Программно-информационный комплекс для диагностики органичной системы по ее изображению тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Калужский, Сергей Игоревич

• Калужский, Сергей Игоревич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калужский, Сергей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЧНОЙ СИСТЕМЫ (НА ПРИМЕРЕ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СТОПЫ).

1.1. Основные этапы диагностики состояния органичной системы.

1.2. Обзор методов диагностики состояния стопы.

1.2.1. Способы, основанные на регистрации давления.

1.2.2. Способы, основанные на измерении геометрических характеристик стопы.

1.3. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ДИАГНОСТИКИ ОРГАНИЧНОЙ СИСТЕМЫ ПО

ЕЕ ИЗОБРАЖЕНИЮ.

2.1. Описание модели.

2.2. Использование модели для диагностики состояния стопы человека.

2.2.1. Выбор способа первичного описания стопы.

2.2.2. Определение состояния стопы по выбранному способу.

ГЛАВА 3. ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СТОПЫ.

3.1. Структура комплекса.

3.2. Компонент хранения информации об обследуемом.

3.3. Компонент получения информации о стопе.

3.4. Компонент обработки и распознавания изображения стопы.

3.4.1. Повышение контрастности изображения.

3.4.2. Определение состояния стопы.

3.4.3. Определение площади прилегающей поверхности стопы.

3.4.4. Определение высоты свода стопы.

3.5. Компонент формирования индивидуального отчета.

3.5.1 Правила для формирования выходного заключения по стопе.

3.5.2. Формирование выходных заключений.

3.5.3. Пример формирования выходного заключения.

3.6. Компонент формирования группового отчета.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА.

4.1. Условия и необходимые затраты для внедрения программноинформационного комплекса.

4.2. Результаты экспериментальной проверки комплекса.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программно-информационный комплекс для диагностики органичной системы по ее изображению»

Актуальность темы. В различных областях человеческой деятельности (технике, медицине, экономике и т.д.) актуальными задачами являются определение состояния системы, ее характеристик, работоспособности. Такой системой может быть органичная система, в частности, человеческий организм или его часть (медицинская диагностика), техническая система (техническая диагностика) и т.д. При этом характеристики системы, которые определяют ее состояние, можно получить различными способами. Однако часто при диагностике состояния органичных систем информацию о системе можно получить только в виде ее изображения. В этом случае по изображению необходимо получить характеристики системы и только затем анализировать их для определения состояния.

В настоящее время существует достаточно большое количество подходов к распознаванию изображений и выделению характеристик системы. Это системы оптического распознавания печатного и рукописного текста, системы анализа сцен. В последнее время активно разрабатываются программно-информационные средства для поддержки диагностики состояния системы по ее изображению. Большой вклад в определение состояния системы по ее изображению внесли О. И. Потатуркин (дистанционная диагностика природных и технических процессов), В. Г. Бадалян, (автоматизированная диагностика по УЗИ), Л. С. Орбачевский (диагностика по изображению конъюнктивы глаза), Г. Г. Потиханова (диагностика состояния стопы по ее отпечатку) и др.

Однако существующие подходы, модели и методы, используемые для определения состояния системы, заданной своим изображением, плохо применимы для диагностики органичной системы, например, стопы человека. Существующие диагностические комплексы не могут подстраиваться под специфику конкретной группы обследуемых, в результате чего страдает качество диагностики. Поэтому актуальной задачей является разработка моделей и методов и создание на их основе программно-информационного комплекса для диагностики состояния органичной системы, заданной своим изображением, который мог бы обучаться в процессе работы для более точной и эффективной диагностики.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка модели и алгоритмов и реализация их в виде программно-информационного комплекса для диагностики состояния органичной системы по ее изображению на примере определения состояния стопы человека.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих подходов к распознаванию образов и определению состояния системы, заданной своим изображением.

2. Разработать модель отображения системы во множество характеристик и сопоставления найденных характеристик с образами, определяющими состояние системы.

3. Разработать алгоритм уточнения образов состояния системы в процессе обучения.

4. Реализовать предложенные модели и алгоритмы в виде программно-информационного комплекса для диагностики состояния стопы человека и проверить его работоспособность и эффективность при решении практических задач.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теории моделирования, искусственного интеллекта, применялись положения теории объектно-ориентированного проектирования программных систем, теории проектирования реляционных баз данных и компьютерной лингвистики.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту, заключается в следующем:

Предложена модель диагностики состояния органичной системы по ее изображению, позволяющая повысить точность и эффективность диагностики:

1. Предложено первичное описание системы в виде матрицы точек изображения.

