Ứng dụng mạng nơron xây dựng hệ thống hỗ trợ chẩn đoán rối loạn phổ tự kỷ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN PHÚC VINH ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN RỐI LOẠN PHỔ TỰ KỶ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN PHÚC VINH ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN RỐI LOẠN PHỔ TỰ KỶ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Hiệu Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung luận văn thực hướng dẫn trực tiếp TS Nguyễn Văn Hiệu Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Phúc Vinh ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Tự kỷ trở thành vấn đề đáng lo ngại không Việt Nam mà nhiều quốc gia giới, ảnh hưởng tiêu cực đến phát triển lồi người Mặc dù tự kỷ chẩn đoán sớm, trước tuổi, hầu hết trẻ em chẩn đoán mắc tự kỷ lên tuổi lớn hơn, nguyên nhân đặc tính phức tạp, khó nhận diện rối loạn tự kỷ trẻ nhỏ Việc áp dụng khoa học công nghệ việc chẩn đoán sớm tự kỷ điều hoàn toàn cần thiết, ngành khai phá liệu, hệ hỗ trợ định ngày phát triển đạt nhiều thành tựu nhiều lĩnh vực, có y học Đóng góp vào phát triển đó, kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo đem lại cách mạng to lớn, giải nhiều vấn đề nan giải Luận văn ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo vào toán chẩn đoán rối loạn phổ tự kỷ Kết cụ thể luận án thể nội dung (1) Tìm hiểu sở lý thuyết nghiệp vụ y tế liên quan đến bệnh rối loạn phổ tự kỷ; (2) Tìm hiểu lý thuyết mạng rơron nhân tạo ứng dụng nó; (3) Xây dựng tập liệu phục vụ cho chẩn đoán phổ tự kỷ nghiên cứu tương lai; (4) Phân tích, thiết kế xây dựng thành cơng hệ thống thử nghiệm chẩn đốn rối loạn phổ tự kỷ sử dụng lý thuyết nơ ron nhân tạo Ngoài ra, luận văn chứa hướng tiếp cận tiềm năng, hứa hẹn sở hệ thống hỗ trợ định phục vụ cho tiến trình nghiên cứu chẩn đốn rối loạn tự kỷ ABSTRACT Autism Disorder Spectrum (ASD) is becoming a big issue in several countries around the world can even negatively affect human natural evolution Even though autism can be diagnosed early, before years old, most children were not diagnosed with ASD till the age of because of its complex symptoms and ambiguous manifestation in infant’s disorders Applying science and technology into early autism diagnosis is of vital importance, especially when data mining branches and decision-making support systems are developing and achieving many accomplishments in many fields, medicine included Contributing to those developments, the combination between the Artificial Neural Network (ANN) has triggered a huge revolution in data mining and is able to solve many tough problems This paper is the elaboration on the method of employing this combination to facilitate the early diagnosis of ASD The result of the paper shows that the aforementioned approach has the potential to be the fundamental basis of the supporting decision-making system in ASD researching and diagnosing The thesis applies artificial neural network to the Autism Spectrum Disorder problem Specific results of the dissertation are presented in the main contents (1) Understand the theoretical background of medical profession related to autism disorder; (2) Understand artificial neural network theory and its applications; (3) develop a dataset for autism spectrum analyzes and future studies; (4) Successful analysis, design and development of a diagnostic system for the diagnosis of autism spectrum disorders using artificial neuronal theory In addition, the thesis contains a potential approach that promises to be the basis of decision support systems for the research process as well