Ứng dụng lý thuyết Bayes trong phân lớp để xây dựng hệ thống hỗ trợ chẩn đoán bệnh viêm phế quản

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRỊNH QUỐC VIỆT ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT BAYES TRONG PHÂN LỚP ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH VIÊM PHẾ QUẢN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ii ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRỊNH QUỐC VIỆT ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT BAYES TRONG PHÂN LỚP ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH VIÊM PHẾ QUẢN Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ TRUNG HÙNG Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan : Những nội dung luận văn thực hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Võ Trung Hùng; Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng trung thực tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm cơng bố; Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Tác giả Trịnh Quốc Việt ii TRANG TÓM TẮT ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT BAYES TRONG PHÂN LỚP ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐỐN BỆNH VIÊM PHẾ QUẢN Tóm tắt – Với thuật toán phân lớp Bayes áp dụng trường hợp tính xác suất cao để phân lớp cho đối tượng Trong đề tài áp dụng thuật toán để hỗ trợ chẩn đoán bệnh viêm phế quản nhầm giúp bác sĩ không chuyên khoa, bác sĩ chưa có kinh nghiêm việc khám chửa bệnh viêm phế quản trường hợp bác sĩ khơng có mặt cách nhanh chống, kịp thời xác Hệ thống hoạt động dựa vào máy suy diễn tập luật thu thập từ tri thức chuyên gia để đưa kết chẩn đoán Tri thức chuyên gia trãi qua nhiều năm kinh nghiệm nghiên cứu bệnh viêm phế quản Tất tri thức thu thập từ bệnh án bệnh nhân có góp ý chuyên gia (các bác sĩ chuyên khoa Hô – Hấp) hồn tồn xác, đáng tin cậy Đề tài tìm giải pháp cho việc tin học hóa vấn đề chẩn đốn bệnh thực tế, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khám chữa bệnh, giúp bảo vệ sức khỏe nâng cao chất lượng sống cộng đồng Từ khóa – Phân lớp Bayes, Chẩn đoán bệnh, Viêm phế quản, hỗ trợ bác sĩ, tin học hóa chẩn đốn bệnh BAYES 'THEORETICAL APPROACHES IN CLASSIFICATION FOR THE PREPARATION OF DIABETIC ADMINISTRATION SUPPORT SYSTEM Abstract - With the Bayesian classifier algorithm applied in the highest probability cases to classify objects In this topic, algorithms are used to assist in the diagnosis of bronchitis It is used to help non-specialists, doctors who are not experienced in bronchitis examination and treatment, or who not have a doctor Quick, timely and accurate way The inference system and the rule set were collected from expert knowledge to provide diagnostic results Expert knowledge has many years of experience in the study of bronchitis All the knowledge gained from the patients' medical records and the opinions of the experts (the respiratory physicians) are completely accurate and reliable The subject has also found a solution