Применение искусственных нейронных сетей в оценке риска развития клинических проявлений атеросклероза у работников, занятых во вредных условиях труда: на примере нефтеперерабатывающих производств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 14.02.04, кандидат биологических наук Юсупов, Андрей Николаевич

  • Юсупов, Андрей Николаевич
  • кандидат биологических науккандидат биологических наук
  • 2012, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ14.02.04
  • Количество страниц 150
Юсупов, Андрей Николаевич. Применение искусственных нейронных сетей в оценке риска развития клинических проявлений атеросклероза у работников, занятых во вредных условиях труда: на примере нефтеперерабатывающих производств: дис. кандидат биологических наук: 14.02.04 - Медицина труда. Санкт-Петербург. 2012. 150 с.

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Юсупов, Андрей Николаевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ ДАННЫХ МЕДИЦИНСКИХ ОБСЛЕДОВАНИЙ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

ЛИТЕРАТРЫ.

1Л. Статистические данные о сердечнососудистой патологии у работников нефтеперерабатывающих производств.

1.2. Медицинская статусметрия в оценке риска развития клинических проявлений атеросклероза.

1.3. Применение искусственных нейронных сетей в медицине.

1.4. Методологические аспекты применения ИНС в оценке риска.

1.5. Генетические методы.

1.6. Критерий качества обучения ИНС.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Медицина труда», 14.02.04 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение искусственных нейронных сетей в оценке риска развития клинических проявлений атеросклероза у работников, занятых во вредных условиях труда: на примере нефтеперерабатывающих производств»

Охрана здоровья работающего населения является одной из приоритетных составляющих социальной деятельности любого государства. Особое значение это имеет для современной России, поскольку ограниченные ресурсы трудового потенциала могут в недалекой перспективе создать проблемы в обеспечении национальной безопасности страны. Сложившаяся ситуация переводит сохранение здоровья работающих из задачи, по преимуществу социальной, в задачу политическую, причем первостепенной важности. Успешное ее решение сопряжено не в последнюю очередь с необходимостью осуществления фундаментальных и прикладных научных изысканий в области медицины труда. И не случайно планом научных работ учреждений Российской академии медицинских наук на 2010 - 2011 годы предусмотрено «Установление общих закономерностей и механизмов влияния факторов производственной среды и трудового процесса на здоровье работающих».

Одним из ключевых направлений формирования научных основ профилактики производственно обусловленных заболеваний справедливо признается совершенствование методологии оценки производственного риска (Измеров Н.Ф., Каспаров A.A., 2002, Измеров Н.Ф., 2005; Шаяхметов С.Ф., Дьякович М.П., 2007; Денисов Э.И., Чесалин П.В., 2007 ). Важно при этом подчеркнуть, что внедрение в медицину труда современных принципов и технологий получения количественных характеристик профессионального риска дает возможность прогнозирования и оценки индивидуального риска и тем самым поднимает эффективность проводимых профилактических мероприятий на качественно иной уровень.

В течение 20 лет наш научный коллектив осуществляет мониторинг состояния здоровья персонала одного из крупнейших отечественных нефтехимических предприятий - Нефтеперерабатывающего завода «Кириши-нефтеоргсинтез», расположенного в г. Кириши Ленинградской области. В процессе многолетних исследований установлен целый ряд научных фактов и, в частности, приоритет раннего развития сердечнососудистой патологии атерогенной природы у работников завода (Бовтюшко В.Г., 1996, Иванов A.A., 2007, и др.).

Учитывая длительный латентный период развития атеросклероза, особую актуальность для рациональной и эффективной профилактики клинических проявлений атеросклероза приобретают методы ранней диагностики этой болезни [48].

Целью многих исследований в данной области является установление взаимосвязи патологии с величинами различных биохимических и физиологических показателей. В частности, в работах Г.И. Разоренова и Г.А. Поддубского (1985) был представлен метод медицинской статусметрии, который успешно применялся при решении ряда задач диагностического и прогностического характера. В основе медицинской статусметрии заложена линейная дискриминантная модель Фишера, параметры которой определяются по данным клинических, инструментальных и лабораторных исследований, в двух обучающих альтернативных выборках: «больных» и «здоровых» [65].

