На правах рукописи

ГОРДЕЕВА Екатерина Геннадьевна

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ

ПРОЦЕССАМИ ДИАГНОСТИКИ И ЛЕЧЕНИЯ ОРТОДОНТИЧЕСКИХ

ПАТОЛОГИЙ НА ОСНОВЕ МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНОГО

И ИМИТАЦИОННОГО ПОДХОДА

Специальность: 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск – 2014

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный тех­ нический университет» на кафедре системного анализа и управления в меди­ цинских системах доктор технических наук, профессор

Научный руководитель Коровин Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: Работкина Ольга Евгеньевна, доктор технических наук, доцент Воронежский институт государственной противопожарной службы МЧС России, профессор кафедры гражданской защиты Стародубцева Лилия Викторовна, кандидат технических наук Юго­Западный государственный университет, г. Курск, доцент кафедры биомедицинской инженерии Белгородский государственный

Ведущая организация национальный исследовательский университет», г. Белгород

Защита состоится «30» сентября 2014 г. в 14.00 часов в конференц­зале на заседании диссертационного совета Д 212.105.08 при Юго­Западном государ­ ственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Юго­ Западного государственного университета www.swsu.ru.

Автореферат разослан « » _ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105. д­р мед. наук, профессор Снопков В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Распространенность аномалий прикуса в различных регионах Российской Федерации в соответствии с данными исследова­ телей находится в пределах от 63% до 77%. В соответствии с литературными дан­ ными наблюдается отсутствие тенденции к уменьшению аномалий прикуса на протяжении последних лет (Манин А.И., Ретинская М.В., Тачиева В.Л., Мальсагов О.М., Мастерова И.В.). Это обусловлено действием устойчивых патогенетических механизмов в формировании зубочелюстных аномалий, а так­ же факторами генетического характера и ухудшением здоровья женщин и детей.

Все вышеперечисленные причины удерживают стабильно высокий уровень рас­ пространенности зубочелюстных аномалий (Мишутина О.Л.).

Аномалии зубочелюстной системы могут вызвать у пациентов следующие проблемы: 1) психосоциальные ­ обусловленные ухудшением челюстно­лицевой эстетики; 2) функциональные, связанные с нарушениями челюстей, височно­ нижнечелюстных суставов, проблемами в речи, а также в процессах жевания и глотания; 3) увеличение подверженности травмам, выраженным заболеваниям па­ родонта, нарушение зубов, вызванное аномалиями окклюзии.

Таким образом, решение проблем диагностики и лечения аномалий прикуса является значимой и актуальной задачей современной ортодонтии.

Особая сложность диагностики и прогнозирования исхода лечения анома­ лий зубочелюстной системы связана с условиями расположения и смещения зуб­ ных рядов, а также трудностью дифференциации скелетных и зубоальвеолярных аномалий. Таким образом, необходимой процедурой для диагностики ортодонти­ ческих патологий является процесс отбора значимых признаков. Это связано с тем, что для решения задачи классификации должны использоваться сведения, несущие полезную информацию. Диагностика ортодонтических патологий стро­ ится на большом количестве различных признаков, в связи с чем встает вопрос о применении математических методов для обработки данных, что может значи­ тельно ускорить процесс постановки диагноза и выбора тактики лечения. Все это обуславливает необходимость поиска новых способов решения данной проблемы.

Степень разработанности темы исследования. В течение многих лет врачами­ортодонтами разрабатывались различные способы изучения лиц пациен­ тов и гипсовых моделей челюстей. Недостатками этих исследований являются:

значительная длительность процедуры, а также высокая вероятность возникнове­ ния ошибок из­за погрешности измерений. В процессе развития ортодонтии пред­ принимались многократные попытки усовершенствовать методы диагностики зу­ бочелюстных аномалий. В частности, были разработаны шаблоны для определе­ ния формы зубных рядов пациентов, математические модели для определения аномалий зубных дуг. В данном случае временные затраты врача существенно со­ кращались, а также повышалась точность постановки диагноза.

Следовательно, актуальной научно­технической задачей диссертационной работы является интеллектуализация процессов диагностики и выбора стратегии лечения ортодонтических патологий на основе математических методов, алгорит­ мов и применения современных информационных и компьютерных технологий, позволяющих существенно повысить качество лечебно­диагностического процес­ са за счет многовариантного анализа клинической информации.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с основным научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический уни­ верситет» «Вычислительные комплексы и проблемно­ориентированные системы управления» при выполнении НИР ГБ 2010.27 «Моделирование и управление процессами в здравоохранении».

