Методология исследования структуры экспертных знаний в слабо формализованных областях медицины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, доктор медицинских наук Карась, Сергей Иосифович

• Карась, Сергей Иосифович
• доктор медицинских наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор медицинских наук Карась, Сергей Иосифович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Исследование экспертных знаний в медицине (обзор литературы).

1.1. Системный анализ и когнитология.

1.2. Типы и свойства знаний.

1.3. Модели представления знаний.

1.4. Основные способы принятия решений.

1.5. Классификации психических заболеваний.

1.6. Системы поддержки решений в психиатрии.

1.7. Информационные технологии и обучение в медицине.

1.8. Необходимость исследования экспертных знаний.

ГЛАВА 2. Методы и материалы.

2.1. Методы извлечения знаний.

2.2. Методы согласования знаний.

2.3. Методы анализа структуры знаний.

2.4. Методы создания программных средств и творческие коллективы

2.5. Характеристика предметной области и проверка эффективности компьютерных приложений.

ГЛАВА 3. Представление структуры медицинских экспертных знаний

3.1. Формализация и представление структуры медицинских экспертных знаний.

3.2. Оценка вариабельности медицинских экспертных знаний.

ГЛАВА 4. Результаты исследования структуры экспертных знаний по психиатрии.

4.1. Доменная структура базы знаний.

4.2. Структура знаний по общей психопатологии.

4.3. Структура знаний по частной психиатрии.

4.4. Типы структур знаний в психиатрии.

ГЛАВА 5. Поддержка обучения и принятия решений в слабо формализованных областях медицины.

5.1. Обучающие и тестирующие компьютерные программы.

5.2. Компьютерные программы поддержки решений.

ГЛАВА 6. Экспертные знания и медицинское образование.

6.1. Методология исследования знаний.

6.2. Доказательные подходы к медицинскому образованию.

6.3 .Уровни знаний и медицинское образование.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология исследования структуры экспертных знаний в слабо формализованных областях медицины»

Актуальность исследования. Глобальность происходящих сегодня информационных перемен очевидна, как и необходимость внедрения новых методических подходов в высшем образовании. Основоположник современной кибернетики Н.Винер вряд ли предполагал такую скорость развития «науки об управления и связи в животном и машине» [Винер Н., 1968]. В связи со стремительной бытовой компьютеризацией, развитием локальных и глобальных электронных сетей, мультимедийных средств обучения происходит существенное изменение форм и содержания высшего медицинского образования, и в первую очередь - его методического обеспечения. Это изменение невозможно без создания методологии исследования самого ценного и самого неясного концепта человеческого бытия - знаний.

При разработке методического обоснования преподавания медицинской дисциплины необходимость такого понятия, как структура знаний, очевидна. Однако, в настоящее время отсутствует научно обоснованная методология разработки компьютерного обеспечения медицинского образования. Без понятия «структура знаний» создание компьютерных обучающих и консультирующих программ становится процессом, основанным исключительно на интуиции разработчиков [Гельфанд И.М., Розенфельд Б.И., Шифрин М.А., 1988; Белкин А.Р., Шумов С.И., 1994; Змитрович А.И., 1997; Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф., 2000]. В каждом отдельном случае разработчики опираются на свои представления о предметной области, в значительной степени не вербализованные и не формализованные.

Моделирование диагностического процесса исключительно важно и для поддержки клинических решений, и для преподавания. В настоящее время происходит глубокое внедрение технологий знаний в преподавание всех медицинских дисциплин. Этот подход особенно необходим при разработке методического обеспечения передачи и контроля знаний в слабо формализованных областях медицины. Данный подход предполагает использование современных телекоммуникационных возможностей, от автоматизированного компьютерного контроля до полностью или частично дистанционного обучения с использованием глобальных и локальных сетей. Исследование неоднородности структур знаний позволит дифференцированно подходить к обучению в разных областях медицины. Научно обоснованная разработка обучающих и контролирующих программ обеспечивает адекватность обучения структуре знаний экспертов. Изложение материала при этом происходит оптимальным и индивидуально ориентированным образом.

Действительно, знания экспертов должны являться основой создания средств обучения, но эти знания должны быть предварительно обработаны в соответствие с методами когнитологии [Литвак Б.Г., 1982; Гаврилова Т.А., Червинская К.Р., 1992; Величковский Б.М., 1996]. Поскольку основным источником знаний в медицине являются эксперты, структура их знаний заслуживает пристального внимания. Выявление структуры экспертных знаний перспективно для преподавания и поддержки деятельности врача во многих областях медицины.

Применение данного подхода в настоящем исследовании продемонстрировано на примере одной из слабо формализованных клинических дисциплин - психиатрии. В психиатрии особенно важно предварительное изучение структуры знаний, как способа формализовать и представить индивидуальные знания, оценить межиндивидуальные различия, как каркаса для последующего наполнения конкретными учебными материалами и разработки оптимальных путей обучения.

