Автореферат и диссертация по медицине (14.00.06) на тему:Применение экспертных систем для дифференциальной диагностики заболеваний, сопровождающихся кардиалгическим синдромом

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РСФСР НОВОСИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ МЕДИЦИНСКШ ИНСТИТУТ

На.правах рукописи УДК 616.1-039.11-07: 681. 31

ШУСТЕРМАН Владимир Рафаилович

ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ДИАГНОСТИКИ ЗАБОЛЕВАНИИ, СОПРОВОИДАЩИХСЯ КАРДИАЛГИЧЕСКИМ СИНДРОМОМ.

14. 00. 06 - кардиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Новосибирск - 1991

Работа выполнена в Институте клинической и экспериментальной медицины СО АЩ СССР и Новосибирском ордена Трудового Красного Знамени медицинском институте.

Научные руководители:

доктор медицинских наук, профессор Куимов А. Д.,

доктор физико-математических наук Недорезов Л В.

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Бондарева 3. Г.,

доктор медицинских наук Власов ¡0. А.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт кардиологии Томского научного центра АШ СССР.

Защита состоится "_" _1991 г. в "_" часов на заседании специализированного Совета Д 084.52.01 при Новосибирском ордена Трудового Красного Знамени медицинском институте (по адресу: 630091, Новосибирск, Красный проспект, 52, тел. 20-06-53).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского ордена Трудового Красного Знамени медицинского института.

Автореферат разослан "_"___ 1991 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандедат медицинских наук

Шпагина Л А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ Актуальность проблемы. Распознавание причин возникновения болей в грудной клетке является одной из наиболее сложных для клиницистов диагностических задач. Принципиально различная природа и характер патологических процессов, вызывающих кардиалгии, частое отсутствие выраженных различий в их проявлениях делают выяснение причин кардиалгического синдрома чрезвычайно актуальным для определения тактики ведения пациента.' '

Известно, что тщательный анализ клинической • картины и, прежде всего, характера болевого синдрома, имеет принципиальное значение для диагностики различных форм стенокардии и разграничения их с кардиалгиями другого генеза. Правильная интерпретация динамики болей у пациентов с ИБС важна для распознавания нестабильной стенокардии. Своевременная диагностика этого состояния позволяет во-время осуществить госпитализацию и начать активные терапевтические мероприятия, в связи с высокой вероятностью развития инфаркта миокарда и ряда других осложнений, а тагане внезапной смерти.

Методы статистического анализа и формализованной оценки диагностических признаков, с целью повышения достоверности диагноза, используются . в настоящее время достаточно широко (Гублер Е. В., 1990, Ластед Л, 1971). На основе таких подходов разработано и применяется большое количество опросников и программных средств, позволяющих выявлять лиц с высокой вероятностью наличия ИБС и других заболеваний при массовых и доврачебных обследованиях, а также определять прогноз развития различных патологических процессов (Гельфанд И.М и др., 1989, Андреев Н.А. и др. ,1980). В то же время, использование таких методов для решения задач дифференциальной диагностики сопряжено с известными трудностями. Фиксированный порядок и часто избыточное количество анализируемых для постановки диагноза^ признаков, независимо от наличия или отсутствия у больного тех или иных сочетаний симптомов, снижает эффективность таких подходов и делает их трудно применимыми в клинической практике. Использование алгоритмов, построенных только на решающих симптомах не позволяет диагностировать стертые клинические формы хронических заболеваний и сочетанную патологию. Предпринимавшиеся попытки формализованной опенки симптомов с учетом их ди-

- г -

агностического веса требуют достаточно громоздких вычислений.

Одним из способов повышения точности оценки диагностических признаков и определения вероятностей разграничиваемых заболеваний может быть применение экспертных систем (ЭС). Несмотря на то, что современный этап развития клинической медицины характеризуется широким внедрением информацюжлх технологий, данные о применении экспертных систем для клинической диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы немногочисленны (Баллюзек Ф. Б. и др., 1988, Бохуа ER. и др., 1982, Попов Э. Б., 1987, Adlassing К.-Р., 1987). Основная причина заключается в сложности представления в ЭС клинической информации, которая носит качественный, неполный, "слабо формализованный" характер (Pople Н.Е., 1982) и отсутствии четких диагностических критериев. Так, несмотря на большой объем литературы по данному вопросу, не выработаны достаточно жесткие признаки для диагностики нестабильной стенокардии, что приводит к субъективному разбросу в оценке врачами разнообразных клинических проявлений этого заболевания. Не исследован вопрос о принципах построения структуры диффэренциально-диаг-ностических ЭС, способах адекватного представления клинических признаков различного характера в базе знаний. Не проводился сравнительный анализ целесообразности применения разных диагностических стратегий в зависимости от условий клинического использования ЭС. Не изучены особенности работы ЭС при наличии сочетанной патологии, которая может являться причиной кардиал-гий.

Использование известных в настоящее время ЭС (Уотермен Д., 1989, Элти Дж. , Кумбс Я, 1987, Short Ii ff е E.H., 1984) не позволяет отслеживать динамику течения заболевания и давать сравнительную оценку его степени тяжести на момент обследования. В связи с этим, снижается точность диагностики возникно-ния обострения хронического заболевания, в том числе, нестабильной стенокардии.