as the diagnosis of autism spectrum disorders iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH vi MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỘI CHỨNG PHỔ TỰ KỶ .4 1.1 Giới thiệu rối loạn phổ tự kỷ 1.2 Nguyên nhân phổ tự kỷ 1.2.1 Yếu tố môi trường .7 1.2.2 Yếu tố di truyền 1.2.3 Dịch tể học 1.2.4 Yếu tố xã hội .8 1.2.5 Yếu tố tâm lý thần kinh 10 1.2.6 Yếu tố hoá chất 11 1.3 Triệu chứng đặc trưng phổ tự kỷ 11 1.3.1 Tự kỷ trầm cảm 11 1.3.2 Các dấu hiệu triệu chứng lâm sàng 12 1.4 Tổng kết chương 16 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MANG NƠRON VÀO CHUẤN ĐOÁN PHỔ TỰ KỶ 17 2.1 Giới thiệu mạng nơron[12] 17 2.2 Kiến trúc mạng nơron 18 2.2.1 Mạng tầng[16] 18 2.2.2 Mạng đa tầng [18] .19 2.2.3 Kiến trúc mạng tổng quát 21 iv 2.3 Hàm sigmoid 21 2.4 Huấn luyện mạng nơron 23 2.4.1 Học có giám sát .23 2.4.2 Học không giám sát 24 2.4.3 Học bán giám sát .24 2.4.4 Học tăng cường 25 2.5 Thuật toán lan truyền ngược [16,17] 25 2.6 Quy trình chẩn đốn phổ tự kỷ 31 2.6.1 Phân loại bệnh tự kỷ 31 2.6.2 Quy trình chẩn đoán bệnh 31 2.6.3 Các thuộc tính đầu vào thuật toán 32 2.7 Tổng kết chương .35 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHẨN ĐỐN PHỔ TỰ KỶ 36 3.1 Phân tích thiết kế hệ thống .36 3.1.1 Xác định yêu cầu .36 3.1.2 Biểu đồ ca sử dụng 37 3.1.3 Biểu đồ lớp 38 3.1.4 Biểu đồ 39 3.2 Xây dựng sở liệu 40 3.3 Thiết kế sở liệu 41 3.4 Xây dựng chương trình 41 3.4.1 Webserver 41 3.4.2 Client 43 3.5 Triển khai chương trình .45 3.6 Tổng kết chương 45 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASD MRSI ANN NAA DSM Autistic Spectrum Disorde Magnetic Resonance Spectroscopy Imaging Artificial Neural Networks N-Acetylaspartate Acid Diagnostic and Statistical Manual vi DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH Số hiệu bảng Tên bảng hình Trang 3.1 Danh sách bảng sở liệu 40 2.1 Mô hình mạng lan truyền tiến 19 2.2 Đồ thị hàm truyền sigmoid 22 2.3 Lan truyền ngược 27 2.4 Minh họa việc tính δj cho việc tính nút ẩn j 30 3.1 Biểu đồ hoạt động 36 3.2 Biểu đồ ca sử dụng quản lý tài khoản 37 3.3 Biểu đồ ca sử dụng quản lý liệu mẫu 38 3.4 Biểu đồ lớp 38 3.5 Biểu đồ tạo liệu mẫu 39 3.6 Biểu đồ chẩn đoán 39 3.7 Biểu đồ cập nhật thông tin cá nhâ 40 3.8 Cơ sở liệu quan hệ 41 3.9 Màn hình quản lý người dùng 41 3.10 Màn hình quảng lý triệu chứng 42 3.11 Màn hình chỉnh sửa triệu chứng 42 3.12 Màn hình quản lý liệu mẩu 43 3.13 Màn hình quản lý liệu mẩu 43 3.14 Màn hình đăng nhập 43 3.15 Màn hình đăng ký 44 3.16 Màn hình chẩn đốn 44 3.17 Màn hình lịch sử chẩn đốn 45 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Bệnh tự kỷ hội chứng rối loạn phức tạp trình phát triển tự nhiên người Trẻ em mắc bệnh tự kỷ có nhiều biểu khiếm khuyết quan hệ xã hội, khiếm khuyết sử dụng ngôn ngữ giao tiếp, khiếm khuyến hành vi, thường chơi tưởng tượng,…[[1], [2],[3]] Hiện nay, bệnh tự kỷ trẻ em trở thành mối quan tâm, lo ngại toàn xã hội Nhiều chuyên gia giới nhận định tỷ lệ trẻ bị tự kỷ ngày gia tăng Theo số liệu Bộ Lao động - Thương binh Xã hội, Việt Nam có khoảng 5% - 7% trẻ em có khuyết tật độ tuổi 15 trở xuống, đó, trẻ tự kỷ bại não chiếm 40% Bệnh viện Châm cứu trung ương thống kê năm khoảng 3.000 lượt trẻ có vấn đề não tự kỷ đến điều trị Theo thống kê bệnh viện Nhi Đồng năm 2012 có đến 2.563 lượt trẻ tự kỷ đến khám Ở Việt Nam chưa có nghiên cứu điều tra, thống kê thức trẻ tự kỷ Nếu ước lượng theo tỷ lệ nước Anh Việt Nam có khoảng 200.000 người tự kỷ [[4]] Có nhiều nguyên nhân khiến trẻ mắc bệnh tự kỷ đưa ra, nguyên nhân gây bệnh chưa hiểu biết đầy đủ Bệnh tự kỷ chưa có thuốc chữa, chưa có phác đồ điều trị cụ thể, biểu bệnh trẻ khác Phát sớm điều có ý nghĩa quan trọng cho việc trị liệu trẻ mắc chứng tự kỷ Nếu trẻ tự kỷ phát hiện, chẩn đoán sớm can thiệp cách bản, tồn diện, hợp lý kiên trì trước 40 tháng tuổi trẻ tiến tốt Khi phát can thiệp sớm, trẻ khắc phục khiếm khuyết trợ giúp để phát triển từ đầu kỹ ngôn ngữ, xã hội nhận thức Tuy nhiên, số trẻ tự kỷ phát muộn cao Trong xã hội ngày nay, mà áp lực sống ngày lớn, thành phố, cha mẹ bị theo dòng xốy kinh tế thị trường, khơng có nhiều thời gian quan tâm chăm sóc cái, biểu bất thường không quan tâm theo dõi kịp thời Đến cha mẹ phát mắc bệnh tự kỷ hầu hết muộn, “thời gian vàng” điều trị bệnh tự kỷ Theo số liệu bệnh viện Nhi trung ương, số trẻ phát muộn 44% Chẩn đốn bệnh y học ln lĩnh vực phức tạp Bởi đối tượng lĩnh vực người Hơn nữa, bệnh tự kỷ lại chưa xác định nguyên nhân đầy đủ, biểu bệnh bệnh nhân khác Bệnh nhân mắc bệnh tự kỷ có nhiều dấu hiệu dễ nhầm lẫn với bệnh khác bệnh tâm thần, bệnh trầm cảm Vì vậy,việc chẩn đốn bệnh tự kỷ lại khó khăn Với mong muốn góp phần phát triển phương pháp luận phục vụ việc dự đoán bệnh tự kỷ trẻ em, giúp bậc cha mẹ, thầy cô giáo, y bác sĩ phát bệnh sớm nhằm nâng cao hiệu điều trị bệnh, chọn đề tài:“Ứng dụng mạng nơron xây dựng hệ thống hổ trợ chẩn đoán rối loạn phổ tự kỷ” Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế liệuvề rối loạn sớm tự kỷ để phục vụ cho nghiên cứu phát triển ứng dụng Xây dựng phương pháp chẩn đoán với hướng tiếp cận ứng dụng mạng nơ-ron Xây dựng phần mềm chẩn đoán sớm rối loạn tự kỷ sở phương pháp mơ hình đề xuất Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chẩn đoán Rối loạn phổ tự kỷ - Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp hỗ trợ chẩn đoán Lý thuyết mạng nơron nhân tạo 41 3.3 Thiết kế sở liệu Hình 3.8 Cơ sở liệu quan hệ 3.4 Xây dựng chương trình 3.4.1 Webserver Quản lý user Hình 3.9 Màn hình quản lý người dùng Quản lý triệu chứng 42 Hình 3.11 Màn hình quảng lý triệu chứng Chỉnh sửa triệu chứng Hình 3.12 Màn hình chỉnh sửa triệu chứng 43 Quản lý liệu mẩu Hình 3.13 Màn hình quản lý liệu mẩu 3.4.2 Client Màn hình đăng nhập Hình 3.14 Màn hình đăng nhập 44 Màn hình đăng ký Hình 3.15 Màn hình đăng ký Màn hình chẩn đốn Hình 3.16 Màn hình chẩn đốn 45 Màn hình lịch sử chấn đốn Hình 3.17 Màn hình lịch sử chẩn đốn 3.5 Triển khai chương trình Cài đặt chương trình: Bước 1: Cài đặt PHP, Apache, Composer, Git Bước 2: Clone web server từ git Bước 3: Run “composer install” Bước 4: Run “php artisan migrate” Bước 5: Run “php artisan serve” để chạy web server Hướng dẫn sử dụng: Ứng dụng hoạt động tốt android từ phiên 4.4 kitkat trở lên Để sử dụng ứng dụng, người dùng đăng ký tải khoản ứng dụng Sau sử dụng đầy đủ chức ứng dụng 3.6 Tổng kết chương Chương cài đặt thành công ứng dụng mạng nơ ron cho toán chẩn đoán rối loạn phổ tự kỷ Về bản, chương trình đạt mục tiêu đề xây dựng thành cơng cơng cụ hỗ trợ chẩn đốn rối loạn phổ tự tự kỷ, giải pháp có khả ứng dụng cao thực tế 46 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Chẩn đoán bệnh tự kỷ trẻ em công việc đã, thu hút nhà nghiên cứu đến chưa có phương pháp chẩn đốn tự kỷ tốt Nghiên cứu toán đòi hỏi người nghiên cứu phải biết tổng hợp kết nghiên cứu khai phá tri thức Qua hai năm học tập, tìm tòi, nghiên cứu, đặc biệt khoảng thời gian làm luận văn, tác giả hoàn thiện luận văn với mục tiêu đặt ban đầu Cụ thể luận văn đạt kết sau: - Trình bày kiến thức hội chứng tự kỷ trẻ em; xây dựng quy trình chẩn đốn - Giới thiệu phương pháp tổng quát mạng nơron nhân tạo trình bày cụ thể việc ứng dụng nơron vào chẩn đoán rối loạn tự kỷ - Xây dựng trang Web hỗ trợ lưu trữ thông tin trẻ, lưu trữ liệu tập huấn, luật