Объект исследования. Пациенты, нуждающиеся в диагностике и лечении ортодонтических патологий.

Предмет исследования. Методы, модели и алгоритмы диагностики и лече­ ния ортодонтических патологий.

Цель диссертационной работы - разработка методов, алгоритмов и моде­ лей, повышающих эффективность процесса принятия решений при диагностике и выборе стратегии лечения ортодонтических патологий.

В процессе исследования были поставлены следующие задачи, решение ко­ торых требуется для достижения поставленной цели:

­ провести выбор наиболее значимых признаков для выявления орто­ донтических патологий и оценить состояние зубочелюстной системы на основа­ нии минимального перечня ортодонтических показателей, имеющих наибольшую информативность;

­ сформировать систему решающих правил дифференциации аномалий зубочелюстной системы на основе построения дерева решений;

­ разработать нейросетевую модель выбора индивидуального ортодон­ тического лечения на основе исходных клинических признаков;

­ построить алгоритм выбора стратегии лечения ортодонтических пато­ логий с учетом динамики показателей на основе статистического моделирования и адаптивного подхода;

­ спроектировать на основе сетей Петри сетевую имитационную модель для принятия решений при планировании диагностического и лечебного процес­ сов ортодонтических патологий;

­ создать автоматизированную систему моделирования и управления диагностическими процессами, обеспечивающую выбор стратегии ортодонтиче­ ского лечения аномалий зубочелюстной системы, и провести ее клиническую апробацию.

Научная новизна. Результатами диссертационной работы стали следую­ щие научные положения, отличающиеся новизной и выносимые на защиту:

­ метод выбора наиболее значимых диагностических признаков ортодонти­ ческих патологий, отличающийся использованием относительного весового оце­ нивания и решающих правил, полученных при построении дерева решений с уче­ том ортодонтических индексов, и используемый для постановки диагноза анома­ лий зубочелюстной системы;

­ математическая модель постановки диагноза «ортодонтические патоло­ гии» на основе дискриминантного анализа, позволяющая учитывать выражен­ ность признаков заболевания;

­метод выбора ортодонтического лечения аномалий зубочелюстной системы с учетом индивидуальных особенностей больных, базирующийся на основе нейросетевого моделирования и позволяющий оценивать результативность орто­ донтических процедур на основе расчета статистических вероятностных критери­ ев;

­ адаптивный алгоритм процесса лечения ортодонтических патологий, поз­ воляющий оптимизировать параметры использования лечебных аппаратов, опи­ раясь на динамику изменения ортодонтических показателей (индексов);

­сетевая имитационная модель, позволяющая принимать оптимальные ре­ шения при планировании диагностического и лечебного процесса ортодонтиче­ ских патологий и включающая следующие этапы: сбор и проведение анализа клинических данных, функциональных и рентгенологических признаков заболе­ вания, и анализ динамики ортодонтических показателей для принятия решения о лечении в соответствии с адаптивным алгоритмом;

­автоматизированная система, базирующаяся на совокупности методов, мо­ делей и алгоритмов управления процессами диагностики и лечения аномалий зу­ бочелюстной системы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны моде­ ли, алгоритмы и программное обеспечение управления процессами диагностики и лечения зубочелюстных аномалий, позволяющие повысить эффективность диа­ гностического и лечебного процессов за счет расчета ортодонтических индексов и индивидуального подхода к выбору вида и объема ортодонтического воздействия при лечении аномалий зубочелюстной системы.

Применение предложенных в диссертации разработок позволяет сократить риск возникновения осложнений различной степени тяжести при коррекции зубо­ челюстных аномалий, оценить масштаб проведения ортодонтического лечения и повысить качество оказания медицинских услуг.

Практическое значение работы определяется возможностью применения результатов исследования при построении интеллектуальной системы поддержки принятия решений врача­ортодонта. Результатом работы является автоматизиро­ ванная система диагностики и выбора методов лечения ортодонтических патологий, которая внедрена в стоматологическую клинику Воронежской государственной ме­ дицинской академии им. Н.Н. Бурденко. Материалы диссертационной работы ис­ пользуются в образовательном процессе кафедры САУМС (Системный анализ и управление в медицинских системах) ФГБОУ ВПО «Воронежский государствен­ ный технический университет».