for the computerization of the problems of disease diagnosis in practice, facilitate the medical examination and treatment, help protect health and improve the quality of life of the community Keywords - Bayesian class, Diagnosis, bronchitis, doctor support, computerization diagnosis iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TRANG TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH .vii MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu đối tượng đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn Nội dung, phương pháp nghiên cứu 4.1 Các nội dung nghiên cứu 4.2 Các phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Cơ sở tri thức 1.2 Các phương pháp biểu diễn tri thức 1.2.1 Biểu diễn tri thức logic 1.2.2 Biểu diễn tri thức hệ luật dẫn 1.2.3 Biểu diễn tri thức Frame 10 1.2.4 Biểu diễn tri thức mạng ngữ nghĩa 13 1.2.5 Biểu diễn tri thức mạng đối tượng tính tốn 14 1.3 Hệ chuyên gia 15 1.3.1 Định nghĩa 15 1.3.2 Cơ sở tri thức hệ chuyên gia 18 1.3.3 Cấu trúc hệ chuyên gia 20 1.3.4 Quy trình xây dựng hệ chuyên gia 21 1.3.5 Những thuận lợi khó khăn hệ chuyên gia 21 1.4 Phương Pháp Phân Loại Naïve Bayes 22 1.4.1 Khái niệm phân lớp 22 1.4.2 Phương pháp phân lớp Naïve Bayes 23 1.4.3 Thuật tốn Nạve Bayes 24 CHƯƠNG THIẾT KẾ CƠ SỞ TRI THỨC VÀ BỘ SUY DIỄN 26 2.1 Giới thiệu hệ thống 26 iv 2.1.1 Mục đích, đối tượng sử dụng 26 2.1.2 Chức hệ thống 26 2.1.2.1 Yêu cầu chức 26 2.1.2.2 Yêu cầu phi chức 27 2.2 Tri thức viêm phế quản 27 2.2.1 Định nghĩa viêm phế quản 27 2.2.2 Nguyên nhân viêm phế quản 27 2.2.2.1 Viêm phế quản cấp 27 2.2.2.2 Viêm phế quản mạn 28 2.2.3 Triệu chứng viêm phế quản 30 2.2.3.1 Viêm phế quản cấp 30 2.2.3.2 Viêm phế quản mạn 30 2.3 Mơ hình biểu diễn tri thức viêm phế quản 32 2.4 Tổ chức lưu trữ tri thức lên máy tính 38 2.5 Quy trình chẩn đốn viêm phế quản 40 2.5.1 Khám lâm sàng 40 2.5.2 Khám cận lâm sàng 40 2.5.3 Quy trình chẩn đoán lâm sàng, cận lâm sàng 41 2.6 Thuật giải chẩn đoán viêm phế quản 42 2.6.1 Ý tưởng 42 2.6.2 Thuật giải 43 CHƯƠNG CÀI ĐẶT VÀ KIỂM THỬ 45 3.1 Sơ lược hệ thống 45 3.2 Các Mô-đun hệ thống 57 3.3 Nền tảng công nghệ sử dụng 66 3.4 Cài đặt hệ thống 67 3.4.1 Các chức hệ thống 67 3.4.2 Các thành phần hệ thống 67 3.4.2.1 Form hệ thống 67 3.4.2.2 Form đăng nhập hệ thống 68 3.4.2.3 Form cập nhật thông tin triệu chứng lâm sàng cận lâm sàng 68 3.4.2.4 Form cập nhật thông tin danh sách loại bệnh 69 3.4.2.5 Form cập nhật thông tin luật 69 3.4.2.6 Form chẩn đốn chọn liệu bình thường 69 3.4.2.7 Form chẩn đốn chọn liệu có định hướng 70 3.4.2.8 Form chi tiết tỷ lệ bệnh 70 v 3.5 Kiểm thử hệ thống 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 Kết đạt 72 Một số hạn chế 72 Hướng phát triển 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang Thống kê bệnh mắc cao toàn quốc 2.2 Phân biệt khí phế thủng viêm phế quản mạn 31 2.3 Phân biệt viêm phế quản mạn giãn phế nang 32 3.1 Thống kê kết thử nghiệm 71 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 