач, связанных с визуальным анализом ЭА мозга, поскольку ее построение не зависело от конкретных постановок. К достоинствам схемы следует отнести: полноту на современном уровне знаний с возможностью добавления новой информации без изменения структуры; компактность; использование традиционного языка описания и автоматическое формирование заключения, представляющего собой совокупность функций по всем блокам. Структурированная таким способом ЭЭГ-информация, включающая определения и аргументацию для оценки функций, представляет собой базу знаний в области электроэнцефалографии и может быть использована для профессионального обучения.

2. Система «ЭЭГ-ЭКСПЕРТ»

Структурный подход был использован нами для создания компьютерной автоматизированной системы “ЭЭГ-ЭКСПЕРТ”, которая успешно применяется на практике при ЭЭГ-исследованиях в ряде медицинских учреждений и в научно-исследовательских институтах Москвы и других городов РФ и СНГ [Лукашевич, 1999b].

Система “ЭЭГ-ЭКСПЕРТ” предназначена для описания, хранения данных визуального анализа ЭЭГ и формирования заключения о функциональном состоянии мозга и его отдельных структур.

Система включает в себя три параллельно функционирующие программы. Программа "Диалог" представляет собой организованную в виде опросника схему описания данных визуального анализа ЭЭГ. Пользователю необходимо выбрать из перечня энцефалографических признаков, предъявляемых на экране монитора, те, которые соответствуют анализируемой кривой. Однородные по функциональному значению ЭЭГ-признаки объединены в блоки. Внутри блоков информация содержится в виде переменных, представляющих из себя описание ЭЭГ- феноменов, их топографии и реакции на функциональные пробы, а также функций - выводов, отражающих характер и выраженность изменений, описываемых в данном блоке. Вся записанная информация заносится в каталог, где хранится и при необходимости может быть выведена на экран. Следующая программа "Справка" позволяет, находясь в любой позиции опросника, ознакомиться с описанием данного ЭЭГ-признака и получить рекомендации для определения локализации, характера и выраженности отмеченных изменений. Информация приведенная в “Справке” является результатом анализа как собственных данных, так и материалов других исследователей, и является полной на современном уровне знаний. В «Справке» приведен полный атлас ЭЭГ-феноменов.

Третья программа "Вывод" автоматически формирует, выводит на экран, а затем на печатающее устройство описание ЭЭГ и заключение о функциональном состоянии мозга в соответствии с отмеченными в опроснике признаками. Заключение содержит информацию об отклонениях в электрической активности структур мозга, их характере и выраженности, соответствии уровня развития электрической активности возрасту (для детей и подростков), а также о снижении порога судорожной готовности при наличии соответствующего паттерна ЭЭГ. Алгоритм для формирования заключений был составлен с учетом опыта высоко квалифицированных специалистов.

Приведем пример заключения:

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

ИНСТИТУТ КОРРЕКЦИОННОЙ ПЕДАГОГИКИ

КОНСУЛЬТАТИВНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР

Ф.И.О.: Иванов Миша

Возраст: 8 лет 2 мес.

Регистр.номер: 1230

Дата обследования: 10.02.98

Диагноз: задержка психического развития.

ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММА:

ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛЬФА-РИТМА:

Альфа-ритм дезорганизованный, частота 8, 9 кол/с, амплитуда 70-100 мкв, регионарное распределение правильное. При РФС наблюдается следование в диапазоне частот 4-6 Гц в затылочных отведениях. При первом предъявлении сенсорного сигнала ориентировочная реакция отсутствует. В течение первых 30 сек нет выраженной реакции основного ритма на ГВ.

ДИФФУЗНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭА:

На этом фоне наблюдаются двухфазные пики без четкой локализации.

ЛОКАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭА:

В теменной, затылочной областях левого полушария регистрируются двухфазные и трехфазные острые волны альфа-диапазона, группы тета-колебаний, на которые не влияет РФС. ГВ усиливает локальные изменения. Восстановление исходной фоновой активности происходит через 20 сек.