Методы исследования. В работе использовались методы экспертного оцени­ вания, системного анализа, имитационного моделирования, статистической обра­ ботки данных, нейросетевого моделирования и адаптивные алгоритмы. При разра­ ботке моделей в качестве инструментария использовалась среда Statistica 6.1.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Алгоритмы дифферен­ циации аномалий зубочелюстной системы, которые используются для оценки со­ стояния зубочелюстного аппарата и принятия решений по выбору стратегии лече­ ния ортодонтических патологий. 2. Статистические вероятностные критерии поз­ воляют спрогнозировать эффективность исхода лечения зубочелюстных аномалий в зависимости от использования различных ортодонтических аппаратов. 3. Ма­ тематические модели и адаптивные алгоритмы, разработанные в соответствии с учетом индивидуальных показателей пациентов, позволяют повысить результа­ тивность лечения ортодонтических патологий.

Личный вклад автора. В диссертации приведены результаты исследова­ ний, выполненных лично автором или при его непосредственном участии.

Степень достоверности и апробации результатов работы. Результаты ис­ следования показали их воспроизводимость в различных условиях, соответствие принципам принятия управленческих решений и имитационного моделирования, а также аналогичным результатам, полученным другими исследователями. Мето­ ды и алгоритмы управления процессами диагностики и лечения ортодонтических патологий разработаны на основе многоальтернативного и имитационного под­ хода и согласуются с ранее опубликованными экспериментальными данными по теме диссертационной работы.

Научные результаты и основные положения диссертации были представле­ ны, обсуждены и получили положительную оценку на нижеперечисленных науч­ ных конференциях: Всероссийской научной конференции «Интеллектуальные ин­ формационные системы» (Воронеж, 2011­2012); VII Научно­практической конфе­ ренции МБУЗ ГО г. Воронеж ГКБСМП №10 (Воронеж, 2013); XXVI международ­ ной научно­технической конференции (Курск, 2013); научной конференции, по­ священной 25­летию кафедры медицинской и биологической кибернетики (Томск, 2013), III Всероссийской молодежной школе­семинаре «Инновации и перспективы медицинских информационных систем» ИПМИС­2013 (Таганрог, 2013); научно­ тематическом семинаре кафедры «Системный анализ и управление в медицинских системах» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический универси­ тет» (Воронеж, 2011­2014).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 научных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя вве­ дение, четыре главы с выводами, заключение, приложения и литературный список из 131 источника. Работа приведена на 145 страницах, включает 49 рисунков и таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении доказывается актуальность диссертационной работы, ставятся цель и задачи научного исследования, приведены основные положения, определе­ на практическая значимость исследования, представлена информация об апроба­ ции и внедрении результатов исследования.

В первой главе сформулировано общее состояние проблемы ортодонтиче­ ских патологий, в частности аномалий прикуса, их классификация и факторы рис­ ка. Проанализированы современные методы диагностики зубочелюстных анома­ лий, выявлены «минусы» существующих способов определения рассматриваемой патологии. В качестве основного метода диагностики изучается использование ортодонтических индексов в роли показателей, позволяющих дифференцировать тип зубочелюстной аномалии и определить степень ее выраженности, отмечаются его отличительные особенности и достоинства по сравнению с ранее применяе­ мыми методами ортодонтической диагностики.

Выделяются особенности и достоинства ортодонтических методов лечения аномалий зубочелюстной системы. Анализируются современные методики орто­ донтического лечения аномалий зубочелюстной системы.

Во второй главе проведена оценка значимости клинических и ортодонти­ ческих признаков аномалий зубочелюстной системы, исследование значимости ортодонтических индексов в диагностике зубочелюстных аномалий, а также раз­ работка математических моделей процесса постановки диагноза. Для выбора наиболее значимых диагностических признаков ортодонтических патологий был проведен анализ литературы и историй болезни пациентов стоматологической клиники Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н. Бурден­ ко, а также сбор экспертных мнений касательно наиболее важных признаков за­ болевания. Были выбраны 43 признака в 6 группах: анамнез, жалобы, клиническое исследования, биометрическое исследование, рентгенологическое исследование, функциональные исследования.

Для определения наиболее значимых признаков был проведен опрос экс­ пертов и обработка результатов с помощью метода относительного весового оце­ нивания.

При относительном весовом оценивании каждому признаку в зависимости от значимости в процессе диагностики присваиваются определенные ранги.

Затем вычисляется матрица весовых оценок:

где rmax­ самый высокий ранг (наименее значимый для диагностики признак), ко­ торый поставят эксперты; rij – ранг, поставленный экспертом определенному при­ знаку; i 1, n, j 1, m ; n­количество признаков (n=43), m­количество экспертов (m=8).

В итоге этих вычислений получим расчетную матрицу R=| Sij |.