Tên hình Mơ hình đồ thị biểu diễn tri thức nhờ mạng ngữ nghĩa Mơ hình đồ thị thêm vào nút cung biểu diễn tri thức nhờ mạng ngữ nghĩa Các thành phần hệ chuyên gia Cơ chế hoạt động hệ chuyên gia Cấu trúc hệ chuyên gia Tỉ lệ tử vong theo số điếu thuốc hút Tỉ lệ tử vong viêm phế quản theo tuổi Tỉ lệ tử vong nam nữ viêm phế quản Sơ đồ chẩn đoán bệnh Sơ đồ giải thuật Hình Mơ hình tổng thể hệ thống Sơ đồ giải thuật thêm luật vào hệ thống Sơ đồ giải thuật sửa luật vào hệ thống Sơ đồ giải thuật xóa luật vào hệ thống Sơ đồ giải thuật thêm triệu chứng vào hệ thống Sơ đồ giải thuật sửa triệu chứng hệ thống Sơ đồ giải thuật xóa triệu hệ thống Sơ đồ giải thuật thêm bệnh vào hệ thống Sơ đồ giải thuật sửa bệnh hệ thống Sơ đồ giải thuật xóa bệnh hệ thống Sơ đồ giải thuật đăng nhập vào hệ thống Màn hình Form hệ thống Màn hình đăng nhập Màn hình cập nhật triệu chứng Màn hình cập nhật bệnh Màn hình cập nhật thơng tin luật Màn hình hỗ trợ chẩn đốn Màn hình hỗ trợ chẩn đốn có định hướng Màn hình chi tiết tỷ lệ bệnh Trang 13 14 16 17 20 28 29 29 42 43 45 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 68 69 69 70 70 70 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Hàng năm giới có triệu người tử vong bệnh liên quan đến đường hơ hấp, phổ biến viêm phế quản (Bronchitis) Viêm phế quản bệnh thường gặp trẻ em, lứa tuổi thời tiết nào, đặc biệt trẻ thành thị nơi tập trung dân cư đơng đúc tỉ lệ bệnh cịn cao Thế giới có khoảng 300 triệu người mắc viêm phế quản khoảng 250.000 trường hợp tử vong viêm phế quản năm Tỷ lệ mắc viêm phế quản ước tính khoảng 6-8% người lớn khoảng 10-12% trẻ em 15 tuổi Ở Việt Nam, nghiên cứu cho thấy, tỷ lệ mắc viêm phế quản dao động từ 1,1% Đà Lạt cao 5,5% cư dân số khu vực Hà Nội[2] Theo bảng thống kê năm 2013 y tế ta có số liệu sau: Bảng Thống kê bệnh mắc cao toàn quốc Tên Bệnh Số ca mắc (đơn vị tính: 10000 dân) Viêm họng viêm amidan 644.18 Viêm phế quản 394.15 Các bệnh viêm phổi 545.33 Viêm đường hô hấp 267 36 Chính vậy, hiểu biết số ngun nhân cách đề phòng bệnh làm giảm thiểu số ca bệnh, đề phòng biến chứng nâng cao chất lượng sống Đồng thời làm giảm nguy dẫn đến biến chứng bệnh gây hen phế quản, ung thư phế quản, viêm phổi, áp xe phổi, suy hô hấp cấp… Để áp dụng công nghệ thông tin vào giải vấn đề trên, ta cần có hệ thống thu thập tri thức triệu chứng dấu hiệu nhận biết viêm phế quản, sau tổ chức, biểu diễn tri thức lý thuyết Bayes phân lớp để xây dựng hệ chuyên gia chẩn đốn bệnh viêm phế quản Chính vậy, sau tham khảo ý kiến chuyên gia công nghệ thông tin y khoa, chọn nghiên cứu hướng đề tài: 66 Hình 3.11 Sơ đồ giải thuật đăng nhập vào hệ thống 3.3 Nền tảng cơng nghệ sử dụng Hệ thống hỗ trợ chẩn đốn bệnh viêm phế quản sử dụng công cụ thực sau: - Sử dụng phần mềm Visual studio 2008 để thiết kế sử dụng ngôn ngữ C# DotNetFrameWork 4.0[6] - Nền tảng sử dụng hệ thống hệ điều hành Windows - Hệ thống sử dụng lưu trữ liệu hệ quản trị sở liệu SQL 2008[7] 67 3.4 Cài đặt hệ thống 