Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

BUILDING A CONCEPTUAL MODEL OF ONTOLOGIES IN THE FIELD OF MEDICAL DIAGNOSIS OF DISEASES "FOOD ALLERGY"

Research article
Pokidysheva L.I.
Borisova I.V.
Rusanova O.A.
Savtskaya M.V.
DOI:
https://doi.org/10.18454/IRJ.2015.41.103
Issue: № 10 (41), 2015
Published:
2015/16/11
PDF

Покидышева Л.И.1, Борисова И.В.2, Русанова О.А.3, Савицкая М.В.4

1Кандидат технических наук, профессор кафедры вычислительной техники Сибирского федерального университета, 2кандидат медицинских наук, сотрудник Научно-исследовательского института медицинских проблем Севера, 3кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники Сибирского федерального университета, 4программист кафедры вычислительной техники Сибирского федерального университета

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект 13-07-00814 А)

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ  МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ПИЩЕВОЙ АЛЛЕРГИИ

Аннотация

Описан метод и приведен алгоритм решения задачи  медицинской диагностики заболеваний пищевой аллергии с использованием интеллектуального анализа данных. Предложено описание онтологической модели заболевания «атопический дерматит», приводятся фрагменты программного интерфейса разработанной системы.

Ключевые слова: онтология, пищевая аллергия, атопический дерматит, база знаний, искусственный интеллект.

Pokidysheva L.I. 1, Borisova I.V.2, Rusanova O.A.1, Savtskaya M.V.1

1 PhD in Engineering, Professor of Computer Science Dept., Siberian Federal University, 2MD, Scientific Research Institute of Medical Problems of the North, 3 PhD in Engineering, assistant professor of Computer Science Dept., Siberian Federal University, 4programmer of Computer Science Dept., Siberian Federal University

BUILDING A CONCEPTUAL MODEL OF ONTOLOGIES IN THE FIELD OF MEDICAL DIAGNOSIS OF DISEASES "FOOD ALLERGY"

Abstract

The method and an algorithm for solving the problem of medical diagnostics of diseases of food allergies with Data Mining were described. The paper proposes a conceptual model of ontologies, the model of the disease «atopic dermatitis», and fragments of programming interface of developed system.

Keywords: ontology, food allergy, atopic dermatitis, knowledge base, artificial intelligence.

Одним из приложений искусственного интеллекта является медицинские системы диагностики [1]. Задача таких систем заключается в определении заболевания, которым возможно болен пациент, на основе данных о его наблюдениях. Так как в последние годы значительно вырос процент людей, болеющих пищевой аллергией, и данное заболевание остается труднодиагностируемым, то применение систем медицинской диагностики может существенно ускорить работу врача-аллерголога.

Анализ существующих медицинских систем показал, что онтологии, используемые в данных системах, являются сравнительно простыми и не отражают особенностей конкретной медицинской области. Следовательно, актуальной задачей является построение такой модели онтологии, в которой знания были бы представлены в форме, понятной врачам, и позволяли бы определить не только диагноз пациента, но и объяснить наблюдения.

С позиции достижения современной аллергологии и клинической иммунологии работа [2-4] предлагает четко дифференцировать понятия «патологические (побочные) реакции на пищу», «пищевая непереносимость» и «пищевая аллергия». По мнению авторов данной работы, это имеет важное клиническое значение, т.к. под маской пищевой аллергии нередко протекают другие виды непереносимости пищевых продуктов, без участия иммунологических механизмов. В практической медицине это зачастую приводит к ошибочному диагнозу и как следствие – к неоправданным ограничениям в диете. В связи с этим Европейской академией аллергологии и клинической иммунологии (Стокгольм, 1994г.) даны четкие определения этих реакций.

В данной работе делаем формальное описание заболевания «атопический дерматит» в терминах разрабатываемой медицинской модели онтологии [5-7].

База знаний о заболеваниях включает в себя:

  1. Знания о заболеваниях и длительностях их периодов развития (класс заболевания)
  2. Знания о возможных причинах заболеваний – знания об этиологиях
  3. Знания о ПСС между заболеваниями и наблюдениями – знания о клинических проявлениях

Приведем онтологическое описание заболевания  «атопический дерматит».

Атопический дерматит – хроническое воспалительное заболевание кожи, характеризующееся рецидивирующим течением, кожным зудом, поражением глубоких слоев кожи, возрастными особенностями локализации.