2. Предложено множество характеристик системы и разработан алгоритм отображения для их получения.

3. Предложено описание возможных состояний системы в виде образов и разработан алгоритм отображения множества характеристик во множество состояний.

4. Для уточнения настроечных параметров образов разработан статистический алгоритм обучения.

5. На основании предложенной модели диагностики органичной системы и алгоритмов разработан способ определения состояния стопы, на который получен патент.

Практическая ценность работы.

1. На основе предложенной модели и алгоритмов диагностики состояния органичной системы по ее изображению реализован программно-информационный комплекс для диагностики состояния стопы. Реализована аппаратная часть комплекса, представляющая собой планшетный сканер, помещенный в укрепленный корпус, способный выдержать вес человека. Комплекс позволяет проводить массовые обследования состояния стопы человека в школах, поликлиниках, военкоматах, в спортивной медицине и отличается низкой стоимостью, малым временем обследования и высокой достоверностью результатов.

2. Проведено обучение (настройка параметров для распознавания образов) и экспериментальная проверка программно-информационного комплекса. Сформированы основные шаблоны для вывода результатов исследований стопы по различным параметрам, рекомендаций по проведению лечебных мероприятий, гигиенических правил для соблюдения режима рациональной нагрузки на стопу, проведения лечебной физкультуры и массажа.

3. Программно-информационный комплекс зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Реализация результатов работы. Программно-информационный комплекс применялся для обследования состояния стопы студентов Волгоградского государственного медицинского университета (ВолГМУ) и Волгоградской государственной академии физической культуры (ВГАФК). Кроме того, были проведены массовые обследования состояния стопы школьников различных школ города. Всего было обследовано более 2000 человек. Также комплекс использовался в клинической практике в Областной клинической больнице № 1 в детском ортопедическом отделении.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертации докладывались на Международных научно-технических и научно-практических конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004), Всероссийском конкурсе на лучшие научные работы по естественным, техническим наукам (проекты в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам в сфере приоритетных направлений науки и техники (Москва, 2004), УИ-й, УШ-й и 1Х-й Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2002-2004). Работа была представлена на выездной сессии Президиума РАМН (Волгоград, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 97 наименований, и 4 приложений. Работа содержит 117 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 9 таблиц.

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны модель и алгоритмы, на основе которых реализован программно-информационный комплекс для диагностики состояния органичной системы на примере определения состояния стопы человека:

1. Предложено первичное описание системы Г в виде матрицы точек изображения.

2. Предложен набор характеристик X и разработан алгоритм их получения с помощью отображения Т7.

3. Разработано описание возможных состояний системы О и алгоритм отображения 5 множества характеристик в множество состояний.

4. Для получения настроечных параметров образов предложен статистический алгоритм обучения.

5. Предложенная модель и алгоритмы реализованы в виде программно-информационного комплекса для диагностики состояния стопы человека, который показал работоспособность и эффективность в опытной эксплуатации.

6. Комплекс зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.

7. На разработанный способ диагностики состояния стопы человека получен патент № 2253363 от 10 июня 2005 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калужский, Сергей Игоревич, 2005 год

1. Borland С++ Builder Электронный ресурс. // http://www.borland.com/us/products/cbuilder/index.html

2. Dosadi Document scanning and image acquisition tools for developers Электронный ресурс. // http://www.dosadi.com/

3. Extensible Markup Language (XML) Электронный ресурс. // http://xml.coverpages.org/xml.html

4. Matthew Dr., Kaiman E. Podiatric Medicine, Sports Medicine & Foot Orthopedic Электронный ресурс. // http://feetfirst.com

5. Micromak service Motion Analysis Software Электронный ресурс. // http://www.mikromak.com/en/home.htm

6. Soft-полигон (программное обеспечение для медицины). Электронный ресурс. // http://sibmed.ru/soft/lst.php

7. Stereoscopic scanning: 3D in industry and multimedia. Электронный ресурс. // http://www.stereoscopicscanning.de

8. Verhaar J. A. N. Ношение обуви и распространенность плоскостопия. Текст. / Verhaar J. А. N. // Русский медицинский журнал. 1996. - том 3. - №5.

9. Warner J. Fiat-Footed but Not Disabled. Электронный ресурс. // http://mv.webmd.com/content/article/3606.1237

10. Ю.Алексеевская И. А. Диагностические игры в медицинских задачах. Вопросы кибернетики Текст. / Алексеевская И. А., Недоступ А. В. // Задачи медицинской диагностики и прогнозирования с точки зрения врача.- 1988.-№ 112.-С. 128-139.