БИЛАТЕРАЛЬНО-СИНХРОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭА ГЛУБИННОГО ГЕНЕЗА:

В лобных и центральных отделах отмечаются билатерально-синхронные группы острых волн тета-диапазона, пароксизмальные комплексы. РФС не влияет на изменения ЭА. ГВ усиливает изменения ЭА до пароксизмального разряда. Влияние ГВ сохраняется более 30 сек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Уровень развития ЭА коры не соответствует возрастной норме.

Данные ЭЭГ указывают: на умеренные изменения ЭА по общемозговому типу; на негрубые патологические изменения ЭА в корковых отделах теменно-затылочной области левого полушария; на выраженные пароксизмальные изменения ЭА верхнестволового генеза; снижение порога судорожной готовности.

Таким образом, система "ЭЭГ-ЭКСПЕРТ" является базой знаний в области электроэнцефалографии. Она может быть использована: для оценки функционального состояния мозга и его отдельных структур у детей и взрослых в условиях неврологического стационара, поликлиники, диагностического центра; в исследовательских целях; а также для обучения и повышения квалификации специалистов в области клинической электроэнцефалографии. Особенности представления ЭЭГ-информации в виде структурных блоков, связанных с определенными системами мозга, обеспечивают ее эффективное сопоставление с данными неврологического обследования и нейропсихологического тестирования при дифференциальной диагностике.

При выполнении большого объема текущей работы использование "ЭЭГ-ЭКСПЕРТ" позволило специалистам не только сократить время, необходимое для описания и заключения, но также исключить субъективизм и сделать это описание максимально полным и понятным специалистам смежных специальностей.

При создании системы была использована оболочка "PS0", разработанная в "Группе партнерских систем" ИППИ РАН, руководитель - к. т. н. В.С. Переверзев-Орлов [Ващенко, 1994].

3. Обучающе-диагностическая система по электроэнцефалографии

Проблема повышения эффективности обучения специалистов всегда была актуальной. Однако, из-за интенсивного развития науки, появления новых областей знаний и увеличения общего объема знаний, а также в связи с потребностью освоения узкими специалистами смежных областей знаний, эта проблема приобретает исключительное значение особенно в медицине, поскольку повышение эффективности обучения врачей и повышение их квалификации остается важнейшей социально-практической задачей [Лукашевич, 2005a, 2005b].

Мы воспользовались структурным подходом для представления профессиональных знаний при создании обучающе-диагностической системы по электроэнцефалографии, позволяющим уменьшить объем передаваемых знаний, повысив при этом их информативность.

Настоящая «Обучающе-диагностическая система: ЭЭГ» (Система) создана в помощь специалисту для освоения теоретических основ природы и феноменологии ЭЭГ, методов регистрации ЭЭГ, а также методики диагностики функционального состояния мозга в целом и его отдельных систем, включая глубинные регуляторные структуры.

Система содержит полный атлас электроэнцефалографических феноменов, выделяемых и анализируемых при диагностике функционального состояния мозга с помощью визуальной оценки ЭЭГ на основе структурного анализа.

Большое внимание уделяется параметрам ЭЭГ, характеризующим морфо-функциональное развитие коры и глубинных регуляторных структур, и критериям их соответствия возрасту пациентов. У детей данные характеристики важны для понимания особенностей поведения и внимания, эмоционально-волевой сферы, познавательной деятельности.

“Обучающе-диагностическая система ЭЭГ” может также использоваться как справочное электронное руководство для быстрого и эффективного поиска информации, необходимой как специалистам в области электроэнцефалографии, так и смежных специальностей - неврологии, нейропсихологии, психологии и других.

Интерактивность представления информации в программе «Обучающе-диагностическая система ЭЭГ» делает освоение материала увлекательным занятием.

Содержание «Обучающе-диагностическая система ЭЭГ».

Введение (ЭЭГ как метод анализа функционального состояния мозга;

области применения ЭЭГ исследований).

2. Методические аспекты регистрации ЭЭГ.

3. Природа и феноменология ЭЭГ.

4. Диагностика состояния мозга, структурная организация ЭЭГ-информации (структурный анализ как метод унифицированного описания ЭЭГ; диагностика функционального состояния мозга с помощью структурного анализа ЭЭГ).