Изложенная ситуация определяет необходимость формулировки методологии исследования структуры знаний и разработки инструментов ее поддержки.

Целью исследования является разработка методологических основ и создание инструментов представления и анализа структуры медицинских экспертных знаний в слабо формализованных областях медицины.

Задачи исследования:

1. Разработка способов исследования экспертных знаний, обеспечивающих их представление в виде совокупности элементов знаний, визуализацию и последующее создание структуры знаний.

2. Создание комплекса компьютерных программ, поддерживающего методы исследования структуры медицинских экспертных знаний.

3. Исследование индивидуальных различий структуры знаний экспертов, их сравнение и согласование.

4. Изучение структуры знаний экспертов в слабо формализованных областях медицины на примере психиатрии.

5. Разработка компьютерных приложений для обучения психиатрии и поддержки принятия клинических решений на основе выявленной структуры знаний экспертов, оценка их эффективности.

Научная новизна. Впервые разработаны и внедрены основные положения методологии исследования структуры экспертных знаний в слабо формализованных областях медицины.

Данная методология обеспечивает формализацию, представление и визуализацию структуры знаний путем последовательного использования аналитического и синтетического этапов работы с их элементами.

Применение методов теории графов к экспертным знаниям позволило определить их параметры, провести кластеризацию и поиск иерархических структур. Эти методы реализованы в программном комплексе инженерии знаний и в оболочке для построения экспертных систем, непосредственно использованных в ходе исследования.

Полученные результаты анализа знаний были использованы при разработке обучающих приложений и программ поддержки решений в психиатрии. Предложена точка зрения на изменение знаний студентов в процессе обучения с позиций моделей их представления.

Научно-практическая значимость.

Впервые разработан программный комплекс инженерии знаний "Lynx", который может быть использован для исследования структуры знаний в любых слабо формализованных медицинских предметных областях. Данный комплекс внедрен на кафедре медицинской и биологической кибернетики Сибирского государственного медицинского университета для преподавания курса клинической кибернетики и прошел государственную регистрацию в Российском агентстве по патентам и товарным знакам, свидетельство о регистрации № 2002611433.

Впервые разработана программная оболочка для построения экспертных систем "Promo", которая может быть использована для создания систем, основанных на знаниях в медицинских предметных областях. Программная оболочка внедрена на кафедре медицинской и биологической кибернетики Сибирского государственного медицинского университета для преподавания курса клинической кибернетики и прошла государственную регистрацию в Российском агентстве по патентам и товарным знакам, свидетельство о регистрации № 2002611820.

Впервые созданы обучающая и тестирующая программа "Атлас душевных расстройств" и электронный учебник по общей психопатологии. Оба приложения иллюстрированы видеосюжетами и справочным материалом. "Атлас душевных расстройств" внедрен на кафедре медицинской и биологической кибернетики и психиатрии Сибирского государственного медицинского университета, используются для преподавания курсов клинической кибернетики и психиатрии. "Атлас душевных расстройств" прошел государственную регистрацию в Российском агентстве по патентам и товарным знакам, свидетельство о регистрации №2002611432.

Впервые созданы программа поддержки решений по диагностике душевных расстройств и по фармакотерапии шизофренических расстройств. Обе программы используются врачами-интернами в Томской областной психиатрической больнице и в НИИ психического здоровья ТНЦ СО РАМН, внедрены на кафедре медицинской и биологической кибернетики Сибирского государственного медицинского университета.

Результаты исследования вошли в отчеты по гранту RF-89 Research Support Scheme, Soros Foundation (2000 г) и по гранту RF-1017 Tempus Foundation (2002 г).

Основные положения, выносимые на защиту:

Экспертные знания в слабо формализованных областях медицины могут быть представлены в виде элементов, образующих после соединения ассоциативными связями неориентированный граф. Определение параметров графа и кластеров знаний, поиск иерархически организованных предметных областей являются эффективными инструментами изучения структуры медицинских знаний. Индивидуальные различия структуры знаний ограничены. В большинстве предметных областей психиатрии знания имеют сетевую или кластерно-сетевую структуру. Применение иерархической модели приемлемо при визуализации знаний, но ограничено в их представлении. Выявленная структура экспертных знаний может быть использована для разработки обучающих компьютерных приложений и программ поддержки врачебных решений.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Карась, Сергей Иосифович