Работа выполнена в рамках комплексной теш ГКНТ СССР (постановление N 596 от 20.06.90 г.).

Цель работы - разработать экспертную систему для дифференциальной диагностики заболеваний, сопровождающихся кардиал-гическим синдромом, изучить способы представления медицинской

информации в Сазе знаний и поведение системы в различных клинических ситуациях.

Основные задачи исследования:

1. Разработать структуру и способ представления медицинских знаний и процесса диагностического поиска в экспертной системе, перечень диагностических признаков, процедур обследования и диагностируемых заболеваний.

2. Разработать базу знаний подсистемы для дифференциальной диагностики основных групп и отдельных заболеваний, являк>-щихся причинами кардиалгий.

3. Разработать подсистему углубленной дифференциальной диагностики нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения.

4. Провести клинические испытания разработанной экспертной системы, оценить ее эффективность, представить сравнительный анализ результатов работы различных, вариантов системы и внедрить в практическое здравоохранение.

Научная новизна. В работе предлагается способ построения двухуровневой дифференциально-диагностической экспертной системы с различным представлением на разных уровнях медицинской информации и последовательным сужением поля диагностического поиска. Впервые проведен сравнительный анализ результатов работы ЭС с использованием различных стратегий диагностики и пороговых уровней выдвижения-исключения диагностических гипотез в разных клинических ситуациях. Исследованы закономерности работы системы при наличии сочетанной патологии и предложен показатель, отражающий надежность^разграничения системой болей коронарогенной природы от кардиалгий другого генеза. Показаны возможности использования системы для отслеживания динамики течения заболевания.

Проведено уточнение дифференциально-диагностических клинических признаков нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения. Построен алгоритм и решающее правило для разделения этих заболеваний, позволяющие эффективно использовать информационную ценность как отдельных клинических признаков, гак и их сочетаний. Исследованы возможности графического интерфейса для представления вероятностей диагностических гипотез.

Практическое значение. Разработана экспертная система, позволяющая проводить дифференциальную диагностику широкого круга заболеваний, сопровождающихся- кардиалгическим синдромом, на любом из этапов обследования больного. Система позволяет определить наиболее вероятную причину болевого синдрома как при стертой клинической симптоматике, так и при нь лчии соче-танной патологии. Созданная X может использоваться для оценки динамики течения хронических заболеваний. Система может применяться для консультативной помощи врачам скорой помощи, приемных отделений стационаров, участковых поликлиник, а также для обучения и повышения квалификации врачей. Определены варианты ЭС,. которые целесообразнее использовать в различных звеньях системы здравоохранения.

Внедрение. Разработаны и внедрены в учебный процесс Новосибирского медицинского института методические рекомендации для врачей - слушателей ФПК и ФУВ с изложением принципов работы X для дифференциальной диагностики кардиалгий и анализом задачи дифференциальной диагностики нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения. Разработанная ЭС внедрена в практику работы НИИ кардиологии Томского научного центра АМН СССР и клиники ИКЭМ СО АМН СССР. Пэ теме диссертации разработано и внедрено в клинике ИКЭМ и ГКБ N 1 г. Новосибирска 4 рационализаторских предложения, опубликовано 8 печатных работ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Применение разработанной ЭС позволяет добиться достоверной диагностики заболеваний, сопровождающихся' кардиалгическим синдромом.

2. Использование двухуровневой структуры ЭС дает возможность последовательно сужать ноле диагностического поиска, а также оценивать динамику течения заболевания.

3. Изменение последовательности анализа признаков и порога выдвижения - исключения диагностических гипотез в разработанной ЭС оказывает влияние на процесс дифференциальной диагностики посредством изменения количества разделяемых заболеваний.

Апробация работы. Работа апробирована на совместном заседании кафедры факультетской терапии лечебного факультета, кафедры терапии ФУВ НоТКЗМИ, с участием сотрудников клиники и отдела медицинской и биологической кибернетики ИКЭМ СО АМН

СССР. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Здравоохранение - 91" (Москва), Международном симпозиуме "Визуальный анализ и интерфейс" (Новосибирск, 1991 г.), VII Всесоюзной конференции "Проблемы интеллектуального развития организационных систем" (Новосибирск, 1991 г.), V Всесоюзной конференции "Интеллектуальные системы и творчество" (Новосибирск, 1S90 г.), научно-практической конференции врачей "Новые методы диагностики, лечения и профилактики заболеваний" (Новосибирск, 1990 г.), Всесоюзном семинаре "Логика и организация диалоговых процессов в' интеллектуальных' системах (Новосибирск, 1988 г.).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 139 страницах машинописи, из которых 97 страниц - текстовой материал и состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, раздела собственных исследований, заключения, выводов, практических рекомендаций и указателя литературы. Работа иллюстрирована 23 таблицами, 22 рисунками.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

При разработке экспертной системы использовалась оболочка "DI*GEN", разработанная сотрудниками Института систем информатики СО АН СССР Т. М. Яхно и С. Я. Гринбергом. Система реализована на ПК IBM PC/AT/XT.