Для каждого признака подсчитывается сумма оценочных рангов:

Далее для каждого признака рассчитывается относительный вес (таблица 1):

Выбор значимых диагностических признаков на основе относительного Х12 Разрушение проксимальных поверхностей коронок Х11 Длина верхнего отрезка зубного ряда в области пер­ 0, Х13 Длина нижнего отрезка зубного ряда в области первых 0, Х1 Cумма поперечных размеров 4­х верхних резцов (мм) 0, Х17 Нарушение миодинамического равновесия мышц 0, На основе выбранных значимых признаков было построено дерево реше­ ний, позволяющее провести дифференциацию аномалий зубочелюстной системы у пациента (рисунок 1).

Для проверки достоверности постановки диагноза на основе дерева реше­ ния была протестирована контрольная выборка пациентов (45 человек). В итоге получили, что ошибка постановки диагноза составила 8,9%, а достоверность, в свою очередь, 91,1%.

В случаях неподтвержденного диагноза при наличии сочетанных признаков применяется дискриминантный анализ. Используя дискриминантный анализ, бы­ ли получены классификационные функции, позволяющие определить тип орто­ донтической патологии:

Z1=–949,351+24,296X1+75,446X2­107,913X3+62,699X4+24,966X5+ +180,052X6+28,554X7+0,917X8+3,483X9+41,120X10+7,596X11+ (4) +22,791X12+17,096X13+8,079X14+5,557X15­2,426X16­2,280X17;

Z2= – 654,201­1,296X1­5,781X2­39,169X3+123,837X4­125,563X5+ +220,620X6+38,409X7­1,749X8­0,378X9­23,497X10­11,565X11­ (5) ­1,177X12+46,498X13­12,926X14+4,94X15­10,35X16+12,45X17;

Z3= – 659,658+1,731X1+15,36X2+39,152X3+152,095X4­18,473X5+ +157,124X6+26,823X7­0,23X8­5,892X9­26,288X10­1,085X11­ (6) ­1,53X12+40,491X13­5,772X14+6,344X15­8,061X16+10,992X17, где Z1 – классификационная функция для аномалии: сужение зубных рядов, Z2 – для аномалии: укорочение зубных рядов, Z3 –для аномалии: удлинение зубных ря­ дов.

С помощью классификационных функций была протестирована контроль­ ная выборка пациентов (45 человек). Из них 43 был поставлен правильный диа­ гноз, следовательно, степень достоверности дифференциации патологии по дик­ риминантным классификационным функциям составила 96,5%.

Третья глава посвящена анализу результатов лечения зубочелюстных па­ тологий при использовании различных ортодонтических аппаратов. Анализ эф­ фективности лечения был проведен на основе вероятностных критериев принятия управленческих решений. Была построена модель выбора ортодонтического лече­ ния с учетом индивидуальных особенностей пациентов на основе нейросетевого моделирования, проведено исследование и обоснование применения адаптивного алгоритма в процессе лечения больных.

Проанализировав современные научные труды и современную статистику по применению методов коррекции ортодонтических патологий, были выделены 3 основные тактики лечения, в их числе съемные пластиночные аппараты, стан­ дартные брекет­системы и самолигирующие брекет­системы Damon 3MX для ле­ чения таких патологий зубного ряда, как сужение, укорочение и удлинение. Для исследования были сформированы 9 групп пациентов со схожими клиническими признаками. Для каждой группы с определенной патологией было проведено ле­ чение 3 различными аппаратами. Результаты лечения были проанализированы с помощью регрессионных моделей и вероятностных критериев принятия управ­ ленческих решений.

Так, например, регрессионные модели оценки исхода лечения ортодонтиче­ ской патологии – удлинение зубного ряда при лечении самолигирующей брекет­ системой Damon 3MX имеют вид:

Y3после = 9,6228+0,223*X +0,128* Y3до ­0,221* t ­0,098*, (7) где: X – суммарная величина поперечных размеров 4 верхних резцов (мм), Y3до ­ длина верхней зубной дуги в области первых премоляров (мм) до лечения, Y4до ­ длина нижней зубной дуги в области первых премоляров (мм) до лечения, Y3после ­ длина верхней зубной дуги в области первых премоляров (мм) после лечения, Y4после ­ длина нижней зубной дуги в области первых премоляров (мм) после лече­ ния, t ­ длительность лечения ( в месяцах), ­ частота активации ортодонтическо­ го аппарата.

Коэффициенты Фишера, обуславливающие степень адекватности модели (7)