Привет студент

Математический факультет

Кафедра администрирования информационных систем

Интеллектуализация обработки данных донозологической диагностики

Данная работа посвящена интеллектуализации обработки данных донозологической диагностики функционального состояния организма человека. Основной целью работы является разработка подхода обработки данных обеспечивающего повышения качества решения задачи прогнозирования и диагностики заболеваний на основе методов интеллектуальных анализа данных.

Для достижения поставленной цели в данной работе решаются задачи такие, как выделение однородных типологических групп объектов, минимизация признакового пространства для исключения незначащих и избыточных признаков, построение композиции алгоритмов на основе деревьев решений для распознавания выделенных типологических групп. Оценка эффективности предложенных методов проводилась на реальных данных.

Пояснительная записка содержит 60 страниц, в том числе 21 рисунок и 5 таблиц.

Abstract

This work is devoted to the intellectualization of data prenosological diagnosis of the functional state of the human body. The main purpose is to develop an approach which provides data solutions improve forecasting and diagnosis of diseases based on data mining techniques.

To achieve this goal, this paper we solve the problems such as the allocation of typological groups of homogeneous objects, minimizing the feature space for the exclusion of non-significant and redundant features, construction of the composition algorithms based on decision trees for the recognition of isolated typological groups. Evaluating the effectiveness of the proposed methods was carried out on real data.

Explanatory note contains 60 pages, including 21 figures and tables 5.

Введение

1 Состояние проблем основных подходов обработки данных донозологической диагностики функционального состояния человека

1.1 Основные положения донозологической диагностики функционального состояния человека

1.2 Обзор существующих подходов оценки функционального состояния организма человека

1.3 Методы обработки данных в прикладных медико-биологических исследованиях

1.3.1 Экспертные системы

1.3.2 Методы интеллектуального анализа данных

1.4 Цель и задачи исследования

2 Интеллектуализация донозологического скрининга функционального состояния человека

2.1 Характерные особенности медико-биологической информации

2.2 Минимизация признакового пространства

2.3 Выделение однородных типологических групп объектов

2.4 Построение композиции алгоритмов на основе деревьев решений

3 Результаты экспериментальных исследований

3.1 Результаты иерархической агломеративной кластеризации

3.2 Результаты отбора информативных признаков

3.3 Оценка качества однородной композиции алгоритмов на основе деревьев решений

Заключение.

Список используемых источников

Оценка функционального состояния организма практически здорового человека относится к области медицины, называемой донозологической диагностикой, занимающейся изучением и оценкой состояния, пограничных между нормой и патологий. Оценка функционального состояния является принципиально важным для организации правильного и эффективного лечения. Выявление ранних стадий нарушений и начальных признаков возникновения различных заболеваний позволяет затратить меньше времени и средств на реабилитацию. Поэтому разработка подхода синтеза алгоритмов принятия решений, определяющих порядок действий и математические методы, позволяющих получать эффективные критерии оценки функционального состояния человека и решающие функции принятия решений относится к актуальным задачам медицины.

Уровень формализации знаний в донозологической диагностики в настоящее время высок. Это касается числа выделяемых донозологических состояний; преобладания характеристик в количественных шкалах; наличие баз данных, достаточных для использования метод анализа данных. Поэтому в донозологической диагностики возможно применение строгих математических метод.

Однако, как показывает анализ дынных литературы можно сделать вывод, что известные подходы к донозологической диагностики функциональных состояний человека хотя и носят комплексный характер, но не обеспечивают потенциально достижимого в современных условиях качество прогнозирования при ограничениях на технико-экономические затраты и время принятия решений.

Разработка подхода обработки данных донозологической диагностики функционального состояния человека является междисциплинарной задачей. При ее решении необходим учет медико-биологических, математических, алгоритмических и других аспектов данной проблемы. Поэтому обсуждение общих подходов построения систем донозологической диагностики функционального состояния человека проводится по трем аспектам:

- описанию основных положений донозологической диагностики функциональных состояний человека;

- обзору существующих подходов оценки функционального состояния организма человека;

- рассмотрению методов обработки данных в прикладных медико-биологических исследованиях.

1.1 Основные положения донозологической диагностики функционального состояния человека

При построение диагностических систем неизбежно встает задача изучения той проблемной области, к которой будет относиться система. Поэтому прежде всего необходимо рассмотреть теоретические основы исследуемой области медицины.

На протяжении всего развития медицина уделяла основное внимание помощи больному человеку, и поэтому к настоящему времени учение о болезни значительно опередило знания о здоровом человеке и изучение так называемых донозологических состояний, пограничных между нормой и патологий. Между тем донозологические или пограничные состояния встречаются у немалого числа практических здоровых людей, которые оказываются вне сферы медицинского наблюдения до тех пор, пока не обратятся к врачу по поводу какого-либо очевидного заболевания.

Под донозологической диагностикой понимают оценку функционального состояния организма и его адаптации к условиям окружающей среды, выявление состояний, которые еще не могут быть отнесены к известным нозологическим формам, но характеризуются нарушением деятельности регулярных механизмов.

Донозологические состояния возникают в результате напряжения механизмов регуляции функций в тех случаях, когда организм должен затратить больше усилий, чем обычно, чтобы обеспечить уравновешивание со средой. Если воздействие вредных факторов на организм продолжается достаточно длительное время или велико по интенсивности, постоянное или продолжительное и чрезмерное напряжение регулярных систем может привести к истощению резервных возможностей и развитию состояния перенапряжения систем регуляции.