3.4.1 Các chức hệ thống  Phân quyền User: Có loại User “chun gia” “người dùng” (các bác sĩ không chuyên khoa, bác sĩ chưa có kinh nghiệm…)  User chuyên gia có quyền cập nhật thơng tin: Các triệu chứng, danh sách loại bệnh, luật kiểm xem lại phần chẩn đốn  Người dùng xem hỗ trợ chẩn đoán 3.4.2 Các thành phần hệ thống o Hệ thống chẩn đoán bệnh xây dựng cụ thể gồm thành phần sau: - Form hệ thống - Form đăng nhập hệ thống - Form cập nhật thông tin triệu chứng lâm sàng cận lâm sàng - Form cập nhật thông tin danh sách loại bệnh - Form cập nhật thông tin luật - Form chẩn đốn chọn liệu khơng có định hướng - Form chẩn đốn chọn liệu có định hướng - Form chi tiết tỷ lệ bệnh 3.4.2.1 Form hệ thống Giao diện hệ thống với chức cho người dùng đăng nhập vào hệ thống xem phần hỗ trợ chẩn đốn Hình 3.12 Màn hình Form hệ thống 68 3.4.2.2 Form đăng nhập hệ thống Màn hình đăng nhập cho phép người dùng đăng nhập vào hệ thống tùy theo loại người dùng thị thêm phần cập nhật thông tin hay không Trường hợp người dùng khơng đăng nhập Click vào nút “Hủy” vào hệ thống với chức cho phép hỗ trợ chẩn đốn Hình 3.13 Màn hình đăng nhập 3.4.2.3 Form cập nhật thông tin triệu chứng lâm sàng cận lâm sàng Màn hình cho chuyên gia cập nhật triệu chứng lâm sàng cận lâm sàng bệnh bao gồm thao tác thêm, xóa, sửa Hình 3.14 Màn hình cập nhật triệu chứng 69 3.4.2.4 Form cập nhật thông tin danh sách loại bệnh Màn hình cho chun gia cập nhật lại bệnh liên quan đến hệ hơ hấp bao gồm thao tác thêm, xóa, sửa Hình 3.15 Màn hình cập nhật bệnh 3.4.2.5 Form cập nhật thơng tin luật Màn hình cho chun gia cập nhật luật xác nhận bệnh bao gồm thao tác thêm, xóa, sửa Hình 3.16 Màn hình cập nhật thơng tin luật 3.4.2.6 Form chẩn đốn chọn liệu bình thường Màn hình cho phép người sử dụng chuyên gia xem hỗ trợ chẩn đốn bệnh Người dùng chọn triệu chứng bệnh sau nhấn vào nút chẩn đốn để xem kết 70 Hình 3.17 Màn hình hỗ trợ chẩn đốn 3.4.2.7 Form chẩn đốn chọn liệu có định hướng Màn hình cho phép người sử dụng chọn triệu chứng chọn triệu chứng click vào nút “Thêm” chương trình hỗ trợ triệu chứng liên quan đến bệnh tương ứng Hình 3.18 Màn hình hỗ trợ chẩn đốn có định hướng 3.4.2.8 Form chi tiết tỷ lệ bệnh Màn hình cho phép người dùng xem chi tiết tỷ lệ bệnh trường hợp áp dụng thuật tốn Bayes vào suy diễn có tỷ lệ bệnh mắc phải nhỏ 60% Hình 3.19 Màn hình chi tiết tỷ lệ bệnh 71 3.5 Kiểm thử hệ thống Hệ chẩn đốn có sở tri thức thu thập từ bác sĩ chuyên khoa bệnh án thực tế phòng khám đa khoa trường ĐH Trà Vinh Các tri thức sử dụng hệ thống đầy đủ, luật mơ tả hệ thống xác với tri thức chuyên gia cung cấp, hệ thống chẩn đốn xác trường hợp bệnh Kết chẩn đoán hệ thống dựa liệu bệnh nhân phòng khám đa khoa trường ĐH Trà Vinh với số mẫu sử dụng làm luận văn 120 bệnh án, 90 mẫu dùng để khai thác luật, 30 mẫu để kiểm thử hệ thống Bảng 3.1 Thống kê kết thử nghiệm Số mẫu thử nghiệm hệ Chẩn đoán Chẩn đoán sai 28 thống: 30 Như kết chạy chương trình thử nghiệm chẩn đốn xác khoảng 