Клинические испытания экспертной системы проведены в НШ кардиологии Томского Научного Центра СО АМН СССР. Проанализированы истории болезни 104 пациентов с болями в грудной клетке (группа А), из них: 30 - с острым инфарктом миокарда (ИМ), 54 - со стабильной стенокардией напряжения (ССН), 10 - с нестабильной стенокардией (НС), 2 - с гипертрофической кардиомиопа-тией, 1-е идиспатической кардиомиопатией, 5-е нейро-цирку-"* ляторной дистонией, 1- с миокардиодистрофией, 1-е пролапсом митрального клапана. Диагнозы подтверждены данными клинического, лабораторного, инструментального обследования, включая вентрикулокоронарографию и сцинтиграфию миокарда.

Для уточнения дифференциально-диагностических критериев нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения проведено обследование.больных в Городской клинической больница М 10 г. Новосибирска, Городской клинической больнице скорой

- Б -

помощи N 1 и клинике ИКЭМ СО АМН СССР по 19 клиническим признакам, которые использовались в программе, разработанной в Латвийском НИИ кардиологии (Викена К. Р., 1982).

Обследовано 99 больных шпемической болезнью сердца (группа Б), из них: 48 - с нестабильной стенокардией и инфарктом миокарда (43- НС и 5 - ИМ) составили подгруппу 1, и 52 больных стабильной стенокардией напряжения вошли в подгруппу 2.

Верификация диагноза основывалась на анализе клинических данных, результатах инструментальных исследований, включая электрокардиографию в покое в 12 общепринятых отведениях, а при необходимости с использованием дополнительных отведений, велоэргометрическую пробу и тест чрезпищэводной электростимуляции предсердий. Верификация проводилась на основании критериев, предложеных группой экспертов ВОЗ и методических рекомендаций МЗ СССР (1980).

Для оценки относительной частоты встречаемости сочетаний признаков в каждом классе заболеваний использовалась формула а=т/п, где ш - количество больных данным заболеванием, у которых встречается это сочетание признаков, а п - общее количество больных данным заболеванием.

Зависимость между признаками определялась по формуле. (Неймарк Ю. И., 1972):

«itlt

а =

s s

min -Cm;x , > ■ ' где m^i - количество больных заболеванием S, у которых • определялось данное сочетание признаков,.

' ~ количество больных тем же заболеванием, у

которых встречается каждый из признаков.

Информационная ценность'признаков.определялась по формуле (Кудьбак С., 1967):

г с - р.. i=:nEZp.-log-— ■..-,... .

£'1Jel Pi. Р.; V

где N - количество-наблюдений, • с - количество градаций признака, г - количество классов (заболеваний),.

р„ - относительная частота объектов класса i с ч

градацией з по признаку х,

Рр- относительная частота объектов класса 1 среди всех наблюдений N.

р^- - относительная частота объектов с градацией з по признаку х среди всех наблюдений N.

Достоверность разницы частот оценивалась по критерию Т-Стъюдента и по точному методу Фишера. В качестве экспертных заключений использовались диагнозы, поставленные высококвалифицированными специалистами - заведующими кардиологическими отделениями, сотрудниками- клинических кафедр медицинского института и лабораторий ИКЭМ СО АМН СССР. Среди них' - 3 врача высшей категории, 3 - заведующие кардиологическими отделениями, 2 ассистента и 1 доцент клинических кафедр Новосибирского медицинского института. Средний стаж работы' экспертов с кардиологическими больными составил 14,3±0,б года, общий врачебный стал - 18,6+0,8 года.

Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам отдела медицинской и биологической кибернетики' ИКЭМ СО АМН СССР (руководитель - член-корр. АМН СССР М. Б. Шгарк), участвовавшим в выполнении отдельных фрагментов работы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

1. Структура и способ представления медицинских знаний и процесса диагностического поиска в экспертной системе дифференциальной диагностики кардиалгий.

База знаний системы содержит диагностические признаки заболеваний, входящих в перечень диагностических заключений, а также необходимые для их выявления процедуры обследования. Степень характерности признаков для каждого из заболеваний определяется количественным значением диагностического веса. Вес* признака представляет собой произведение диагностического веса группы, к которой принадлежит данный признак и индивидуального веса признака для данного заболевания.

Диагностические веса всех введенных пользователем признаков суммируются для каждого из заболеваний и определяется общий диагностический вес (рейтинг) каждого из заболеваний. Вероятность наличия заболевания будет тем выше, чем больше значение его рейтинга. Поэтому, окончательным диагнозом считается

- а -

то заключение, которое имеет наибольший суммарный диагностический вес. Остальные диагнозы выводятся в порядке убывания их рейтингов.

Процесс работы начинается с предоставления пользователю корневого меню, опции которого представляют собой стандартные режимы получения информации о Сольном: жалобы, анамнез, объективное обследование. Последовательный выбор каждой из этих опций приводит к выходу в подкаталоги меню, которые конкретизируют, и раскрывают корневое меню. Выбирая любую из опций, пользователь получает терминальное меню, в котором может отметить одно или несколько аначений. •

Сущность второго этапа'работы ЭС заключается:

а) в активной постановке системой вопросов, имеющих целью вы-яснигь информацию о признаках, присутствующих в описании ведущей диагностической гипотезы и, таким образом, подтвердить ее или- исключить.