Перенапряжение систем регуляции может привести к срыву адаптации(процесс приспособления строения и функций организма к условиям среды) с неадекватным изменением уровня функционирования основных систем организма и появлением патологических синдромов и заболеваний.

Для оценки состояния организма человека используется следующая шкала степени напряженности регулярных систем организма:

1) состояния, пограничные с нормой, с минимальным напряжением регулярных механизмов. Эти состояния обусловлены полной или частичной адаптации организма к внешним условиям, в которых организм может находиться достаточно долго, при этом значения большинства физиологических показателей смещаются в ту или иную сторону, и их новый уровень может рассматриваться как норма;

2) состояние напряжения, проявляющееся мобилизацией защитных механизмов и сопровождающееся увеличением активности регулярных и других систем организма. В этом состоянии приспособления к неадекватным условиям среды может быть только кратковременным и состояние перенапряжения, для которого характерна недостаточность адаптационных защитно-приспособительных механизмов, их неспособность обеспечить оптимальную адекватную реакцию организма на воздействие факторов внешней среды;

3) состояние срыва механизмов адаптации или состояние предболезни, в котором можно выделить две стадии:

- стадия истощения регулярных механизмов с преобладанием изменений, еще неспецифических для какой-либо нозологической формы болезни;

- стадия с преобладанием специфических изменений представляющих известные формы различных заболеваний с характерными для них изменениями в органах и системах.

Чем ближе состояние организма к срыву адаптации, тем менее благоприятен диагноз. Если при напряжении адаптационных механизмов достаточно проведения оздоровительных, общеукрепляющих мероприятий, то при неудовлетворительной адаптации требуются меры профилактики.

Наличие срыва адаптации вызывает необходимость более детального обследования с целью установления диагноза возможного заболевания и осуществления лечебных мероприятий.

Необходимо отметить, что выделение перечисленных классов донозологических состояний имеет эмпирический характер, что вносит в классификацию определенный уровень субъективизма.

Как показывает существующая практика проведения массовых обследований, время оценки функционального состояния одного человека не должно превышать 15-30 минут. Поэтому проведение донозологической диагностики функционального состояния человека возможно только с применение комплексного подхода к диагностики, основанного на современных математических методах и информационных технологиях, позволяющих решать исследуемую задачу с достаточным для практики качеством в условиях нечеткого и неполного описания исходных данных и при плохо формализуемой структуре.

1.2 Обзор существующих подходов оценки функционального состояния организма человека

Рассматривая существующие алгоритмы принятия решений о функциональном состоянии человека при донозологических обследованиях, следует подчеркнуть, что в научных публикациях они, как правило, разработчиками не раскрываются. Анализ доступной информации позволяет сделать следующие выводы.

1) Построение критериев оценки состояния изучаемых функций организма является во многом не формализованным, эвристическим. За критерии оценки принимаются, как правило, сами регистрируемые показатели.

2) Правила принятия решения строятся на многокритериальных оценках и простейших способах сравнения, основанных на эвристическом установлении диапазона изменения каждого критерия для эмпирически выбираемых альтернативных состояний. При таком подходе границы между альтернативными состояниями являются «жесткими», что противоречит особенности биологических систем, в которых переход из одного состояния в другое происходит не скачком, а постепенно. То есть границы между альтернативами априорно должны быть «размытыми».

Поясним сказанное на примере оценки функционального состояния регулярных механизмов человека по методике Р. М. Баевского с использование показателей ритма сердца.

Система наблюдений включает в себя статистические показатели полигона распределения PR интервалов ЭКГ и показатели спектрального анализа динамического ряда кардиоинтервалов. По указанным показателям оценивается суммарный эффект регуляции.

Принцип принятия решения проиллюстрируем на примере оценки суммарного эффекта регуляции(таблица 1), по которому эмпирическим путем формируется пять альтернатив, каждой из которой присваивается соответствующий балл от -2 до +2. В качестве критерия оценки используется частота пульса(ЧП).

Таблица 1 - Принцип принятия решения при оценки суммарного эффекта регуляции

Как видно из приведенных данных, «жесткость» границ приводит к физиологически трудно объяснимым результатам, когда каждое из состояний разделяет изменение ЧП всего на один удар в минуту.

После получения всех оценок функциональных характеристик выполняется оценка интервального показателя активности регулярных систем(ПАРС). ПАРС представляет собой сумму модулей всех частных оценок(сумму положительных значений и сумму отрицательных значений). И, наконец, по результатам оценок ПАРС производится оценка состояния регулярных механизмов в организме человека с использование приводимой ниже шкалы (таблица 2). Из приведенного примера достаточно наглядно видны описанные выше недостатки существующих подходов построения алгоритмов принятия решения при донозологической оценки функционального состояния человека.

Таблица 2 - Оценка состояния регулярных механизмов по значениям ПАРС

Поэтому актуальной задачей прикладных медико-биологических исследований является разработка общего методологического подхода синтеза алгоритмов принятия решений, определяющих порядок действий и математические методы, позволяющих получать эффективные критерии оценки функционального состояния человека и решающие функции принятия решений. Алгоритм должен позволить получать:

- во-первых, интегральные показатели оценки изучаемых функций организма человека, имеющие характер функциональных шкал.

- во-вторых, выделять и в последующем различать типологические состояний организма человека, формирующихся под воздействием факторов жизнедеятельности;

- в-третьих, строить формализованные правила принятия решений с учетом «размытости» границ между альтернативными состояниями.