11. Аппаратная диагностика патологии стоп на плантоскопе. Электронный ресурс. // http://www.stopa.info/plantoscope/

12. Арсеньев С. Извлечение знаний из медицинских баз данных Электронный ресурс. / Арсеньев Сергей // http ://neural. narod.ru/Arsen.htm

13. Бадд Т. Объектно-ориентированное программирование в действии Текст. / Пер. с англ.- СПб: Питер, 1997 464 с.

14. Н.Бенькович Е. С. и др. Практическое моделирование динамических систем Текст. / Е. С. Бенькович, Ю. Б. Колесов, Ю. Б. Сениченков. СПб.: БХВ-Петербург, 2002.- 464 с.

15. Большая медицинская энциклопедия Электронный ресурс. // http://bme.med-lib.ru

16. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++ Текст.: 2-е изд.: Пер. с англ.- М.: «Издательство Бином», СПб: «Невский диалект», 1998.—560 с.

17. Вагин В. Н. Методы извлечения и обобщения информации в больших базах данных Текст. / Федотов А. А., Фомина М. В. // Известия академии наук. Теория и системы управления.- 1999-№ 5 С. 45-49.

18. Виданов А. Все о выборе сканера: устройство сканера. // Электронный ресурс. // http://www.scaner.ru/scanning/ccdscanners.htm

19. Гаврилова Т. А. Извлечение и структурирование знаний для экспертных систем Текст. /Гаврилова Т. А.,Червинская К. Р.— М.: Радио и связь, 1992.

20. Гаврилова Т.А. Базы знаний интеллектуальных систем Текст. / Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб: Питер, 2000 - 384 с.

21. Гейн К. Структурный системный анализ: средства и методы. Текст. / Гейн К., Сарсонт Т.; В 2-х частях.Ч1 / Пер. с англ.; под ред. А. В. Козлинского.-М.: Эйтекс, 1993 188 с.

22. Гиг Дж. Прикладная общая теория систем Текст.; В 2-х книгах- М.: Мир, 1981.

23. Гречин И. В. Приобретение знаний экспертными системами Текст.// Материалы международной научно-технической конференции и молодежной научной конференции «Интеллектуальные САПР».— Таганрог: ТРТУ, 2000.— №2 (16). — С. 66-69.

24. Дворянкин А. М. Искусственный интеллект. Базы знаний и экспертные системы Текст. / А. М. Дворянкин, А. В. Кизим, И. Г. Жукова, М. Б. Сипливая : Учеб. пособие.: Волгоград, гос. техн. ун-т, 2003.— 140 с.

25. Дворянкин А. М. и др. Искусственный интеллект. Моделирование рассуждений и формальные системы: Учеб. пособие Текст. / А. М. Дворянкин, М. Б. Сипливая, И. Г. Жукова — Волгоград: Волгоград, гос. техн. ун-т, 2003.— 140 с.

26. Дворянкин А. М. Методические указания к практическим занятиям по искусственному интеллекту. Текст. / Дворянкин А. М., Заболеева-Зотова А. В. // Часть I.— Волгоград: Волгоград, гос. техн. ун-т, 1997.— 16 с.

27. Дворянкин А. М. Методические указания к практическим занятиям по искусственному интеллекту. Текст. / Дворянкин А. М., Заболеева-Зотова А. В. // Часть И.— Волгоград: Волгоград, гос. техн. ун-т, 1997.— 16 с.

28. Дворянкин А. М., Разработка и применение ЭС принятия проектных решений Текст. / Дворянкин А. М., Бутенко Л. Н.: Метод, указ. к выполнению курсовой работы.— Волгоград: ВолгПИ, 1993 — 22 с.

29. Дейл Роджерсон. Основы СОМ Текст. / Пер. с англ. 2-е изд., испр. и доп.- М.: Издательско-торговый дом «Русская редакция» 2000 - 400 с.

30. Джексон П. Введение в экспертные системы. Текст.: Пер. с. англ.: Уч. пос М.: Издательский дом «Вильяме», 2001- 624с.

31. Дорохов Р. Н., Рыбчинская Л. П. Телосложение спортсмена: методическое пособие Текст. Смоленск, Смоленский государственный институт физической культуры, 1977.

32. Дульская О. Плоскостопие один раз и на всю жизнь. Текст. // АиФ Здоровье. - 2001. -№ 4.

33. Жоха К. К., Александрович В. JI. Плоскостопие. Текст. // Новости лучевой диагностики. 1998. - №2. - с. 12-13.34.3аболеева-Эотова А. В. Введение в системологию Текст.: Учеб. пособ. / ВолгГТУ.— Волгоград: РПК «Политехник», 1999.— 108 с.