ứng dụng chẩn đoán trẻ tự kỷ - Khi ca bệnh chẩn đoán thành công thêm vào nguồn liệu tập huấn, làm tăng tính xác q trình chẩn đoán HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Luận án thực mục tiêu ban đầu đặt xây dựng thành công hệ thống hỗ trợ chẩn đoán bệnh tự kỷ, nhiên nhiều hạn chế Cần bổ sung thêm liệu tập huấn để mơ hình ứng dụng có độ tin cậy cao hoạt động hiệu Hỗ trợ việc liên kết với bác sĩ, nhà tâm lý học bệnh tự kỷ để tăng thêm tính chẩn xác q trình chẩn đốn bệnh 47 Tìm hiểu nhu cầu thực tế để từ cải tiến chương trình, cài đặt lại tốn theo thuật toán nghiên cứu để làm việc tốt với sở liệu lớn 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Khanh (2004), Trẻ tự kỷ - thiên thần bất hạnh, Nhà xuất Phụ Nữ [2] Nguyễn Văn Siêm (2007), Tâm bệnh học trẻ em thiếu niên, Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội [3] Nguyễn Minh Tiến (2005), Tổng quan tự kỷ, Nhà xuất Y học [4] Trung tâm nghiên cứu giáo dục chăm sóc trẻ em (2011), Những điều cần biết hội chứng tự kỷ, Nhà xuất Đại Học Sư Phạm [5] TS Phạm Toàn, BS Lâm Hiếu Minh (2014), Thấu hiểu hỗ trợ trẻ tự kỷ, Nhà xuất trẻ [6] Võ Nguyễn Tinh Vân (2012), Để hiểu chứng tự kỷ, Nhóm tương trợ phụ huynh Việt Nam có khuyết tật chậm phát triển New South Wales, Nxb Bamboo, Australia [7] Nguyễn Văn Hiệu, Đỗ Thị Thu Hà, “Hệ thống chẩn đoán bệnh tự kỷ sử dụng định, “Tạp chí KHCN-ĐHĐN”, Số: 11(96) Trang: 96-101 Năm 2015 [8] Đỗ Thị Thu Hà, Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật định xây dựng hệ thống dự đoán bệnh tự kỷ trẻ em; Luận án thạc sỹ ngành KHMTĐHĐN, năm 2015 [9] Nguyễn Văn Hiệu, “Cải tiến thuật toán định c4.5 cho vấn đề phân nhóm trẻ tự kỷ”; Tạp chí KHCN-ĐHĐN, Số: 5(114) Năm 2017 [10] Nguyễn Thị Thương; nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật phân nhóm xây dựng hệ thống dự đoán bệnh tự kỷ trẻ em; Luận án thạc sỹ ngành KHMT-ĐHĐN, năm 2016 [11] Community report on Autism 2016, Autism and Developmental Disabilities Monitoring Network [12] R.W Brause, “Medical Analysis by Nơron Networks” in proceeding ISMDA ’01 proceeding of the Second International Symposium on Medical Data Analysis, 2001, pp 1-13 [13] Diana Robins, Deborah Fein, Marinane Barton Modified Checklist for Autism in Toddlers, Revised with Follow-Up (M-CHAT-R/F) TM, [14] Childhood Autism Ratin Scale definition in Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Childhood_Autism_Rati ng_Scale 49 [15] Manojit Chattopadhyay, Pranab K Dan, Sitanath Majumdar, Partha Sarathi Chakraborty “Application of art ificial neural network in market segmentation: a review of recent trends” [16] Alfred Ultsch, Dieter Korus, Achim Wehrmann “Neural networks and their rules for classification in marine geology” [17] Chandra Prasetyo Utomo, Aan Kardiana Breast Cancer Diagnosis using Artificial Neural Networks with Extreme Learning Techniques, [18] Liliana Teodorescu “Artificial neural networks in high-energy physics”; Brunel University, United Kingdom ... tài: Ứng dụng mạng nơron xây dựng hệ thống hổ trợ chẩn đoán rối loạn phổ tự kỷ Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế liệuvề rối loạn sớm tự kỷ để phục vụ cho nghiên cứu phát triển ứng dụng Xây dựng phương... thực tiễn: ứng dụng vào quan Bệnh Viện Đa Khoa tỉnh Vĩnh Long việc ứng dung mạng nơ-ron xây dựng hệ thống hỗ trợ chẩn đoán tiền rối loạn phổ tự kỷ 4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỘI CHỨNG PHỔ TỰ KỶ 1.1 Giới...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN PHÚC VINH ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN RỐI LOẠN PHỔ TỰ KỶ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN