4.2. Автоматизовані системи діагностики захворювань і прогнозування результатів їх лікування

Автоматизованими системами діагностики захворювань і прогнозування результатів лікування називають діагностичні програми й інтелектуальні інформаційні системи різних рівнів і призначень. Вони допомагають вирішувати багато питань у медичних процесах за допомогою ПК. Як розглядають такі процеси з погляду інформатики?

Діагностика з погляду інформатики – процес виявлення несправностей у певній системі. Несправність – це відхилення від норми. Таке трактування дає змогу з єдиних теоретичних позицій розглядати і несправність обладнання в технічних системах, і захворювання живих організмів, і будь – які природні аномалії.

Прогнозування – логічне виведення (передбачення) імовірних наслідків заданих ситуацій на підставі аналізу даних. Прогнозування пов’язане з моделюванням різних ситуацій, тобто створюється модель, і виведені з цієї моделі наслідки формують основу для прогнозів з імовірнісними оцінками.

Моніторинг – безперервна інтерпретація даних у реальному масштабі часу і сигналізація про вихід тих чи інших параметрів за припустимі межі.

Підтримка прийняття рішень – це сукупність процедур, що забезпечує особу, яка приймає рішення, потрібною інформацією та рекомендаціями для сформування альтернативи серед множини виборів.

Інтерпретація даних – одне з традиційних завдань для інформаційних систем. Під інтерпретацією розуміють процес визначення смислу даних, результати якого мають бути узгодженими і коректними.

Комп’ютерні діагностичні системи: імовірнісні консультативні та експертні.

Процеси в медицині стали можливі для програмування вже наприкінці 50-х років ХХ сторіччя. З’явилися перші діагностичні алгоритми – програми, у яких було використано бальний принцип (підрахунок балів за отримані на запитання відповіді) кількісного оцінювання кожного симптому (запитання). Бальна діагностика – відомий метод у медицині. Певний час діагностичні програми розроблялися в цьому напрямку. Такі програми мали консультативний характер, тому що не могли забезпечити високу ймовірність встановити правильний діагноз у зв’язку з відсутністю повної інформації про стан здоров’я пацієнта (наприклад, лабораторні й інструментальні дослідження). На ПК така програма представлена у формі тестового опитування. Мета кожного запитання – отримати інформацію про симптоми, наявні або відсутні в обстежуваного. Модуль збирання інформації побудовано за принципом діалогу – на запитання треба відповідати тільки «так» чи «ні». Ця інформація формує базу даних та обробляється програмним модулем обробки й аналізу даних, після чого на екран подається діагностичне повідомлення. Сучасні вдосконалені бальні методики використовують у скринінгових системах.

Досконаліші програми – тести використовують інші методики діагностики (не бальні), включаючи в модуль обробки й аналізу даних імовірнісно- статистичні методи (наприклад, імовірнісний метод, що полягає в обчисленні імовірностей захворювання за формулою Баєса). Такі діагностичні програми називають імовірнісними. Імовірність діагностики в них вища, ніж у бальних програм. Вони так само є консультативними, тому що вирішальне слово залишається за лікарем.

Згодом з’являються діагностичні програми такого рівня, у яких алгоритм встановлення діагнозу наближений до мислення лікаря, тобто вони мають такий програмний логічний апарат, що дає змогу порівняти з існуючим медичним досвідом симптоми, виявлені при обстеженні хворого, а також швидко виконати складну статистичну обробку клінічного матеріалу. Такі системи називають експертними. Якщо в імовірнісних діагностичних програмах дані оброблялися на основі бази даних, названі базами знань. Для обробки й аналізу даних база знань використовує досить складний математичний апарат. Таким чином, до початку 70 – років ХХ століття формуються різні типи напрямків автоматизованих систем діагностики захворювань і прогнозування результатів їх лікування, серед яких виділяють скринінгові та експертні системи.

Скринінгові комп’ютерні діагностичні системи

Скринінгові системи зберегли вигляд тестів. На сьогодні вони надзвичайно поширені, призначені для проведення долікарського огляду в багатьох предметних галузях медицини. Засновані на використанні методу бальної оцінки. Можуть входити як автономний модуль до складу МІС ЛПЗ.

Скринінги використовують при проведенні профілактичного обстеження населення з метою виявити хворих, які потребують допомоги фахівців, і сформувати групи високого ризику за основними нозологічними групами. Скринінг здійснюють на основі розроблених анкетних карт або прямого діалогу пацієнта з комп’ютером. Ознайомлення пацієнта з анкетою – це його ознайомлення з набором запитань, кожне з яких відтворює той або інший симптом. Обстежуваний вникає в суть і відповідає позитивно на ті питання, які відтворюють його стан здоров’я. скринінги формують базу даних. Комп’ютер самостійно аналізує введену інформацію й орієнтує пацієнта та лікаря – терапевта на необхідність подальшого обстеження. Скринінги можуть використати методику лабораторного або функціонального дослідження.