б) в пересчете рейтингов диагностических гипотез после получения информации .от пользователя на каядом шаге диалога. В процессе диалога, при вводе, новой информации о наличии диагностических .признаков могут выдвигаться новые диагностические гипотезы и происходить смена ведущей гипотезы. При смене веду' шей гипотезы система изменяет стратегию диагностики, задавая

вопросы о признаках, характеризующих новую ведущую гипотезу. После получения информации о всех признаках, имеющихся в описании ведущей диагностической гипотезы, система последовательно анализирует признаки всех-остальных гипотез в порядке убывания их рейтингов. '

Такая структура базы знаний позволяет составлять достаточно- полные формализованные описания симптоматики различных нозологий с сохранением естественных соотношений между диагностической значимостью признаков.. При этом точность дифференциального диагноза опирается, в первую очередь, на возможность системы обобщить (просуммировать) количественные характеристики диагностических весов- всех- рассматриваемых симптомов для каждого из возможных заболеваний и определить наиболее вероятное. Чем большее количество признаков с точным соотношением их весов будет учитываться системой в процессе постановки диагноза, тем выше будет качество полученного результата. Однако, такой принцип формирования Сазы знаний не применим в случаях

необходимости более тонкого разделения отдельных заболеваний с анализом индивидуальных диагностических весов используемых признаков. В таких случаях требуется использовать более тонкие градации признаков. Поэтому, для решения задачи дифференциальной диагностики узкого класса состояний (нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения) была разработана отдельная подсистема с другими способом представления медицинских знаний.

2. Способ уточнения дифференциально-диагностических признаков и представления медицинских знаний в подсистеме дифференциальной диагностики нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения.

В связи со сложностью разграничения нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения, а также необходимостью проведения дополнительного анализа с целью уточнения диагностических признаков, была разработана отдельная подсистема для решения этой задачи.

Процесс дифференциальной диагностики в данной подсистеме представлен следующим образом. Суша диагностических весов всех введенных признаков для каждого из заболеваний дает .в результате общую диагностическую вероятность (абсолютный рейтинг) этих заболеваний. Для сравнения вероятностей различных заболеваний между собой система вычисляет относительный рейтинг заболевания, т. е. отношение абсолютного рейти-та, к максимальному, выраженное в процентах. Максимальный рейтингзаболе*-вания представляет собой совокупность диагностических весов всех характерных симптомов. Таким образом, относительный рейтинг показывает в наиболее общем виде вероятность наличия заболевания у данного больного. Окончательные диагнозы выводятся в порядке убывания их относительного рейтинга.

С целью уточнения дифференциально-диагностических призна-. ков и их значимости для разделения этих двух состояний было' проведено исследование частот встречаемости признаков у больных нестабильной стенокардией и инфарктом миокарда.

На основании!! результатов статистического анализа пространство признаков было.сужено до 11 характеристик (частота при ИМ и НС > 0,29), которые позволяли проводить достоверную диаг-

носгику во всех изученных случаях (таблица 1). Все отобранные дифференциально-диагностические признаки были разделены на две обобщенные группы с учетом различий, в их распределении. Группу А (таблица 2) составили признаки с наиболее существенными различиями распределения в указанных подгруппах (р<0,001), группу Б - с менее выраженными различиями (р<0,01, р<0,05). Разделение признаков на две группы позволило сформулировать решающее правило диагностики, удобное для практического использования не только в компьютерном, но и в ручном варианте. Достижение диагностического порога, величина которого была выбрана эмпирически, указывало на наличе НС (ИМ), остальные случаи расценивались как ССН. Диагностическими (пороговыми) были признаны следующие сочетания: наличие двух признаков группы А, либо -одного признака группы А и трех признаков группы Б,-либо четырех признаков группы Б.

Анализ частот встречаемости парных и тройных сочетаний признаков показал их соответствие распределению частот составляющих их признаков, взятых изолированно. В то же время, характер зависимости признаков друг от друга не соответствовал их частотным характеристикам. Наименьшая зависимость среди различных характеристик болевого синдрома наблюдалась между интенсивностью и частотой болевых приступов (0,72).

Алгоритм выявления признаков (схема 1) составлен в порядке убывания их частотно-информативных характеристик с учетом взаимосвязей между симптомами. Такой подход позволяет эффективно использовать в процессе диагностики не только характеристики отдельных признаков, но и их сочетаний.