5. Экзамен.

6. Аннотация программы "ЭЭГ-ЭКСПЕРТ", примеры заключений.

7. Литература по теме.

Первые три пункта написаны как учебное пособие. Рассмотрим пункт 4, в котором изложен метод унифицированного описания ЭЭГ-феноменов и формирования заключения о функциональном состоянии мозга, основанный на анализе знаний и экспертных оценок специалистов - электрофизиологов.

Структурный анализ ЭЭГ как метод унифицированного описания суммарной ритмической электрической активности мозга.

Этот подход был разработан на основе работы с экспертами электрофизиологами. Опорной информацией служили данные визуального анализа записей ЭЭГ, представляющие собой описание паттернов электрофизиологических феноменов, включая их форму, на языке, принятом в практике электроэнцефалографической диагностики. Структурирование ЭЭГ информации проводилось на трех уровнях.

Первый уровень - структурная организация знаний специалистов.

Задача заключалась в выделении узловых вопросов, ответы на которые определяют решение специалиста о функциональном состоянии мозга. Изучение комментариев специалистов позволило сформулировать семь вопросов, на которые должен ответить визуальный анализ электроэнцефалограммы: состояние коры головного мозга; наличие общемозговых изменений ЭА; наличие локальных изменений ЭА, их локализация и глубина, вторичные локальные изменения; состояние глубинных подкорковых структур различного уровня; характер наблюдаемых отклонений ЭА (функциональный, патологический, пароксизмальный); степень выраженности наблюдаемых отклонений ЭА;

межполушарная асимметрия изменений ЭА.

Эти вопросы и легли в основу разделения всего пространства ЭЭГ-признаков на блоки, характеризующие функциональное состояние мозга и его отдельных систем. При описании конкретных ЭЭГ внутри каждого вопроса - блока были собраны все относящиеся к нему признаки.

По результатам экспертных оценок к ЭЭГ-признакам, характеризующим состояние коры, были отнесены характеристики альфа-ритма; к показателям общемозговых изменений - диффузные отклонения ЭА); к признакам локальных изменений состояния коры - изменения ЭА в одной или соседних областях; к признакам, свидетельствующим об изменении функционального состояния глубинных подкорковых структур - билатерально-синхронные изменения ЭА различной локализации или генерализованные.

Полученный таким образом словарь ЭЭГ- признаков, согласуется с имеющимися в различных учебниках и методических пособиях разрозненными представлениями о происхождении основных видов отклоняющейся активности и функциональном значении того или иного феномена.

На втором уровне, при структурирование пространства признаков внутри каждого блока, все признаки были разделены на переменные и функции. К переменным были отнесены признаки, непосредственно описывающие различные варианты ЭЭГ феноменов, а также топография соответствующих феноменов и их реакция на функциональные пробы - ритмическую фотостимуляцию (РФС) и гипервентиляцию (ГВ).

Заключения специалистов, содержащие ответы на соответствующие вопросы на основании анализа переменных и характеризующие состояние одного из блоков, были определены как функции. На основе экспертных оценок для каждого блока был разработан алгоритм вывода функций из определенного сочетания различных вариантов переменных. Межполушарная асимметрия является универсальной переменной, и поэтому была включена во все блоки, кроме 2-го. Характер изменений ЭА и степень их выраженности вошли в число функций. Тем самым число ключевых вопросов и соответствующих им блоков сократилось до четырех. При использовании схемы для индивидуальной диагностики функционального состояния мозга совокупность переменных может служить описанием ЭЭГ, а совокупность выводов (функций) по всем блокам - заключением о состоянии мозга и его структур.

Для структурного анализа ЭЭГ при исследовании мозга детей была введена еще одна функция - степень соответствия возрасту уровня функциональной зрелости коры и глубинных структур. Авторами настоящего пособия было проведено специальное исследование, результаты которого позволили сформулировать ЭЭГ-критерии функциональной зрелости мозга, которые были включены в схему структурного анализа.