34. Зайцев В. М., Лифляндский В. Г., Маринкин В. И. Прикладная медицинская статистика Текст.: учебное пособие. — Санкт-Петербург, ФОЛИАНТ, 2003. 200 с.

35. Иваницкий М. Ф. Анатомия человека Текст. / 3-е изд., дополн. М.: Физкультура и спорт, 1969. - 274 с.

36. Искусственный интеллект: В 3 кн. Кн. 1. Системы общения и экспертные системы: Справочник Текст. / Под ред. Э.В.Попова.- М: Радио и связь, 1990- 464 с.

37. Искусственный интеллект: В 3 кн. Кн. 2. Модели и методы: Справочник Текст. / Под ред. Д. А. Поспелова М: Радио и связь, 1990.- 304 с.

38. Искусственный интеллект: В 3 кн. Кн. 3. Программные и аппаратные средства: Справочник Текст. / Под ред. В.Н.Захарова, В.Ф.Хорошевского.-М: Радио и связь, 1990-464с.

39. Калужский С. И. Автоматизированный комплекс для диагностики плоскостопия Текст. / Калужский С.И., Гавриков К.В., Плешаков И.А. и др. // Информационные технологии в образовании, технике и медицине:

40. Материалы международной конференции. В 3-х т. Т.З / ВолгГТУ. -Волгоград, ВолгГТУ, 2004. с. 204-207.

41. Калужский С.И. Способ оценки морфофункционального состояния стопы Текст. / Гавриков К.В., Перепелкин А.И., Калужский С.И., и др.

42. Медико-биологические и психолого-педагогические аспекты адаптации и социализации человека: Материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции. — Волгоград, Волгоградское научное издательство, 2004. с. 132-133.

43. Кашуба В. А. Биомеханика осанки Текст. — Киев.: Олимпийская литература, 2003. 279 стр.

44. Кашуба В.А., Сергиенко К.Н., Валиков Д.П. Компьютерная диагностика опорно-рессорной функции стопы человека Электронный ресурс. // http://lib.sportedu.ru/books/xxpi/2002nl/pl l-16.htm

45. Кобринский Б. А. Искусственный интеллект и медицина: возможности и перспективы систем, основанных на знаниях Текст. // Новости искусственного интеллекта 2001.- № 4 - С. 44-51.

46. Кобринский Б. А. Искусственный интеллект и медицина: особенности прикладных консультативных систем Текст.// Новости искусственного интеллекта 2002 - № 4 - С. 24-28.

47. Ковешников В. Г. Медицинская антропология Текст. / Ковешников В. Г., Никитюк Б. А. — К.: Здоровье, 1992 г. — 200 с.

48. Компьютерная подометрическая система "Pad Pro". Электронный ресурс. // http://www.stopa.ru/diagnostic.htm

49. Корчевая Т., Кузнецова Н. Этиология плоскостопия Электронный ресурс. // http://www.stopa.info/articles/05/

50. Лечебная физкультура и массаж при плоскостопии / Гавриков К. В., Плешаков И. А., Калужский С. И. и др. Текст. Волгоград, 2004. — 20 с.

51. Лорьер Ж-Л. Системы искусственного интеллекта: Пер. с франц. Текст.— М.: Мир, 1991.— 586с.

52. Луценко Е. В. Интеллектуальные информационные системы Текст.: Учебное пособие для студентов специальности 351400 "Прикладная информатика (по отраслям)". Краснодар: КубГАУ. 2004. - 633 с

53. Люгер, Джордж, Ф. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем Текст., 4-е изд.: Пер. с англ.— М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. — 864 с.

54. Макарова Г.А. Спортивная медицина: Учебник Текст. М.: Советский спорт, 2002.-480 с.

55. Маркс В. О. Ортопедическая диагностика (руководство-справочник). Текст. Мн., Наука и техника, 1978. 512 с.

56. Мартиросов Э. Г. Методы исследования в спортивной антропологии Текст. М. Физкультура и спорт, 1982.

57. Медицинская система ДиаСлед. Опорно-двигательный аппарат, протезирование, диагностика стоп Электронный ресурс. // http://www.diasled.com/

58. Медицинские информационные системы. Экспертные системы и базы знаний Электронный ресурс. // http://intra.rfbr.ru/pub/vestnik/V4 99/1 14.htm

59. Нейлор К. Как построить свою экспертную систему Текст. : Пер. с англ.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-286 с.

60. Нечволодова О.Л., Шугалова А.Б. Новое в рентгенодиагностике поперечного плоскостопия Текст. // Журнал «Вестник травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова», 1996. №2. - С. 48-51.