При сравнении по'.ученных диагнозов с экспертными заключениями совпадение отмечено в 82% случаев, причем в четырех случаях правильный диагноз нестабильной стенокардии был поставлен в более ранние сроки, тогда как заключение экспертов было позднее пересмотрено с учетом динамики заболевания. Чувствительность метода для нестабильной стенокардии составила 98%, специфичность - 67%, прогностическая ценность - 93%. Для стабильной стенокардии напряжения чувствительность была 67%, специфичность - 98%, прогностическая ценность - Отметим, что при модификации решающего правила с диагностикой нестабильной стенокардии при наличии 3 признаков группы А чувствительность метод^' для обнаружения нестабильной стенокардии снижается до

- и -

Таблица 1

Частоты встречаемости и диагностические веса признаков при НС и ИМ; СС&

1 порядковый 1 частота признака частота признака Р информационная

N признака! при' НС и ИМ при ССН ценность

Г 1 9. | 0,88+0,049 0,13+0,048 <0,001 55,14

Р 7. I 0,81+0,055 0,12+0,045 <0,001 39,21

У 1- 1 0,81+0,055 0,15+0,05 <0,001 33,97

П -ю. | 0,71+0,064 0,12+0,045 <0,001 29,02

П 11. ( 0,60+0,069 0,1210,045 <0,001 21,43

А 8. I 0,58£0,069 0,10+0,042 <0,001 21,43

19. | 0,42+0,069 0,1Е±0,05 <0,01 5,71

1 г. | 0,38+0,068 о;об+о,оз5 <0,001 11,43

17. | 0,38+0,068 •0,19±0,054 <0,05 2,86

13. | 0,35+0,057 0,08+0,039 <0,01 10,0

5. | 0,29-0,064 0,0610,035 <0,01 10,0

Г 4. 1 0,19±0,056 0,06+0,035 >0,05 2,86

Р 18. | 0,17^0,054 0,02±0,026 <0,05 5,71

У 15. | 0,17+0,054 0,04+0,031 <0,05 4,29

П 14. | 0,17±0,054 0,17+0,052 - 1,29

П 12. | 0,13+0,049 0,02+0,026 <0,05 4,29

А 16. | 0,13+0,049 0,04+0,031 >0,05 4,29

6. | 0,10±0,04б 0,04+0,031 >0,05 1,43

г 3. | I 1 0,06±0,044 0,13±0,048 >0,05 ... . . 2,86

Таблица 2

Сравнительная оценка относительной информативности признаков (нумерация признаков в порядке убывания информативностей)

1 порядковый| ! значение признака | относительная информатив-

номер ность по сравнению с дру-

признака | гими признаками

9. г 1 Увеличение длительности болев, приступов! 1

7. Р 1 Увеличение интенсивности болей | 2

1. У | п I Учащение или появление впервые ангиноз- | ных болей | 3

10. П .1 Длительность болевого приступа > 30 мин | 4

11. А [ Ослабление эффективности нитроглицерина | 5-6

8. А I Уменьшение величины физ. нагрузки, вызы-| вающей ангинозный приступ | 5-6

2. Появление болевых приступов в покое | 7

13. г 1 Р 1 Появление или усиление одышки при физ. | нагрузке | 8-9

19. У | п I Появление немотивированного астено-де- | прессивного синдрома | 10

17. п I А | Эпизоды головокружения, помутнения соз- | нания и др. признаки коллапса в момент | приступа | 15

5. Б I 1 Изменение локализации и(или) места ир- | радиации боли | 1 8-9

- 13 -

93,6%, а специфичность повышается до 75%.

Схема 1

Алгоритм анализа дифференциально-диагностических признаков.

Методика оценки алгоритма.

При наличии двух признаков группы А или одного признака группы А и трех признаков группы Б или четырех признаков группы Б устанавливается диагноз НС. При отсутствии указанных комбинаций признаков устанавливается диагноз ССН.

Расхождения составили 18% и были обусловлены, в основном," гипердиагностикой НС, что, на наш взгляд, является оправданным, учитывая высокую вероятность развития Ш и других осложнений при этом состоянии.

Необходимо отметить, что данная подсистема может использоваться как изолированно, так и в качестве второго уровня работы ЭС, состоящей из двух модулей. На первом этапе модуль 1 осуществляет дифференциальную диагностику широкого круга забо-

леваний, которое могут вызывать болевой синдром в грудной клетке и определяет наиболее вероятное заболевание шш группу -заболеваний. После чего, при обнаружении любой из форм стенокардии, второй модуль проводит более тонкую диффренциальную диагностику узкого круга состояний: нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения. Таким образом, осуществляется последовательное сужение поля диагностического поиска и уточнение окончательного диагноза. Кроме того, описанная двухуровневая структура может использоваться для отслеживания динамики течения заболевания. Если в 1-ом модуле содержатся признаки, отражающие состояние пациента во время обследования и позволяющие выяснить природу кардиалгий в данный момент времени, то в модуле 2 признаки носят сравнительный, динамический характер и показывают изменение в состоянии пациента за определенный промежуток времени. Совместное использование обоих модулей позволяет получить комплексную оценку состояния больного, которая складывается из "абсолютных" и сравнительных данных, полученных у одного больного в различные моменты времени. Таким образом, можно более точно определить признаки, характеризующие различные фазы течения заболевания (обострение - ремиссия) и, следовательно, повысить достоверность диагноза и прогноза с учетом индивидуальных особенностей больного.

3. Графический способ представления вероятностей диагнозов.

В разработанной нами подсистеме дифференциальной диагностики нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения применен графический, способ визуализации влияния вводимых признаков на изменение уровня достоверности диагностическим гипотез. Выбрав соответствующий 'вариант ответа пользователь может наблюдать на графике каким образом введенный признак влияет на вероятности различных заболеваний.