Предложенная обучающе-диагностическая система имеет ряд достоинств: система содержит всю необходимую для обследования и диагностики функционального состояния мозга информацию и при этом ее объем (без атласа) значительно меньше любого из имеющихся учебников; в основе системы лежат экспертные структурированные знания, поэтому ее можно использовать не только для обучении молодых специалистов, но и для повышения квалификации; особенности представления информации в виде функциональных блоков, связанных с определенными структурами мозга, обеспечивают эффективное сопоставление ЭЭГ-данных с данными других современных методов обследования, что особенно важно в условиях клиники; компьютерный вариант системы позволяет значительно расширить аудиторию желающих освоить или повысить квалификацию в области электроэнцефалографии.

Заключение

медицинский интеллектуальный мозг электроэнцефалография

В настоящее время, большая часть информации, распространяемой с помощью компьютеров, представлена в виде научной или справочной литературы, т.е. представляет собой аналог печатных изданий, но при современных возможностях передачи информации. Существующие в России экспертные системы в области анализа ЭЭГ выполнены либо в виде прямого описания ЭЭГ со всеми имеющимися недостатками, либо методом перебора вариантов для окончательного выбора из 10000 фиксированных диагнозов [Зенков, 2000]. Немецкими авторами предложена экспертная система для рутинного описания ЭЭГ, построенная на спектральном анализе [Herrmann, 2001]. Эта система выявляет на ЭЭГ артефакты, описывает частоту и амплитуду основного (альфа) ритма и выделяет патологические медленные колебания, т.е. практически представляет из себя словесное описание спектральных ЭЭГ- карт. При таком формальном количественном описании теряется основная информация, которую можно получить при качественном анализе формы и топографии ЭЭГ- паттернов, в особенности это касается оценки состояния глубинных структур мозга.

Разработка и экспертных, и обучающих систем с использованием структурной организации носит инновационный характер. Компьютерные варианты таких систем могут способствовать повышению эффективности работы специалистов, а также подготовке квалифицированных кадров, особенно на периферии, где практически отсутствуют возможности обучения и повышения квалификации.

Список литературы

[Ващенко и др., 1994] Ващенко Е.А., Генкин А., Кузнецова О., Стенина И.И.,

Переверзев-Орлов В.С. Технологии медицинских партнерских систем. //

Новые информационные технологии в высшем медицинском образовании.

Материалы 1-го сем. по проблемам НИТ в медицинском образовании, (ред.

Крейнес М.Г.). М. 1994.

[Зенков и др., 2000] Зенков Л.Р., Брикенштейн В.Х., Лукьянов В.М.

Диагностическая база данных ЭЭГ «Тезаурус-2000»// http://wab-techno.ru/. [Лукашевич и др., 1995] Лукашевич И.П., Мачинская Р.И., Руденская Г.Е.,

Фишман М.Н., Эльнер А.М. Структурная организация медицинской

информации для установления диагноза в детской неврологии. Медицинская

техника. 1995. № 2.

[Лукашевич и др., 1999а] Лукашевич И.П., Мачинская Р.И., Шипкова К.М.

Проблема представления и передачи профессиональных знаний.// Труды I

Международной конференции “Проблемы управления и моделирования в

сложных системах.” 14-18 июня 1999, Самара.

[Лукашевич и др., 1999b] Лукашевич И.П., Мачинская Р.И., Фишман М.Н.

Автоматизированная диагностическая система "ЭЭГ-ЭКСПЕРТ".//

Медицинская техника. 1999. N 6.

[Лукашевич, 2002] Лукашевич И.П. Роль языка описания при комплексном

анализе сложных систем. // Информационные процессы. 2002. т. 2, №1.

http://www.jip.ru/.

[Лукашевич, 2005a] Лукашевич И.П. Проблемы информационного

взаимодействия в медицине. // Новости искусственного интеллекта. 2005..

[Лукашевич, 2005b] Лукашевич И.П., Савина М.И., Иванова Г.И.

Справочно-обучающая система для интерпретации биохимических данных.//

Информационные процессы. 2005 г. т. 5. № 5. http://www.jip.ru/.

[Herrmann, 2001] Herrmann C.S., Arnolda T., Visbeckb A., Hundemerc H.P., Hopf H.Размещено на Allbest.ru