Ứng dụng logic mờ xây dựng hệ thống hỗ trợ chẩn đoán lâm sàng bệnh đau co thắt ngực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HỒ THỊ VĨNH THANH ỨNG DỤNG LOGIC MỜ XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN LÂM SÀNG BỆNH ĐAU CO THẮT NGỰC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số : 60.48.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HIỆU Phản biện 1: PGS.TS. Lê Văn Sơn Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Thanh Thủy Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại Học Đà Nẵng vào ngày 18 tháng 05 năm 2013. Có thể tìm hiểu Luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nước ta đang trên đà phát triển và hội nhập. Hệ thống Y tế và Giáo dục vẫn còn nhiều bất cập và hạn chế, đặc biệt là các cơ sở vùng sâu vùng xa, chưa có điều kiện tiếp cận với công nghệ hiện đại. Đội ngũ Y Bác sĩ chưa đủ để đáp ứng với tình trạng bệnh nhân ngày càng tăng cả về số lượng và loại bệnh. Nhận thức của người dân về bệnh tật và cách sơ cứu cũng mơ hồ. Nếu muốn đưa bệnh nhân đến được các bệnh viện trung tâm thì mất nhiều thời gian…Để khắc phục những khó khăn này, chúng ta cần có công cụ gần gũi với thực tiễn, người dùng dễ sử dụng và linh hoạt để có thể giúp bệnh nhân và Y Bác sĩ phát hiện bệnh và điều trị kịp thời. Hiện nay, hàng năm có đến hàng triệu người phải cầu viện đến sự giúp đỡ của Y học để đối phó với bệnh đau thắt ngực. Theo thống kê của tổ chức Y tế Thế giới (WHO) thì cứ 2 giây có 1 người chết vì bệnh tim mạch; Cứ 5 giây có một trường hợp nhồi máu cơ tim; Cứ 6 giây có 1 trường hợp đột quỵ; .[14] Đây là một loại bệnh thường gặp nhưng việc chẩn đoán bệnh không phải lúc nào cũng đạt kết quả chính xác. Vấn đề đặt ra là từ tri thức và các kinh nghiệm thực tế của các Y bác sĩ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh đau thắt ngực từ hàng thế kỷ qua, làm thế nào để tập hợp chúng thành các quy luật và đưa vào máy tính để từ đó giúp ta chẩn đoán được nguyên nhân gây bệnh và đề xuất phương án điều trị ban đầu. 2 Thực ra, đau thắt ngực không phải là một bệnh mà là một triệu chứng trong nhiều triệu chứng khác nhau nhưng do nó tác động mạnh mẽ đến bệnh nhân nên người ta thường gọi nó là một bệnh – bệnh đau co thắt ngực. Đau ngực là một triệu chứng thường gặp có nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó có một số nguyên nhân cần phải được can thiệp nhanh chóng chẳng hạn như đau thắt ngực, nhồi máu cơ tim, hoặc bóc tách động mạch chủ. Những nguyên nhân gây đau ngực khác có thể không cần can thiệp ngay lập tức bao gồm co thắt thực quản, đau do túi mật, viêm thành ngực. Chẩn đoán chính xác là yếu tố quan trọng giúp điều trị đúng cho những bệnh nhân bị đau ngực.Để chẩn đoán được các nguyên nhân này, ngoài triệu chứng chính là đau ngực thì cần phải kết hợp với nhiều triệu chứng khác nhau cũng như các đặc điểm của cơn đau như cường độ đau, thời điểm xảy ra cơn đau, thời gian mà cơn đau kéo dài, . Do đó, quá trình chẩn đoán có thể xem như một quá trình xử lý các thông tin đầu vào (các triệu chứng, đặc điểm cơn đau, ) để xác định thông tin đầu ra (các bệnh dẫn đến chứng đau co thắt ngực). Về mặt toán học thì công việc này tương đương với việc giải một phương trình nhiều ẩn số và khi lượng ẩn số quá lớn thì việc giải là rất khó khăn. Một cách để khắc phục công việc khó khăn này là ứng dụng Logic mờ - một cách tiếp cận mới có khả năng ứng dụng và mang lại nhiều kết quả thực tiễn. Ngày nay việc ứng dụng Logic mờ vào các nghành khoa học đã phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên việc xây 3 dựng các hệ chẩn đoán Y học như vậy ở nước ta vẫn còn khá khiêm tốn. Vì vậy, trong khuôn khổ của một luận văn Cao học, em chỉ muốn đưa ra một giải pháp để thực hiện hệ chẩn đoán bệnh đau thắt ngực dựa trên các triệu chứng lâm sàng, đề xuất phương pháp điều trị ban đầu trước khi phải nhờ vào các xét nghiệm chuyên khoa. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ Mục tiêu của đề tài là nhằm cải thiện và nâng cao hiệu quả trong việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào chẩn đoán bệnh. Để thực hiện được mục tiêu, cần phải thực hiện những nhiệm vụ cơ bản sau đây: - Tìm hiểu Y học, thu thập các triệu chứng liên quan tới biểu hiện lâm sàng của bệnh đau thắt ngực và các bệnh liên quan. - Tìm hiểu và ứng dụng Logic mờ trong quá trình chẩn đoán. Xây dựng các luật hình thành nên bệnh từ các triệu chứng. - Xây dựng ứng dụng cho phép chẩn đoán bệnh và xuất ra kết quả là bệnh án của từng bệnh nhân. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là phương pháp ứng dụng Logic mờ vào hệ thống chẩn đoán bệnh đau co thắt ngực. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết logic mờ, cơ chế suy diễn mờ và các thông tin liên quan đến bệnh đau co thắt ngực Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp ứng dụng Logic mờ vào hệ thống hỗ trợ chẩn đoán bệnh đau co thắt ngực. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu lý thuyết về Lôgic mờ và cơ chế suy diễn. - Tìm hiểu các triệu chứng lâm sàng của bệnh đau co thắt ngực và nguyên nhân gây bệnh. Trình bày dưới dạng các mệnh đề Nếu – Thì. - Xây dựng các tập luật mờ dựa trên mối tương quan giữa triệu chứng và nguyên nhân gây bệnh. - Sử dụng ngôn ngữ C# để viết chương trình. Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm trên các công cụ phát triển hệ thống hỗ trợ chuẩn đoán bệnh 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1. Ý nghĩa khoa học - Nâng cao chất lượng, độ chính xác và kịp thời trong việc khám chữa bệnh; - Làm chủ được công nghệ chẩn đoán bệnh hiện đại; 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả thu được từ thực nghiệm có thể được áp dụng để chẩn đoán nhiều loại bệnh lý khác nhau; . 6. Nội dung tóm tắt Chương 1: Trình bày tổng quan về bệnh đau thắt ngực. Các triệu chứng, đặc điểm của bệnh cũng như các nguyên nhân gây bệnh và trình bày các khái niệm về Lôgic mờ và cơ chế suy diễn mờ được ứng dụng vào Luận văn. 5 Chương 2: Trình bày cụ thể triệu chứng và đặc điểm của các bệnh dẫn đến đau thắt ngực dưới dạng các mệnh đề Nếu – Thì. Liên kết các mệnh đề này thành hệ thống Luật mờ phục vụ cho chẩn đoán bệnh. Mô tả quy trình ứng dụng Lôgic mờ trong hệ thống chẩn đoán. Phân tích thiết kế hệ thống theo hướng đối tượng. Chương 3: Trình bày việc xây dựng và triển khai ứng dụng Cuối cùng là phần đánh giá, kết luận và hướng phát triển của đề tài. 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN BỆNH ĐAU THẮT NGỰC VÀ LÝ THUYẾT LOGIC MỜ 1.1. TỔNG QUAN BỆNH ĐAU CO THẮT NGỰC 1.1.1. Khái niệm và cấu trúc cơ quan nội tạng 1.1.2. Cƣờng độ và vị trí đau 1.1.3. Nguyên nhân gây bệnh 1.1.4. Biểu hiện lâm sàng của bệnh đau co thắt ngực 1.2. LOGIC MỜ VÀ CƠ CHẾ SUY DIỄN MỜ 1.2.1. Khái niệm logic mờ 1.2.2. Logic mờ và các phép toán 1.2.3. Cơ chế suy diễn mờ 1.2.4. Điều khiển logic mờ Cơ chế suy diễn kết hợp các luật trong cơ sở luật thành một ánh xạ từ tập mờ A’ trong U đến tập mờ B’ trong V. Do trong nhiều ứng dụng có ngõ ra và ngõ vào của hệ thống mờ là các giá trị thực nên chúng ta phải xây dựng các giao diện giữa cơ chế suy diễn và môi trường. Các giao diện này là bộ mờ hóa và bộ giải mờ. Bộ mờ hóa là phép ánh xạ từ một điểm có giá trị thực x * U Rn vào một tập mờ A’ trong U. Người ta thường dùng 3 loại mờ hóa sau: Bộ mờ hóa Singleton: Bộ mờ hóa này ánh xạ một điểm thực X* U vào một singleton mờ A’ trong U có giá trị độ phụ thuộc là 1 tại x* và 0 tại tất cả các điểm khác trong U, nghĩa là: 7 µ A’(x) = Bộ mờ hóa Gaussian: ánh xạ x* U thành một tập mờ A’ trong U có hàm thuộc Gaussian như sau: (1.16) Với ai là các thông số dương và t-norm * thường được chọn là phép tích đại số hoặc phép toán min. Bộ mờ hóa tam giác: ánh xạ x* U vào tập mờ A’ trong U có hàm thuộc tam giác như sau: (1.17) Với b i là các thông số dương và t-norm * thường được chọn là phép tích đại số hoặc phép toán min. Bộ giải mờ là phép ánh xạ từ tập mờ B’ trong V R(là ngõ ra của cơ chế suy diễn) thành điểm rõ y* V. Việc giải mờ là tìm một điểm trong V biểu diễn tốt nhất tập mờ B’. Để chọn lựa sơ đồ giải mờ, người ta tuân theo ba tiêu chuẩn sau: - Tính hợp lý - Tính toán đơn giản - Tính liên tục 8 CHƢƠNG 2 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHẨN ĐOÁN LÂM SÀNG BỆNH ĐAU THẮT NGỰC 2.1. QUY TRÌNH CHẨN ĐOÁN BỆNH 2.1.1. Lập luận chẩn đoán bệnh 2.1.2. Quy trình chẩn đoán Trình tự chẩn đoán lâm sàng bệnh đau thắt ngực: Hình 2.1. Trình tự chẩn đoán lâm sàng 2.1.3. Các triệu chứng lâm sàng của bệnh đau thắt ngực 2.2. MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHẨN ĐOÁN 2.2.1. Thông tin mờ 2.2.2. Luật xấp xỉ 2.2.3. Mô hình hóa Thu thập các triệu chứng lâm sàng Xác định loại bệnh liên quan đến đau thắt ngực Giải thích căn bệnh Đề xuất phương án điều trị sơ khởi Kết thúc