93.33% từ mẫu bệnh án thực tế Kết cho thấy hệ hỗ trợ chẩn đốn bệnh viêm phế quản có hiệu thực tế cao 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt Kết khóa luận tốt nghiệp xây dựng hệ hỗ trợ chẩn đoán bệnh viêm phế quản dựa lý thuyết Bayes phù hợp với thực tế khám bệnh bệnh viện liệu sử dụng liệu thực tế thu thập phòng khám đa khoa trường ĐH Trà Vinh Hệ thống đáp ứng giúp ích cho bác sĩ trẻ trường bác sĩ khơng chun khoa có thêm kinh nghiệm việc chẩn đoán bệnh viêm phế quản học hỏi kinh nghiệm chẩn đoán bác sĩ chuyên khoa lâu năm Hệ thống hoạt động dựa vào máy suy diễn tập luật thu thập từ tri thức chuyên gia để đưa kết chẩn đoán Tri thức chuyên gia trãi qua nhiều năm kinh nghiệm nghiên cứu bệnh viêm phế quản Tất tri thức thu thập hồn tồn xác, đáng tin cậy sử dụng thực tế phịng khám Ngồi ra, hệ thống thiết kế Windows với giao diện thân thiện, dễ sử dụng Đồng thời có chức cần thiết cập nhật thơng tin bệnh, triệu chứng Kết đề tài tìm giải pháp cho việc tin học hóa vấn đề chẩn đoán bệnh thực tế, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khám chữa bệnh, giúp bảo vệ sức khỏe nâng cao chất lượng sống cộng đồng Một số hạn chế - Trong giới thực, bất khả thi triệu chứng người bệnh không nằm luật lúc hệ thống khơng tìm bệnh - Khơng có độ ưu tiên cho triệu chứng, thực tế bác sĩ cần số triệu chứng quan trọng kết luận bệnh Hướng phát triển - Cần có ưu tiên cho triệu chứng - Phát triển thành dạng Web phổ biến cho cộng đồng - Có thêm chức quản lý thông tin bệnh nhân bệnh án để chẩn đốn thêm xác 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đinh Nguyễn Anh Dũng, Hoàng Kiếm (2005), Giáo trình Trí tuệ nhân tạo, Đại học Công Nghệ Thông tin - Đại Học Quốc Gia TPHCM [2] Nguyễn Đạt Anh, Ngô Quý Châu, Nguyễn Lân Việt, Phạm Quang Vinh (2012), Bệnh học nội khoa tập 1, Nhà xuất Y học [3] Giarratano J.C, Riley G.D (1998), Expert Systems – Principles and Programming Third Edition, PWS, Boston [4] Nguyễn Quốc Anh, Ngô Quý Châu (2012), Hướng dẫn chẩn đoán điều trị Bệnh nội khoa, Nhà xuất Y học [5] TS Trương Ngọc Châu, Bài Giảng Khai phá liệu, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng [6] Lập trình trình sở liệu Visual Studio, Pham Hữu Khang chủ biên, nhà xuất lao động xã hội [7] Đỗ Trung Tuấn (1997), Cơ sở liệu (Database), Nxb Giáo dục, Hà Nội ... TÓM TẮT ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT BAYES TRONG PHÂN LỚP ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐỐN BỆNH VIÊM PHẾ QUẢN Tóm tắt – Với thuật toán phân lớp Bayes áp dụng trường hợp tính xác suất cao để phân lớp cho... pháp, kĩ thuật xây dựng hệ chuyên gia để vận dụng vào việc xây dựng hệ hỗ trợ chẩn đoán bệnh cách tự động Như vậy, đề tài hướng tới việc xây dựng hệ hỗ trợ chẩn đốn bệnh viêm phế quản có sở tri... cần có hệ thống thu thập tri thức triệu chứng dấu hiệu nhận biết viêm phế quản, sau tổ chức, biểu diễn tri thức lý thuyết Bayes phân lớp để xây dựng hệ chuyên gia chẩn đoán bệnh viêm phế quản Chính