Необходимые условия присутствия заболевания в ситуации:

  1. Зуд
  2. Атопия в анамнезе
  3. Хроническое рецидивирующее течение
  4. Сезонность: зимой – рецидивы, летом – неполные ИЛИ полные ремиссии

Число периодов заболевания – 3

  1. Младенческий (до 2 лет)
  2. Детский (от 2 до 13 лет)
  3. Подростковый и взрослый (старше 13 лет)

Число стадий развития заболевания – 4

  1. Стадия обострения
    1. Фаза выраженных клинических проявлений
    2. Фаза умеренных клинических проявлений
  2. Стадия ремиссии
    1. Полная ремиссия
    2. Неполная ремиссия

Этиологические варианты развития заболевания:

  1. I. Пищевая

«Причина-событие» - продукт {коровье молоко; злаки; яйца; морепродукты; овощи; фрукты красной ИЛИ оранжевой раскраски}

Следствие – атопический дерматит

Варианты динамики:

  1. От 5-10мин до 3-4 часов, высыпания на коже

Модальность – (В)

  1. II. Клещевая

«Причина-событие» - клещи

Следствие – атопический дерматит

Варианты динамики:

  1. Зуд, круглогодичные обострения И усиление зуда в ночное время

Модальность – Возможность

III. Грибковая

«Причина-событие» - грибы{Altenaria; Aspergillus; Candida} ИЛИ сырость ИЛИ

плесень ИЛИ антибиотики с пенициллином

Следствие – атопический дерматит

Варианты динамики:

  1. Высыпания на коже И обострения осенью И зимой

Модальность – (В)

  1. IV. Пыльцевая

«Причина-событие» - пыльца растений

Следствие – атопический дерматит

Варианты динамики:

  1. Высыпания на коже И сезонность цветения растений
  2. Высыпания на коже И поступление пищевых аллергенов

Модальность – (В)

Клинические проявления заболевания:

  1. Причина – атопический дерматит

Период развития заболевания – младенческий

Следствие – высыпания на коже

Модальность – (Н)

Характер (Н):

Варианты динамики:

  1. Острый
  2. Подострый

Характер сыпи (Н):

Варианты динамики:

  1. Гиперимия
  2. Мокнутие
  3. Корки

Локализация сыпи (Н):

Варианты динамики:

  1. Лицо
  2. Лицо И наружная поверхность голеней И сгибательные и разгибательные поверхности ног
  3. Лицо И сгибательные и разгибательные поверхности рук
  4. Сгибательные и разгибательные поверхности рук И ног
  5. Причина – атопический дерматит

Период развития заболевания – детский

Следствие – высыпания на коже

Модальность – (Н)

Характер (Н) - хронический

Характер сыпи (Н):

Варианты динамики:

  1. Эритема
  2. Папулы
  3. Шелушения
  4. Утолщения
  5. Лихенификация
  6. Расчесы
  7. Трещины
  8. Папулы И лихенификация

Локализация сыпи (Н):

Варианты динамики:

  1. Шея
  2. Естественные сгибы
  3. Заушные области
  4. Причина – атопический дерматит

Период развития заболевания – детский

Следствие – симптом Денни-Моргана

Варианты динамики:

формирование дополнительной складки нижнего века

Модальность – (В)

  1. Причина – атопический дерматит

Период развития заболевания – младенческий, детский, подростковый

Следствие – зуд

Модальность – (Н)

Характер (В) – изнуряющий

Время появления (Н):

Варианты динамики:

  1. Постоянно
  2. Ночью
  3. Днем
  4. Непостоянно
  5. Причина – атопический дерматит

Период развития заболевания – подростковый, взрослый

Следствие – высыпания на коже

Модальность – (Н)

Характер сыпи (Н):

Варианты динамики:

  1. Эритема синюшная
  2. Инфильтрация И лехинификация
  3. Сухость И шелушение

Локализация сыпи (Н):

Варианты динамики:

  1. Лицо
  2. Шея
  3. Руки И подмышечные впадины И лицо
  4. Лицо И руки
  5. Лицо И спина

Проделав вышеизложенную работу, мы разработали программную систему диагностики пищевой аллергии у детей. Данная система на основе анализа входных данных – карточек пациентов (регистрационные данные пациента, клинический анамнез, история текущего заболевания, история жизни пациента, лабораторные исследования, кожные тесты, провокационные пробы) и разработанной нами базы знаний проводит диагностику заболевания, и принимает решение о диагнозе, выявляя основные факторы риска развития пищевой аллергии у пациента и причинно-значимый аллерген. Результатом работы системы является следующие взаимоисключающие гипотезы о диагнозе:

  • гипотеза о наличии пищевой аллергии;
  • гипотеза о наличии некоторого заболевания, не имеющего аллергической среды;
  • гипотеза о том, что пациент здоров.

Система медицинской диагностики поддерживает современный уровень обследования больных, избавляет врачей от рутинной работы по заполнению историй болезни, а также автоматически формирует компьютерный архив историй болезни. Архив может быть использован для любой статистической обработки, формирования отчетов и т.п.

В разработанной системе учтены следующие требования:

  • наличие в базе знаний описаний различных разделов медицины;
  • сохранение традиционной для врачей структуры истории болезни;
  • возможность регистрации в истории болезни любого количества осмотров, а также консультаций других специалистов;
  • возможность формирования архивов историй болезни и поиск в них;
  • возможность легкой модификации базы знаний в связи с появлением новых знаний.

Система обладает следующими функциями:

  • обеспечивает интеллектуальную поддержку обследования больных;
  • поддерживает формирование полной (традиционной) истории болезни
  • обеспечивает просмотр историй болезни на экране;
  • автоматически формирует электронный архив историй болезни.