Скринінгові можуть входити окремим блоком до складу МІС ЛПЗ. За їх допомогою вирішують такі завдання:

своєчасне виявлення захворілих (на ранніх стадіях захворювання), проведення й реальна оцінка якості наступних лікувальних і реабілітаційних заходів;

підвищення медичної ефективності профілактичних оглядів по всіх основних профілях патології (в 6-10 разів);

одержання інформації про стан здоров’я не тільки окремого пацієнта, а й груп людей, виявлення негативних причин, безпосередньо пов’язаних зі способом життя певного континенту (харчування, екологія, психо – соціальні особливості).

В Україні працюють автоматизовані системи профілактичних оглядів (АСПО). Основним завданням АСПО є виявлення пацієнтів, які потребують направлення до лікарів-фахівців. На пострадянському просторі інтегровано АСПО дитячого населення АСПО-Д. Ця система призначена для профілактичних оглядів дітей віком від 3 до 17 років і кількісної оцінки їхнього стану за 24 профілями патології з направленням за показниками до лікарів-фахівців. У ході обстеження за результатами анкетування, огляду, інструментального й лабораторного дослідження за 20-30 хв на дитину збирається більше ніж 400 медичних даних для наступної обробки.

АСПО-Д забезпечує оцінку активності патологічного процесу, ризик інфікування ВІЛ або гепатитом В і рівень фізичного розвитку.

Перелік запитань, на які відповідає дитина або його батьки, тісно пов’язаний із переліком лікарських спеціальностей і профілів патології. Окрім збирання анамнезу шляхом анкетування батьків (200 запитань) проводять обов’язкові лабораторні дослідження крові та сечі (основні показники), інструментальне дослідження (антропометрія, спірометрія, динамометрія рук ,вимірювання артеріального тиску, аналіз показників ЕКГ, визначення гостроти зору і слуху). Аналіз крові та сечі здійснюють як за допомогою лабораторних експрес-аналізаторів (уведення інформації в ЕОМ автоматизоване), так і із застосуванням ручних методик (уведення інформації в ЕОМ з клавіатури).

Після занесення усіх даних у базу даних здійснюють їх комп’ютерну обробку і видачу вихідних документів, один із яких називається «маршрутним листом», у якому вказується перелік лікарів-фахівців, яких рекомендовано відвідати для консультації або подальшого обстеження, лікування чи оздоровлення.

Використання таких АСПО має певні переваги:

чисельність персоналу – 3 особи (2 лікаря та 1 медсестра);

пропускна здатність комплексу – 800 осіб на рік (1600 при двозмінній роботі);

кількість можливих доз – понад 300;

характеристика вірогідності висновку (у середньому за профілями патології): гіпердіагностика – до 11 %, гіподіагностика – до 15 %;

медична ефективність – понад 85 %.

Скринінгові програми є ефективними, простими в роботі, не вимагають значних тимчасових витрат і високовартісної апаратури. Опитування щодо факторів ризику і скарг дає змогу виявляти осіб з підозрою на різні захворювання, проводити дослідження в найраціональніший спосіб. Автоматизовані системи профілактичних оглядів населення є «серцем» відділень профілактики в усіх ЛПЗ. У свою чергу, відділення профілактики служать однією з найважливіших ланок диспансеризації населення. За допомогою створених банків даних про здоров’я населення здійснюється керування диспансеризацією. Скринінги є автоматизованими системами, проте вони не можуть повністю замінити процес профогляду.

Експертні системи

Експертні системи – діагностичні програми високого рівня, які належать до інтелектуальних інформаційних систем, що базуються на знаннях. Розділ інформатики, що вивчає інтелектуальні системи, називається штучним інтелектом. До складу експертної системи окрім бази даних входить база знань і розвинена система програм її обробки. Що розуміють під базою знань? База знань (від англ. knowledgebase) – це особливого роду база даних, розроблена для управління знаннями (метаданими), тобто збиранням, зберіганням, пошуком і видачею знань. Найважливіший параметр бази знань – якість знань, що містяться в ній. Кращі бази даних включають останні наукові знання, досконалі системи пошуку інформації, мають ретельно продумані структуру і формат знань. Під медичними знаннями розуміють інформацію, потенційно необхідну лікареві (див. розділ 1). Зокрема це може бути інформація про стан здоров’я пацієнта, певну предметну медичну галузь, ситуацію, проблеми, правила їхнього вирішення, а також про конкретні умови, що визначають вибір цих правил. Медичні знання відрізняються від медичних даних більшою складністю, абстрактністю, повнотою і багатобічністю опису деякої предметної галузі медицини. Нагадаємо, що медицина з погляду інформатики – це неконкретна наука (див. розділ 1), тому створення бази знань у медицині – процес досить трудомісткий. У реальному житті кількість ситуацій і «діагностичних правил» іноді виходить за межі вкладених у систему знань.

Експертні системи, як правило, здатні робити дедуктивний висновок (від загального до частини) на підставі неповних, розмитих і суперечливих знань, отриманих від непрофесіоналів-експертів. Якщо програми, які працюють із базами даних, можуть дати відповідь на поставлене запитання тільки за умови наявності такого у базі, то експертна система реагує на запитання, здійснюючи логічний висновок в умовах невизначеності або неповноти знань. Іншими словами, вона дає змогу бути точною відносно неточностей. Окрім цього, обов’язковою умовою функціонування експертної системи є її здатність пояснювати причини того або іншого висновку: вона аналізує ситуацію і дає рекомендації з вирішення проблеми.