1. Разработана методология исследования экспертных знаний, включающая выявление и создание массива основных элементов знаний предметной области, идентификацию структуры знаний и ее анализ. Знания выявляются и формализуются в виде множества информационных элементов разной степени сложности. Структура знаний создается путем установления экспертно оцениваемых ассоциативных связей между основными элементами предметной области. Представление экспертных знаний оптимально в сетевой модели, анализ их структуры проводится с использованием методов теории графов.2. Комплекс программ инженерии знаний, созданный на основе предложенного подхода, обеспечивает формализацию, представление и визуализацию элементов знаний. Исследование структуры знаний включает автоматизированные поиск кластеров информационных элементов, определение их параметров, поиск иерархических структур знаний.3. Индивидуальные знания специалистов сходной квалификации вариабельны в ограниченных пределах по качественным и количественным признакам и могут быть исследованы как объективный феномен. Параметры кластеров знаний характеризуются низкой вариабельностью и могут быть согласованы между несколькими экспертами.4. Знания экспертов в областях «Общая психопатология», «Шизофренические расстройства» и «Непсихотические расстройства» группируются в виде кластеров вокруг исторически сложившихся основных синдромов. При уменьшении силы связей наблюдается переход от базовых понятий психопатологии к симптомам и теориям распространенности психических расстройств в качестве центров кластеров. Знания в большинстве предметных областей психиатрии имеют сетевую структуру.5. На основе предложенного подхода разработана обучающая программа по психиатрии, включающая тестирование знаний врачей при предъявлении 'разнообразных образцов творчества душевнобольных и видеозаписей интервью с ними. Создан электронный гипермедийный учебник по общей психопатологии с видеоиллюстрациями психических расстройств и тестовыми заданиями. После обучения с использованием программных средств результаты тестирования студентов улучшаются на 25 % (р<0,01).6. Разработана оболочка для создания экспертных систем в продукционной модели представления знаний. На ее основе создана программа поддержки решений по диагностике психических расстройств на основе классификации МКБ-10. В сетевой модели представления знаний создана программа по фармакотерапии шизофренических расстройств.Согласованность заключений программы и терапевтических решений психиатров составила 83% (р<0,001).ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Методологию исследования структуры экспертных знаний рекомендуется использовать на предварительном этапе разработки методического обеспечения преподавания в любых медицинских предметных областях. Совокупность методов анализа поддерживается программным комплексом инженерии знаний. Комплекс применяется для демонстрации способов обработки экспертных знаний.2. Сетевая модель рекомендуется для использования при разработке обучающих и контролирующих программ как наиболее общий способ представления знаний. При этом должна производиться проверка на наличие иерархических структур и кластеров элементов знаний.3. Программная оболочка рекомендуется для использования при создании медицинских экспертных систем в продукционной модели знаний.На ее основе разработана программа поддержки диагностических решений в области психиатрии, которую рекомендуется использовать для студентов всех факультетов медицинских ВУЗ'ов и врачей.4. Обучающую программу по психиатрии, электронный учебник по общей психопатологии и консультирующую программу по фармакотерапии шизофренических расстройств рекомендуется использовать для обучения и проверки знаний по психиатрии студентов всех факультетов медицинских ВУЗ'ов и врачей.

Список литературы диссертационного исследования доктор медицинских наук Карась, Сергей Иосифович, 2004 год

1. Алло- и эутопсихическая дезориентировка

2. Фрагментарность мышления, выражающаяся в изменении речи (разяре.экио.ст*.

3. Полная или частичная аниеэця болезненного периода

4. Возникающие в результате хромосомных аномалий2 Наследственные формы

5. Смешанные по этиологии (эндогенно-экзогенные) формы

6. Озарецковекий Д С Наййэчивыв состояния М , 195D

7. Пантелеева Г П , Цуцульковская М Я , Беляво Б С Гебоидния шизофрения М 1386

8. Пападопулос Т.Ф Острые эндогенные психозы М . 1975

9. Психология эмоций Под редакцией В К Зимоиаса. Ю Б Гипперейтер. М . 1993

10. Рэавский К С Фармакология нейролептиков М . 1976

11. Райский В А Психотропные средства в клинике внутренних болезней М 1988

12. Рекомендуемая литература и методические пособия

13. Роговин AT Проблемы теории памяти М. 1977

14. Руководство по психиатрии (в двух томах) под редакцией А В Снежнееского М . 1983

15. Руководство по психиатрии Под ред Г В Морозова М ,1988

16. СмулевичА.Б Малопрогредиентная шизофрения и пограничные состояния М ,1987

17. Смулевич А Б . Щкрина М Г Проблема паранойи М .1972

18. Справочник по псикиатрии Под ред А В Снежнееского М ,1985

19. Темкое И , Киров К Клиническая психофармакология М , 1971

20. Точение и неходы шизофрении б позднем возрасте Под ред Э Я Штернберга М 1981

21. ТиганоеАС Маниакальный синдром fi БМЭ М . 19ВО Т13, - С 1210-1213

22. ТиганоеАС Фебрильная шизофрения М ,1982

23. Фармакотерапеетические основы реабилитации психически больных М 1989

24. Фуллер Торри Э Шизофрения СПб, 1996

25. Целибеев Б А Психические нарушения при соматических заболеваниях М ,1972

26. Шабанов Л Д, Бородкин Ю С Нарушение памяти и им коррекция Л .1989

27. Шаманина В М Депрессивные синдромы М , 1977

28. Шизофренический дефект Диагностика, патогенез лечение СПб. 1991

29. Шизофрения Под ред A S Снежнееского М .1972