В 1996 году В.Г. Бовтюшко в докторской диссертации показал эффективность практического применения статусметрии при решении задачи диагностики доклинических стадий заболеваний сердечнососудистой системы атерогенной природы у работников нефтехимических производств. Одним из важных результатов этой и последующих работ стало выявление динамики взаимосвязей биохимических и гемодинамических показателей при развитии атеросклероза. Установленные зависимости позволили расширить перечень диагностических показателей, традиционно используемых при оценке риска, что повысило информативность и устойчивость полученных результатов, по сравнению с наиболее распространенными экспертными методами. Индивидуальная количественная оценка состояния здоровья, предложенная В.Г. Бовтюшко, получила название «риска развития клинических проявлений атеросклероза» и определялась как условная частота клинических проявлений атеросклероза, соответствующая заданному сочетанию показателей лабораторных и клинических обследований.

Дальнейшие исследования, связанные с доклинической диагностикой сердечнососудистой патологии, были направлены на усовершенствование алгоритмов расчета риска. В основе метода по-прежнему оставался линейный дискриминантный анализ Фишера, но исходные данные предварительно обрабатывались методом главных компонент [29]. Этот метод осуществляет линейное преобразование пространства исходных показателей в факторное пространство с меньшей размерностью и линейно независимыми компонентами. При этом осуществляется переход от широкого набора исходных показателей к ограниченному числу статистически независимых интегральных показателей, что значительно повышает надежность оценок с минимальной потерей информативности. На основе этого подхода была создана и внедрена автоматизированная экспертная система доклинической диагностики сердечнососудистой патологии атерогенной этиологии, которая применяется в рамках программы мониторинга здоровья работников нефтеперерабатывающего предприятия «Киришинефтеоргсинтез». Один из основных элементов мониторинга — выявление лиц с повышенным риском развития сердечнососудистых заболеваний среди тех, у кого отсутствуют явные клинические признаки патологии. Опыт использования этой системы подтвердил эффективность применения оценки риска в целях своевременной первичной профилактики сердечнососудистых заболеваний атерогенной природы. Одновременно был выявлен и ряд недостатков используемой системы, проявляющихся в значимом искажении оценки риска для лиц, показатели которых имели значения, далеко отстоящие от основной массы наблюдений. Анализ проблемы практического применения статусметрии свидетельствует, что ее «слабое звено» заключается в несоответствии исходных данных некоторым важным требованиям и допущениям линейного дискриминантного анализа. Недостаточная эффективность применяемого метода, новые данные популяционных исследований, а также современные сведения об эпидемиологии и патогенезе атеросклероза побудили нас к поиску иного подхода к определению величины риска.

В основу нового подхода, повышающего эффективность практического применения метода индивидуальной оценки риска, заложен математический аппарат, так называемых, искусственных нейронных сетей (ИНС). ИНС - это математический аппарат, основанный на аналогии с биологическими нейронными сетями. Методы, использующие ИНС, называют нейросетевыми. Как будет показано в данной работе, ИНС способны обобщать эмпирические данные, выявлять и воспроизводить скрытые в этих данных закономерности. Эти достоинства нейросетевого подхода позволили рассматривать его как наиболее приемлемую альтернативу применяемым ранее классическим статистическим методам. В данной работе представлена разработка и реализация нейросетевого алгоритма, позволяющего усовершенствовать метод медицинской статусметрии.

Целью настоящей работы является совершенствование системы оценки индивидуального риска развития клинических проявлений атеросклероза, у работников занятых во вредных условиях труда, путем использования математического аппарата искусственных нейронных сетей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

Исследовать современные подходы к анализу данных медицинских обследований и выявить основные причины недостаточной информативности и устойчивости оценки риска развития клинических проявлений атеросклероза при применении линейного дискриминантного анализа по данным отечественной и зарубежной литературы.

Теоретически обосновать возможность применения и разработать математический аппарат нейросетевой оценки риска развития клинических проявлений атеросклероза.

Разработать алгоритм автоматизированного синтеза нейросетевой системы оценки риска.

Оценить эффективность нейросетевого метода оценки риска развития клинических проявлений атеросклероза на основе сравнительного анализа результатов многолетнего мониторинга состояния здоровья работников нефтеперерабатывающих производств.

Оценить распространенность заболеваний системы кровообращения в современных производствах нефтепереработки с учетом характера и условий труда работников.