Будь-яка експертна система містить обов’язкові програмні блоки, зображені на схемі 8. Серед функцій кожного блоку виділяють:

відтворення знань про предметну галузь, способи аналізу фактів, що надходять, сукупність фактів, правил, законів, закономірностей (база знань);

розпізнання знань, проведення обміркувань, здійснення логічних висновків, виявлення взаємозв’язку, прийняття рішень, реалізацію пошукових операцій, розпізнання ситуації, що склалася, її аналіз (для цього розроблено математичні методики, серед яких – нечітка логіка, коефіцієнти впевненості, баєсовська логіка, міри довіри тощо; блок логічних висновків);

пояснення, як система прийшла до того або іншого висновку, обґрунтування рішення (блок пояснень);

поповнення бази знань, модифікацію й ліквідацію застарілих експертних знань із бази знань (блок здобування знань);

формування діагнозу, прогнозу, рекомендації лікування; кожному рівню діагнозу відповідає свій рецепт (блок виведення – інтерфейс експерта).

Медичні експертні системи використовують для діагностування, моніторингу ,прогнозування, підтримки прийняття рішення, тобто тих самих завдань, які становлять природу медицини. Якість діагностики оцінюють на рівні кваліфікованого лікаря, а це дуже високий показник. Експертні системи високовартісні. Поки вони забезпечують вирішення ізольованих завдань медичної діагностики. Використовуються в медичних приладо-комп’ютерних системах. Найважливіші галузі застосування експертної системи – невідкладні та загрозливі стани, що характеризуються дефіцитом часу, обмеженими можливостями обстеження та консультацій і нерідко бідною клінічною симптоматикою. Серед інформаційних технологій МІС медичні експертні системи – найперспективніший напрямок. Безсумнівно, майбутнє за медичними експертними системами.

База знань

Схема 8. Експертна система

Стисло про головне:

Медичні процеси (профілактика, діагностика, прогнозування та ін.) з точки зору інформатики – алгоритмні процеси, які підлягають програмуванню. Автоматизовані системи діагностики захворювань і прогнозування результатів лікування є консультативними, тому що вирішальне слово залишається за лікарем. Серед консультативно-діагностичних систем різних рівнів і призначень виділяють імовірнісні консультативні й експертні системи.

Імовірнісні консультативні системи – програми-тести, у яких обробка даних відбувається за різними алгоритмічними методиками діагностики.

Скринінги – приклад діагностичних систем ,застосовуваних для масового обстеження населення. Скринінгові системи – найсучасніші комп’ютерні технології профогляду. Автоінтерв’ювання – метод дослідження із застосуванням формалізованих анкет, на запитання яких дають стандартні відповіді, що вводяться в ЕОМ для наступного аналізу.

В Україні працюють АСПО. Основним завданням АСПО є виявлення пацієнтів, які потребують направлення до лікарів-фахівців. Відділення профілактики служать однією з найважливіших ланок диспансеризації населення. За допомогою створених банків даних про стан здоров’я населення здійснюється керування диспансеризацією. Скринінги – автоматизовані системи, проте вони не можуть повністю замінити процес профогляду.

Експертні системи – діагностичні програми високого рівня. Їх призначення – надання компетентних порад у медицині, обробка великих обсягів інформації як у базі даних, так і в базі знань. База знань відрізняється від бази даних наявністю системи знань та закономірностей, що потребує використання пошукових та логічних операцій, міркувань для того, щоб за початковими реальними вимогами прийняти точні рішення. Що більше логічних процедур вона може виконати, тим більше в неї підстав називатися експертною системою.

Основні призначення блоків експертної системи:

база знань – сукупність фактів, правил, даних, законів, закономірностей;

блок логічних висновків – розпізнає знання, здійснює обміркування, логічні висновки, виявляє взаємозв’язок, приймає рішення;

блок пояснень – пояснює, як система прийшла до того а бо іншого висновку, обґрунтовує рішення;

блок здобування знань – здійснює поповнення бази знань, модифікацію й ліквідацію застарілих експертних знань;

блок виведення (інтерфейс експерта) – виводить на пристрій виведення діагноз, прогноз лікування, рекомендації лікування, графічну модель процесу;

найважливіші сфери застосування експертної системи – невідкладні і загрозливі стани. Використовуються в медичних приладо-комп’ютерних системах.

Питання для самоконтролю

Які медичні процеси підлягають програмуванню?

Чому автоматизовані системи діагностики захворювань і прогнозування результатів лікування є консультативними?

Які програми-тести належать до імовірнісних консультативних?

Який метод дослідження використовується в скринінгах?

Наведіть приклади комп’ютерних систем профогляду та диспансеризацію.

Яка основна вихідна інформація в скринінгових системах профогляду?

Назвіть АСПО в Україні.