ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ АЛГОРИТМОВ ИНТЕРПРЕТАЦИИ В МЕДИЦИНСКИХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В.П.Булыгин, Т.Б.Васанова, А.Г.Чепайкин

Московский областной научно-исследовательский клинический институт (МОНИКИ)
129110 Москва ул.Щепкина 61/2 Отделение медицинской кибернетики с ИВЦ
тел.288-59-77,
E-mail: kanc@mail.moniki.iitp.ru

Типовой путь обработки данных в автоматизированных приборах для функциональной диагностики включает оценку качества вводимого сигнала, организацию его регистрации, распознавание характерных элементов сигнала с их параметризацией и в завершение, построение интерпретирующих предложений в терминах врачебного языка. Другими словами, эти приборы содержат проблемно-ориентированную экспертную систему, входная информация для которой порождается в результате анализа физиологического сигнала.

Успехи в развитии рассматриваемых приборов можно связать с тем фактом, что процесс принятия решения врачом естественным образом соотносится с классической продукционной моделью представления знаний вида ЕСЛИ[P] ТО[Z] где посылкой [P] выступает сочетание элементарных высказываний симптомов, образующих симптомокомплекс, синдром, синдромокомплекс и т.д. в бинарной алгебре, а заключением [Z] - бинарное же значение интерпретирующего предложения.

Однако, при формализации знаний на практике, постоянно возникают трудности не только в оценке значимости данного симптома для данного заболевания (неточность знания), но и в оценке должной степени выраженности этого симптома (нечеткость знания), из за чего бинарная реализация посылки вызывает неустойчивость продукции по отношению к естественной физиологической вариабельности сигнала. Последняя, в свою очередь, создает трудности при параметризации характерных элементов сигнала в процессе его анализа (ненадежность опытных данных). Классическая схема формирования посылки продукционного правила просто не предоставляет инструмента для описания указанных особенностей медицинских знаний.

Одним из возможных механизмов учета неточностей-нечеткостей знания и ненадежности данных является использование трехзначной логики, когда помимо значений "истинно" (true) и "ложно" (false) рассматривается значение "неопределенно" (iffy). Исследования в этой области начались еще в 20-х годах Лукасевичем. Изучение работ Слупецкого, Клини, Гейтинга, Бочвара, Собочиньского, различающихся аксиоматизацией, позволило ввести одноместную операцию "трехзначное дополнение", применение которой в комбинации с одноместной операцией "трехзначное отрицание" выявило соотношения между однотипными двуместными связками, аналогичными "бинарному ИЛИ" и "бинарному И", в "сильной логике Клини", в "слабой логике Бочвара-Клини" и в "логике Собочиньского". Для практического вычисления значений указанных связок в каждой из логик были получены вещественно-алгебраические выражения на случай, когда функция означивания логических переменных принимает значения из ряда -1(false), 0(iffy), +1(true) .

Пары связок ИЛИ-И в перечисленных логиках обладают различными алгебраическими свойствами и использование в одной посылке операций, относимых к разным логикам, недопустимо. Одновременно ничто не ограничивает параллельного существования трех посылок, выражающих в различных трехзначных логиках исходную бинарную посылку. Тем самым впервые вводится механизм варьирования посылки. Механизм же варьирования заключения фактически уже обеспечивался применением двух "внешних логик Бочвара" - "логики необходимого" и "логики возможного". Оба механизма варьирования позволяют оценить устойчивость продукции в целом.

Теоретическое исследование поведения достаточно простых посылок в каждой из указанных логик выполнялось путем введения вероятностной меры появления симптомов и расчетом вероятности заключения. Исследование показало, что использование "слабой логики Бочвара-Клини" малоэффективно в решении задачи повышения устойчивости продукций. Дальнейшие опыты с реальными продукциями, разработанными для интерпретации ЭКГ, подтвердили этот вывод.

В экспериментах участвовали электрокардиограммы, прошедшие верификацию врачебных заключений и тестирование на устойчивость автоматического анализа врачебных признаков к воздействию шума с равномерной спектральной плотностью (неравномерность менее 10%) в полосе от 0.6 до 60 Гц и амплитудой 10 мкВ эффективного значения, а также к воздействию гармонической помехи частотой 0.3 Гц и амплитудой 1 мВ пикового значения. Критичность поведения продукций к неточностям-нечеткостям знаний оценивалась путем пошагового увеличения зоны слабой выраженности (iffy) синхронно для всех симптомов данной посылки: значение порога, характеризующее бинарный симптом заменялось парой значений, расстояние между которыми составляло величину кратную 2.5% базового значения амплитудного порога, или кратную 3-5 мс (в зависимости от типа зубца и интервала) для временного порога. Шаг порога, выражающего производную величину, соответствующим образом пересчитывался.

Для оценки критичности поведения продукций в условиях ненадежных данных была разработана модель e -неразличимого семейства кривых ЭКГ, приписанных к одному заключению. "Коридор", которому принадлежит семейство кривых, следует понимать как след чернильнопишущего узла конечных размеров, оставляемый в обычном режиме регистрации (скорость 25 мм/с, чувствительность 10 мм/мВ). Приведенный диаметр пишущего узла в экспериментах изменялся в пределах от 0.3 до 0.7 мм. Модель e -неразличимого семейства сигналов является естественной альтернативой модели наложения белого шума, более того, она целенаправленно искажает поведение "наиболее интересных" с точки зрения параметризации элементов сигнала, имитируя тем самым физиологическую вариабельность.

Помимо решения задачи повышения функциональной устойчивости, разработанный аппарат удовлетворяет требованиям преемственности по отношению к классическим продукциям и обеспечения возможности использования в продукциях статистических классификаторов. Принципиально важно и то, что он позволяет оценивать устойчивость и качество интерпретации средствами самого аппарата.

Содержание конференции | Секция10