Научная новизна исследования состоит в том, что представленный в работе подход к оценке риска развития клинических проявлений атеросклероза у работников нефтехимических производств не имеет опубликованных аналогов. Впервые ИНС рассматривается в качестве математического аппарата, воспроизводящего условную функцию частоты на основании альтернативных обучающих выборок. Установлено, что высокая чувствительность нейросетевого метода к изменению взаимосвязей показателей функциональных систем организма позволяет отследить систематический рост величины риска, спрогнозировать развитие патологии, принять своевременные профилактические и лечебные мероприятия; последующий анализ динамики риска позволяет также оценить эффективность принятых мер, и, при необходимости, скорректировать профилактику и лечение доклинического атеросклероза.

Теоретическая значимость исследования состоит в аналитическом обосновании алгоритма самоорганизации ИНС, обеспечивающего нейросетевую реализацию условной функции частоты заболеваемости на множестве значений показателей, которые могут иметь произвольную природу.

В работе показана универсальность предлагаемого подхода к обработке многомерных статистических данных. Эти свойства разработанного алгоритма позволяют использовать его для решения широкого круга медицинских и биологических задач, в том числе для выявления производственных факторов, вызывающих раннее развитие атеросклероза, до начала фактического роста производственно-обусловленной сердечнососудистой заболеваемости.

Практическая значимость исследования заключается в разработке унифицированного комплекса программных и вычислительных средств, реализующих нейросетевой алгоритм оценки риска развития клинических проявлений атеросклероза, и внедрении нейросетевой оценки риска в систему мониторинга здоровья персонала нефтеперерабатывающего производства «Киришинефтеоргсинтез». Благодаря высокой информативной емкости искусственной нейронной сети и ее обобщающим способностям, разработанный метод оценки риска развития атеросклероза в значительной степени повышает эффективность мониторинга состояния здоровья работников нефтеперерабатывающих предприятий и позволяет решить главную задачу профилактики атеросклероза, а, именно, не «пропустить» лиц молодого возраста с высокой активностью атеросклеротических процессов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Использовавшийся ранее в расчете риска линейный дискриминантный анализ Фишера дает недостаточно информативные и недостаточно устойчивые результаты, что происходит вследствие неполного соответствия данных лабораторных и врачебных исследований его требованиям.

2. Математический аппарат искусственных нейронных сетей - наиболее приемлемая альтернатива модели Фишера для оценки риска развития атеросклероза по данным врачебных, инструментальных и лабораторных исследований.

3. Предложенный метод обучения искусственных нейронных сетей повышает эффективность мониторинга состояния здоровья работников, занятых во вредных условиях труда, и позволяет решить главную задачу профилактики атеросклероза, а, именно, не «пропустить» лиц молодого возраста с высокой активностью атеросклеротических процессов.

Цели и материалы исследования докладывались на ежегодной Школе кардиологов Ленинградской области, г. Кириши, 26-27 октября 2006 г.; на второй Всероссийской научно-практической конференции «Терапевтические проблемы пожилого человека» (к 50-летию возрождения Российского научного медицинского общества терапевтов), Санкт-Петербург, 23-25 октября 2008 г.; на научно-практической конференции «Современные подходы к диагностике сердечнососудистых заболеваний» (к 70-летию кафедры ВМГТ ВМедА), Санкт-Петербург, 29-30 апреля 2010 г.; а также на совещаниях научно-исследовательской лаборатории лекарственной и экологической токсикологии НИЦ ВМедА.

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендуемых ВАК; получен 1 патент на изобретение.

Полученные научные данные используются при организации медицинского обеспечения работников предприятия «Киришинефтеоргсинтез», а также в учебном процессе Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени им. Д.Ф. Устинова.

Диссертация изложена на 150 странице машинописного текста. Она содержит: введение; обзор литературы; описание материалов и методов исследования; главы, описывающие собственные результаты исследований; обсуждение полученных результатов; заключительные разделы, содержащие выводы, и список использованной литературы, включающий 123 источника, в том числе 76 отечественных и 47 иностранных авторов. Работа содержит 40 рисунков и 16 таблиц.

Похожие диссертационные работы по специальности «Медицина труда», 14.02.04 шифр ВАК

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.