61. Никитин В. В. Курс лекций по травматологии и ортопедии. Электронный ресурс. //http://www.bsmu.anrb.ru/publ/lec/index.asp?publ=tl5

62. Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта Текст.— М.: Радио и Связь, 1985.

63. Осипов Г. С. Приобретение знаний интеллектуальными системами Текст. .— М.: Наука, 1997.68,Осовский С. Нейронные сети для обработки информации Текст.; Пер. с польского И. Д. Рудинского. — М.: Финансы и статистика, 2002.

64. Очерет А. А. Легкие шаги, или как жить с плоскостопием Текст. — СПб.: Издательство «ДИЛЯ», 2003. — 96 с.

65. Павлухин В. Мануальная терапия своими руками Текст. // ФИС.- 2000.-№3. с. 16-17.

66. Пат. 2253363 Российская Федерация, МПК7 А 61 В. Способ диагностики состояния отделов стопы Текст. / Заявители Гавриков К. В., Плешаков И.А., Калужский С.И., Перепелкин А.И., Андреев Н.В.; опубл. 10.06.05.

67. Поляков А.Ю., Брусенцев В.А. Методы и алгоритмы компьютерной графики в примерах на Visual С++ Текст. СПб.: БХВ - Петербург, 2003. - 560 с.

68. Попов Э.В. Статические и динамические экспертные системы: Учеб. пособие Текст. / Э.В. Попов, И.Б. Фоминых, Е.Б. Кисель, М.Д. Шапот. — М.: Финансы и статистика, 1996.—320с.

69. Попов Э.В. Экспертные системы: Решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ Текст.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987-288с.- (Пробл. искусственного интеллекта).

70. Программа детской ортопедической помощи «Антилопа-ОРТО» Электронный ресурс. // http://www.antilopa.ru

71. Прэтт У. Цифровая обработка изображений Текст. В двух книгах. М.: Мир, 1982.

72. Распознавание образов на ЭВМ Электронный ресурс. // http://ns.ssga.ru/eruditesinfo/ccdandcmos/oes/html/index.html

73. Сабанов В. И., Комина Е. Р. Автоматизированные системы в здравоохранении Текст.: Учебн. пособ. — Волгоград: BMA, 1994.— 55с.

74. Савельев И.В. Курс общей физики Текст. Т.2. Изд. третье, испр. -М.:Наука,1988.

75. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа Текст.: Учеб. пособие.— СПб.: «Изд. дом «Бизнес-пресса», 2000.— 326 с.

76. Таусенд К., Фохт Д. Проектирование и программная реализация экспертных систем на персональных ЭВМ Текст.— М.: Финансы и статистика, 1990.

77. Теоретические основы САПР Текст.: учебник для вузов / В. П. Корячко, В. М. Курейчик, И. П. Норенков. М.: Энергоатомиздат, 1897. - 400 с.

78. Торопова А. Объемное сканирование. Электронный ресурс. // http://propc.dz.ru/sep99/3dscan.htm

79. Убейко В. И. Экспертные системы Текст.— М.: МАИ, 1992.

80. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам Текст.: Пер. с англ.—М.: Мир, 1989.—388 с.

81. Устьянцев В.И., Коломиец A.A., Глоденко А.И. Клинико-рентгенологическая оценка деформации стопы и нижней конечности приврожденной косолапости Текст.// Ортопедия, травматология и протезирование. 1989. - №8. - с. 35 - 39.

82. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. Основы реконструктивной томографии Текст. М.: Мир, 1983. -352 с.

83. Шеметов А. Вопросы сканерные. Электронный ресурс. // http://www.computerinform.ru/inform 12 98/scaner.htm

84. Шикин А. В., Боресков А. В. Компьютерная графика. Полигональные модели Текст. М.: Диалог-МИФИ, 2000. - 464 с.

85. Шуров В.А. Метод исследования биомеханических свойств мягких тканей опорной поверхности стопы Текст. // Ортопедия, травматология и протезирование. 1986. - №12. - с. 32 - 35.

86. Экспертная система медицинской диагностики «Консилиум» Электронный ресурс. // http://www.eksi.kz/consilium/esmd.htm.

87. Экспертные системы. Принципы работы и примеры Текст.: Пер. с. англ./ А. Брукинг, П. Джонс, Ф. Кокс и др.; Под ред. Р. Форсайта.— М.: Радио и связь, 1987.— 224с.

88. Элти Дж., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры Текст.— М.: Пер. с англ.—М.: Финансы и статистика, 1987.— 191 с.