Спосіб діагностики стану об’єкта із визначенням проміжного стану

Реферат: Спосіб діагностики стану об’єкта із визначенням проміжного стану належить до діагностики стану об'єктів різної природи і може бути використаний для оцінки достовірності класифікації стану об'єктів на 3 стани - негативний, проміжний і позитивний, тобто на основі визначення їх стану з використанням проміжного стану. У способі формують дві групи, вимірюють діагностичний параметр у кожного об'єкта, обчислюють нормовані та згладжені статистичні функції розподілу груп, функції ймовірності двох (позитивного та негативного) класів та функції належності зазначених трьох станів. Послідовно обчислюють нижню і верхню границі проміжного інтервалу значень діагностичного параметра, ймовірності похибок 1-го та 2-го роду, точності діагностики, а також їх середні величини. Технічним результатом є підвищення точності діагностики крайніх (негативного та позитивного) станів. UA 98838 C2 (12) UA 98838 C2 UA 98838 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується галузі діагностики і може бути застосований до діагностики стану технічних пристроїв чи біологічних об'єктів (наприклад, діагностика хвороб людини). Задача діагностики полягає у віднесенні стану об'єкта до одного з декількох станів. Її складність полягає у тому, що, як правило, діапазони значень діагностичного параметра для груп об'єктів з різними станами перекриваються. Тому вирішення задачі є неоднозначним і залежить як від статистичних властивостей зазначених груп, так і власне від способу визначення стану об'єкта. Подібні задачі зустрічаються як в фізико-технічних галузях, так і в галузях, пов'язаних з життєвими потребами людини (біологія, медицина) і є частковим випадком задачі класифікації. У медицині групи - це певні вибірки пацієнтів, параметри - це кількісні показники інструментальних методів діагностики, а класи - діагностичні висновки про відсутність чи наявність певного захворювання, його характер, форму чи ступінь. У техніці групи утворені набором певних технічних пристроїв або набором значень діагностичного параметра для одного об'єкта. Тут параметрами є вимірювані фізичні величини, що реєструються від пристрою, що підлягає контролю, налагодженню або тестуванню (відбракуванню), а класи висновки про стан пристрою (технічного об'єкта). Достовірність класифікації (точність діагностики) в першу чергу залежить від типу вирішувального правила (ВП). Найпростіше порогове ВП розбиває групу на два класи (негативний і позитивний) залежно від критичного значення параметра (порога) Х КР. Відомо, що мають місце помилки 1-го роду α (пропуску цілі, хибно негативні об'єкти) та 2-го роду β (хибної тривоги, хибно позитивні об'єкти), зумовлені зазначеним вище перекриттям діапазонів значень діагностичного параметра для різних класів, тобто станів об'єкта. Для оцінки достовірності класифікації застосовують критерії типу "ефект/(ефект+втрати)". Тут під втратами розуміють ймовірність помилок (хибно класифіковані об'єкти - хибно негативні та хибно позитивні), а під корисним ефектом - ймовірність правильної класифікації (правильно класифіковані об'єкти - істинно позитивні та істинно негативні). Наприклад, в медицині застосовуються такі показники точності діагностики як Специфічність (С), Чутливість (Ч), Негативна (П-) та Позитивна (П+) прогностичності. Специфічність (чутливість) - це відношення кількості істинно негативних (позитивних) до кількості здорових (хворих). Негативна (позитивна) прогностичність - це відношення істинно негативних (позитивних) до всіх негативних (позитивних) - суми істинних та хибних. Відомі методи класифікації груп на основі порогового ВП передбачають обчислення порога, похибок 1-го та 2-го родів, а також достовірності класифікації. У цьому зв'язку відомий патент на винахід UA 84884, взятий за прототип [Спосіб класифікації групи пацієнтів, Будник М., Закорчений О.], суть якого полягає у класифікації пацієнтів на два класи - негативний і позитивний. У цьому способі проводять вимірювання певного діагностичного параметра для двох груп об'єктів, обчислюють нормовані та згладжені емпіричні функції розподілу (ФР) та медіани груп. Ідея способу-прототипу полягає у тому, що точка перетину обох ФР однозначно вирішує задачу класифікації, а саме - абсциса точки перетину графіків обох ФР дає критичне значення (поріг) ХКР параметра, а ордината точки перетину рівна ймовірності похибок обох родів γ=α=β. Достовірність класифікації характеризують діагностичною цінністю, яка визначається як V=1-γ. Перевагою способу є слабка чутливість порога до відхилення форми ФР від гаусової (асиметрія, ексцес, неунімодальність), спричинених дією зовнішніх неінформативних факторів та малою кількістю об'єктів у групах. Також даний спосіб не залежить від нерівної кількості об'єктів у групах і вирівнює ймовірності похибок обох родів. Обчислений згідно з прототипом поріг є "ідеальним" у тому сенсі, що всі 4 показники діагностичної цінності - С, Ч, П- та П+, рівні між собою, що спрощує оцінку точності діагностики