При разработке системы была использована свободно распространяемая система управления базами данных MySQL,  объектно-ориентированный язык программирования Java, язык представления онтологий (OWL  – Web Ontology Language). Использавалась также Eclipse — свободная интегрированная среда разработки модульных кроссплатформенных приложений.

Вход в систему и возможности пользователя системы определяются уровнем доступа по логическому имени и паролю.

Таким образом:

  • Разработана онтология предметной области «Пищевая аллергия у детей»;
  • Сформулирована задача медицинской диагностики заболеваний пищевой аллергии у детей в терминах разработанной онтологии;
  • Описан метод и приведен алгоритм решения задачи медицинской диагностики заболеваний пищевой аллергии у детей;
  • Реализован алгоритм решения задачи медицинской диагностики заболеваний пищевой аллергии для вычислительной системы.

Литература

  1. Гулиева И.Ф., Рюмина Е.В., Гулиев Я.И. Вопросы эффективности информационных технологий в медицине // Врач и информационные технологии: – 2011. – № 5 – С. 6-18.
  2. Борисова И.В., Смирнова С.В. Пищевая аллергия у детей // Красноярск: Изд-во КрасГМУ. – 2011. – 150 с.
  3. Смирнова С.В. Аллергия и псевдоаллергия (к вопросам распространенности, этиологии, патогенеза, дифференциальной диагностики и терапии) // Красноярск: Гротеск, 1997. – 220 с.
  4. Рапопорт Ж.Ж. Аллергия к пищевым продуктам. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, – 252 с.
  5. Клещев А.С., Москаленко Ф.М., Черняховская М.Ю. Модель онтологии предметной области «Медицинская диагностика». Часть 1. Неформальное описание и определение базовых терминов // Научно-техническая информация. 2005. – Сер. 2. – № 12. – С.1-7.
  6. Клещев А.С., Москаленко Ф.М., Черняховская М.Ю. Модель онтологии предметной области «Медицинская диагностика». Часть 2. Формальное описание причинно-следственных связей, причин значений признаков и причин заболеваний // Научно-техническая информация. – Сер. 2. – № 2. – С. 19-30.
  7. Максимова Д.Н., Покидышева Л.И., Борисова И.В., Русанова О.А. База наблюдений в области пищевой аллергии / Высокие технологии, исследования, образование в физиологии, медицине и фармакологии. Т. 2 : сб. статей Третьей междунар. научно-практ. конф. "Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине", 26 – 28 апреля 2012, Санкт-Петербург, Россия / Под ред. А.П. Кудинова, Б.В. Крылова. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – С. 132-135. ISBN978–5–7422–3438–8
 

References

  1. Gulieva I.F., Rjumina E.V., Guliev Ja.I. Voprosy jeffektivnosti informacionnyh tehnologij v medicine // Vrach i informacionnye tehnologii: – 2011. – № 5 – S. 6-18.
  2. Borisova I.V., Smirnova S.V. Pishhevaja allergija u detej // Krasno-jarsk: Izd-vo KrasGMU. – 2011. – 150 s.
  3. Smirnova S.V. Allergija i psevdoallergija (k voprosam rasprostranennosti, jetiologii, patogeneza, differencial'noj diagnostiki i terapii) // Krasnojarsk: Grotesk, 1997. – 220 s.
  4. Rapoport Zh.Zh. Allergija k pishhevym produktam. Krasnojarsk: Izd-vo Krasnojar. un-ta, 1990. – 252 s.
  5. Kleshhev A.S., Moskalenko F.M., Chernjahovskaja M.Ju. Model' ontologii predmetnoj oblasti «Medicinskaja diagnostika». Chast' 1. Neformal'noe opisanie i opredelenie bazovyh terminov // Nauchno-tehnicheskaja informacija. 2005. – Ser. 2. – № 12. – S.1-7.
  6. Kleshhev A.S., Moskalenko F.M., Chernjahovskaja M.Ju. Model' ontologii predmetnoj oblasti «Medicinskaja diagnostika». Chast' 2. Formal'noe opisanie prichinno-sledstvennyh svjazej, prichin znachenij priznakov i prichin zabolevanij // Nauchno-tehnicheskaja informacija. 2006. – Ser. 2. – № 2. – S. 19-30.
  7. Maksimova D.N., Pokidysheva L.I., Borisova I.V., Rusanova O.A. Baza nabljudenij v oblasti pishhevoj allergii / Vysokie tehnologii, issledovanija, obrazovanie v fiziologii, medicine i farmakologii. T. 2 : sb. statej Tret'ej mezhdunar. nauchno-prakt. konf. "Vysokie tehnologii, fundamental'nye i prikladnye issledovanija v fiziologii i medicine", 26 – 28 aprelja 2012, Sankt-Peterburg, Rossija / Pod red. A.P. Kudinova, B.V. Krylova. – SPb.: Izd-vo Politehn. un-ta, 2012. – S. 132-135. ISBN978–5–7422–3438–8.