Когда дифференциальная диагностика ведется между основными группами заболеваний на дисплее могут высвечиваться графики вероятностей разделяемых групп патологий. Одновременно определяются относительные рейтинги заболеваний, входящих в разделяемые группы. После определения группы-патологий, имеющей наибольший диагностический вес, система продолжает выяснение

признаков, позволяющих разграничить заболевания внутри этой группы. Пользователь может проследить за перемешэнием "центра тяжести" диагностического поиска из межгрушового анализа внутрь группы с наибольшим относительным рейтингом по появлению на дисплее второго графика с вероятностями заболеваний, входящих в эту группу.

Представление рейтингов диагностируемых заболеваний в графическом виде дает возможность врачу в ходе консультации следить как изменяются их вероятности при введении того или иного признака. Дифференциальная диагностика проводится, как правило, с учетом большого количества симптомов и носит вероятностный характер. Использование графического интерфейса дает возможность оценить влияние различных комбинаций признаков на достоверность диагнозов. В ходе консультации на экран выводится график текущего (накопленного) рейтинга каждого из заболеваний. На этот же график наложены линии пороговых уровней: возможный, высоко вероятный, достоверный, что позволяет оценить абсолютную вероятность диагноза в любой момент времени.

Применение графического способа представления вероятностей диагностических гипотез является удобным инструментом и на стадии разработки диагностических систем. Такой подход предоставляет эксперту дополнительные возможности для корректировки точности и полноты вводимой в базу знаний информации, необходимой для построения решающих правил. Введя тот или иной признак и -присвоив ему определенный диагностический вес, эксперт имеет возможность немедленно убедиться в том, насколько этот признак изменил накопленные рейтинги заболеваний и их расположение относительно друг друга.

Представление в виде графиков вероятностей заболеваний применимо также для оценки динамики состояния больного. Появление в процессе наблюдения новых диагностических признаков будет сопровождаться изменением взаимного расположения графиков разделяемых заболеваний.

4. Результаты клинических испытаний ЭС и сравнительная характеристика некоторых стратегий диагностического поиска.

Возможности системной оболочки позволили применить в клинических испытаниях б различных модификаций анализа клиничес-

ких признаков в процессе диагностики. Последовательность опроса и суммирования диагностических весов признаков представлена в таблице 3.

Таблица 3

Последовательности анализа клинических признаков при различных диагностических стратегиях. -

Стратегия Последовательность анализа признаков

I Характерные - частые - объективные тесты - редкие (учет весов) - нехарактерные (учет весов)

II Характерные - частые - редкие - нехарактерные

III • Характерные - нехарактерные - частые - . редкие

IV Нехарактерные - характерные - редкие - частые

V Характерные - нехарактерные

VI Нехарактерные - характерные 1

При использовании 1-ой стратегии диагностического поиска были получены следующее результаты Клинических испытаний. Совпадение диагнозов ЭС и заключительного клинического отмечено в 88,5% случаев. Чувствительность метода для инфаркта миокарда составила 93,3%, специфичность - 96%, прогностическая ценность

- 90,3%, чувствительность для всех форм стенокардии, суммарно, была 95,3%, специфичность - 80%, прогностическая ценность -88,4%. В среднем для этих форм ИБС (инфаркт миокарда + Есе формы стенокардии) чувствительность была 94,3%; специфичность

- прогностическая ценность -89,35%. В сеязй с небольшим количеством случаев других заболеваний в группе обследованных, чувствительность, специфичность и прогностическая ценность для остальных заболеваний не определялись. В группе .расхождений диагнозов Э1 и заключительного клинического (11,5%) наиболее частой причиной была гипердиагностика различных 'форм ИБС (в 11 случаях из 12).

Анализируя данные вентрикулокоронзрогрэфни можно отме-

тить, что в зависимости от наличия атеросклеротического поражения со стенозироваием 50% диаметра сосуда и более в дв^х крупных ветвях левой коронарной артерии (передней нисходящей и огибающей артерии) и правой коронарной артерии пациенты с ИБС разделялись следующим образом. Со сгенозирутащим поражением всех трех артерий было 10,8% больных, с поражением двух артерий - 35,5% больных, с поражением одной артерии - 34,5% больных и без стенозирования сосудов или стенозами, не достигающими 50% просвета артерии - 19,2% больных. Данные о совпадениях и расхождениях диагнозов ЭС и заключительного клинического с учетом выраженности атеросклероза крупных коронарных сосудов представлены в таблице 4. Отметим, что с уменьшением степени стенозирования крупных коронарных артерий количество расхождений диагнозов несколько увеличивалось, однако различия недостоверны по критерию t-Стъюдента (р>0,05) из-за небольшого числа наблюдений.

Сравнительный анализ результатов работы всех 6 модификаций системы был осуществлен на выборочной группе больных, состоявшей из 10 человек, больных со стенокардией напряжения Ш. II-III. Для изучения особенностей дифференциальной диагностики сочетанной патологии были отобраны пациенты, у которых имелись признаки остеохондроза шейно-грудного отдела позвоночника (в фазе ремиссии -7 человек, в фазе обострения - 3 человека).

Таблица 4

Соответствие диагнозов ЭС и заключительного клинического в сопоставлении с данными вентрикулокоронарографии (%)

1 Число крупных артерий со ( стенозами 50% просвета со- | суда и более I 1 1 Совпадение | диагнозов | Расхождение диагнозов

1 3 1 10,8 | -

2 1 " 34,4 | 1,1

1 ! 32,3 | 2,2

0 [ I 17,0 ! I 2,2

Заключения ЭС, полученные после этапа клинического обсле-

дования, при использовании шести вариантов диагностических стратегий совпадали между собой в 98,3% случаев. У одного из . пациентов наблюдалось расхождение между результатами работы стратегии I и II-VI модификациями. Оно было вызвано тем, что в первом варианте клинические признаки с отрицательным весом вы-■ читаются из рейтингов заболеваний после завершения этапа объективных тестов, а во II-IV стратегиях учитываются сразу на этапе клинического обследования.

Окончательное диагностическое заключение 1-У1 модификаций ЭС во всех случаях' совпадало между собой и с заключительным клиническим диагнозом, что говорит об устойчивости использо-

Таблица 5

Количество диагностических гипотез на разных этапах работы и число вопросов в различных модификациях ЭС (средние величины)

1 Стратегии | \ Гипотезы 1 | Гипотезы 2 Вопросы

I | 17 1 12,8 ± 0,49 20,7 ± 1,04

II 1 14,9 ± 0,53 | 9,6 + 0,45 20,7 t 1,04

III | 14,9 ± 0,53 ( 9,6 ± 0,45 20,7 ± 1,04

IV 1 14,9 t 0,53 | 9,6 ± 0,45 20,7+ 1,04

V 1 14,9 t 0,53. | 9,6 ± 0,45 18,2 t 0,98

VI | 14,9 t 0,53 | i 9,6 ± 0,45 18,2 + 0,98 t , . ... ,.

ванного в системе способа представления медицинских знаний при •изменениях порядка анализа диагностических признаков.

Данные о среднем количестве гипотез после завершения этапов клинического'обследования (гипотезы 1) и объективных тес-■ тов (гипотезы 2), а также о количестве задаваемых вопросов при работе всех шести вариантов ЭС представлены в таблице 5.

Рассматривая особенности дифференциальной диагностики при наличии сочетанной патологии: стенокардии напряжения и остеохондроза шейно-грудного отдела позвоночника можно отметить, что во всех использованных модификациях разность рейтингов этих заболеваний была значительной (в среднем 334,05 ± 67',42 у. е.). Эта величина может использоваться в качестве показателя надежности разграничения диагностических гипотез. В данном случае она свидетельствует о том, что при сочетании стенокардии напряжения и остеохондроза шейно-грудного отдела позвоноч-

ника, ЭС во всех использованных модификациях обладае| способностью идентифицировать болевой синдром коронарогенног'о генеза. При использовании стратегии I, этот показатель был несколько меньше, чем при других стратегиях диагностики (249 ± 32,54 у.е. и 343,5 t 59,05 у.е. соответственно), однако выявленные различия не являлись достоверными по критерию 1-Стъ- . юдента (р>0,05). Изменения этого показателя в зависимости от фазы течения остеохондроза (обострение - ремиссия) не отмеча-' лось. -

Клинические испытания и сравнительный анализ модификаций ЭС проводились при одинаковом пороговом уровне.рейтингов выдвижения - исключения диагностических гипотез равном. 0. Диагностические заключения, имеющие положительный рейтинг, включались в список диагностических гипотез, а имеющие нулевой или отрицательный рейтинг - исключались из него.

Список диагностических гипотез при пороге равном 0.'после ' завершения клинического обследования в I варианте системы . включал 100% всех возможных заболеваний, а в остальных вариантах - 87,7%, то есть был достаточно полным. После окончания этапа объективных тестов список гипотез включал соответственно 75,3% и 56,5% диагнозов,

Сравнительный анализ работы вышеперечисленных модификаций системы при пороге равном +300, показал, что в этом случае по сравнению с нулевым порогом, число гипотез пдсле завершения . ■ клинического обследования и количество задаваемых вопросов были достоверно меньше по критерию Ь-Стъюдента (р<0,01) в среднем на 4,1 + 0,69 и 9,2 ±1,58 соответственно. Работа с таким : порогом может проводиться в условиях жесткого лимита времени и при наличии выраженной клинической-симптоматики (скорая по- . мощь, приемное отделение стационара).. .Однако, в случаях стер- • той клинической картины ни один из диагнозов- может не набрать " порогового уровня и,, поэтому, возможности.использования этого варианта для дифференциальной диагностики,стертых, хронических • форм заболеваний ограничена Для разграничения т&ких форм заболеваний целесообразнее использовать, стратегию I с нулевым, пороговым уровнем.

- 20 -вывода

1. Применение разработанной ЭС позволяет добиться дифференциальной диагностики заболеваний, сопровождающихся кардиал-гическим синдромом с чувствительностью и специфичностью для инфаркта миокарда 93,3% и 96%, для всех форм стенокардии соответственно 95,3% и 80%.

2. Двухуровневая структура ЭС с различными способами представления медицинской информации на разных ее уровнях позволяет последовательно сужать поле диагностического поиска, а также отслеживать динамику течения заболевания.

3. Применение разработанного алгоритма и решающего правила клинической дифференциальной диагностики нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения позволяет обнаруживать нестабильную стенокардию с чувствительностью 98% и специфичностью 67%.

4. При повышении порога диагностики нестабильной стенокардии на один признак группы А, в которую входят признаки с наиболее существенными различиями распределения (р<0,001) в двух разделяемых классах заболеваний, чувствительность диагностики нестабильной стенокардии уменьшается на 4,4%, а специфичность увеличивается на 8%.

5. Изменение последовательности, анализа признаков и порога выдвижения-исключения диагностических гипотез в разработанной ЭС оказывает влияние на процесс дифференциальной диагностики посредством изменения количества разделяемых заболеваний.

6. Для оценки надежности разграничения ЭС коронарогенного болевого синдрома от кардиалгий другого генеза при наличии со-четанной патологии может использоваться величина разности рейтингов этих заболеваний.

7. Заключения ЭС при использовании разных диагностических стратегий для распознавания стенокардии напряжения ФН II-III после этапа клинического обследования совпадают между собой в 98,3% случаев, а окончательные заключения - в 100% случаев.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Разработанная SC позволяет добиться достоверной дифференциальной диагностики заболеваний, оопроЕ-ождающихся карднал-

гическим синдромом, на любом из этапов обследования больного. Она может использоваться для консультативной помощи врачам в участковых поликлиниках, приемных отделениях стационаров, на скорой помощи, а также для обучения и тестирования врачей.

2. Работа системы организуется последовательно, в два этапа. На первом-этапе проводится дифференциальная диагностика широкого круга заболеваний, которые могут вызывать кардиалгии. При получении диагноза любой из форм стенокардии, вторым этапом проводится дифференциальная диагностика нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения. В то же время оба модуля системы могут использоваться независимо друг от друга.

3. Применение диагностических стратегий ЭС с относительно меньшим количеством гипотез и более высоким порогом выдвижения -исключения гипотез целесообразно при выраженной клинической симптоматике в условиях жеского лимита времени (скорая помощь, приемные отделения стационаров).

4. Для дифференциальной диагностики стертых хронических форм заболеваний лучше использовать стратегии ЭС с относительно большим числом гипотез и нулевым порогом выдвижения-исключения гипотез.

5. Для отслеживания динамики течения заболевания с помощью разработанной ЭС необходимо провести консультации и сделать запись результатов работы обоих модулей в различные моменты времени у одного пациента. Сравнивая сделанные записи можно уточнить характеристики различных фаз течения заболевания (обострение-ремиссия) и закономерности его развития у данного больного.

6. Для клинической дифференциальной диагностики нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения может использоваться разработанный в настоящем исследовании алгоритм и решающее правило в ручном варианте.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Наумов Л. Б. , Щустерман В. Р., Наумов В. Л Эффективность экспертной системы "ДИСКАД" в распознавании важнейших болезней сердца // Логика и организация диалоговых процессов в интеллектуальных системах. Тезисы-докладов и сообщений к Всесоюзному семинару 27-29 октября 1988 года. - Новосибирск, 1988, - С.

185-189.

2. Коростьшевский М. А. , Щустерман В. Р. , Якобсон И. Р. Опыт разработки консультативных диалоговых систем в медицине // Новые методы диагностики, лечения и профилактики заболеваний. Тезисы докладов второй научно-практической конференции врачей. - Новосибирск, 1990, - С. 341-343.

3. Коростьшевский М. А. , Шустерман В. Р., Якобсон И. Р. Принципы постоения диагностических экспертных систем в области медицины и других.областях с плохо формализованными знаниями / / Интеллектуальные системы и творчество. Тезисы докладов и сообщений к 5 Всесоюзной конференции по проблемам интеллектуальных систем. - Новосибирск, 1990, - С. 168-159.

4. Шустерман В. Р. К вопросу о дифференциальной диагностике нестабильной стенокардии и стабильной стенокардии напряжения // Препринт. - Новосибирск, 1991, 67 с.

5. Трофимов 0. Е., Щустерман В. Р. Рейтинговая экспертная система для дифференциальной диагностики, заболеваний, сопровождающихся кардиалгическим синдромом. // Препринт. - Новосибирск. 1991, 21 с.

6. Щустерман В. Р., Якобсон И. Р. Проектирование медицинских экспертных систем и влияние некоторых факторов на их архитектуру // Проблемы интеллектуального развития организационных систем. Тезисы докладов и сообщений.к VII Всесоюзной конференции. - Новосибирск,. 1991, - С. 108-110.

7. Шустерман В. Р. , Якобсон И. Р. Опыт создания базы знаний дифференциально-диагностической экспертной системы // Проблемы интеллектуального, развития организационных систем. Тезисы докладов и сообщений к VII Всесоюзной конференции. - Новосибирск, 1991, - 0. 110-112.

8. Gusev А. М , Matveev М А. , Murzin А. V. , Trofimov О. Е., Shusterman V.R. Msdical Expert System: • Displaying Probabilities of Diagnoses in Graphics // International Symposium on Visual Analysis and Interface. Theses. Novosibirsk, 1991, - P. 11.