на основі даного параметра за рахунок переходу до єдиного показника V замість вказаних 4-х. Практичним недоліком винаходу UA 84884 є те, що достовірність класифікації з використанням порогового ВП часто занадто мала для практичних потреб галузі техніки (наприклад, для медичної діагностики). Так, приведені у конкретній реалізації прототипу достовірності класифікації знаходяться у діапазоні 60-70 %. Особливо це стосується нових клінічних методів діагностики, де пошук та відбір діагностичних критеріїв обтяжений рядом негативних факторів (недостатня кількість осіб у навчальних групах, їх великий статистичний розкид, неоднорідність стосовно впливу неінформативних факторів та ін.). Проте порогове ВП, яке відносить об'єкти лише до двох класів, є найбільш простим, а отже грубим та примітивним. Вдосконалення ВП потребує його ускладнення на основі багатозначних (нечітких) логік, що має забезпечити формулювання детальних висновків про стани об'єкта. 1 UA 98838 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найпростішим способом ускладнення є класифікація на три класи. Сучасний рівень техніки демонструє застосування таких більш складних ВП. Наприклад, у корисній моделі UA 13309 [Спосіб оцінки агресії при соціальних взаєминах у жінок, хворих на параноїдну шизофренію, Хоміцький М.Є., Самохвалов В.П., Бюл. № 3, 2006] таке правило має вигляд: Малий ризик - Середній ризик - Великий ризик. Тут, якщо відсоток агресивних подій при поведінці хворого менше 10 %, ступінь агресії оцінюють як низький, при 10-20 % - як середній, а при відсотку, більшому 20 - як високий ступінь агресії у пацієнта. У корисній моделі UA 13427 [Спосіб оцінки гетерогенності процесів електричного збудження та відновлення у серці, Захрабова О.М., Будник М.М., Стаднюк Л.А. та ін. Бюл. № 3, 2006] таке правило має вигляд: Норма - Ризик захворювання - Патологія. Тут обчислюють границі інтервалу значень діагностичного параметра ПВ (так звана зона ризику) для трьох різних часових інтервалів кардіоциклу і визначають ступінь анормальності вказаних процесів у міокарді. При великому ступені анормальності, тобто при виході за межі зони ризику (границя патології) робиться висновок про те, що гетерогенність має патологічний характер. В зоні ризику ступінь анормальності електричних процесів в серці малий, отже існує тільки ризик порушень процесів електричного збудження та відновлення у серці. У заявці UA а200901201 [Спосіб визначення зони сумніву (ризику) при діагностиці стану об'єктів, Будник М.] середній інтервал значень параметра (межі зони сумніву або ризику) обраховують на основі функцій належності (ФН) груп. В результаті синтезують ВП, яке розділяє групу на 3 класи - негативні, проміжні та позитивні. Перевагою способу по заявці UA а200901201 є те, що наявність проміжного класу, який відповідає зоні сумніву (ризику), дає можливість підвищити достовірність класифікації за рахунок виключення з кількості хибно класифікованих об'єктів, що потрапляють в зону сумніву. Недолік цього способу - не вказано спосіб обчислення точності діагностики і в реалізації не показано, наскільки ця точність підвищується. Таким чином, у патенті UA 84884 запропоновано спосіб класифікації 2-х груп на основі порогового правила та обчислена достовірність класифікації об'єктів на його основі. У заявці UA а200901201 запропоновано більш складне тризначне ВП, по суті з урахуванням проміжного стану, але не вказано спосіб обчислення точності діагностики при його застосуванні. Отже, аналіз сучасного рівня техніки показав відсутність способу обчислення точності тризначного ВП, призначеного для віднесення об'єкта до одного з 3-х класів, згідно зі станом, в якому він перебуває. Тому в основу даного винаходу поставлена технічна задача розробки способу обчислення точності діагностики стану об'єктів із визначенням проміжного стану, у якому шляхом застосування нових дій, режимів виконання дій та емпірично визначених границь показників підвищується точність діагностики позитивного чи негативного стану об'єкта. Основна ідея даного винаходу полягає у розвитку та поєднанні способів дій, описаних у винаході UA 84884 та заявці UA а200901201, які є найближчими аналогами пропонованого способу. Новим порівняно із сучасним рівнем техніки є те, що пропонований спосіб дозволяє: 1) обрахувати кориговану ймовірність похибок 1-го (2-го) роду α (β), тобто ймовірність похибок за виключенням об'єктів, віднесених до проміжного стану; 3) визначити точність віднесення об'єктів до крайніх (негативного та позитивного) станів V1 (2); 4) визначити середню ймовірність помилок γ К і середню достовірність класифікації VК. Суть пропонованого способу полягає у підвищенні точності визначення позитивного і негативного станів об'єкта за рахунок виключення з числа хибно класифікованих об'єктів, віднесених до проміжного стану, тобто для яких діагностичний параметр знаходиться у середньому інтервалі значень. Далі такі показники точності будемо називати коригованими, на відміну від звичайних, обчислених згідно з прототипом. Поставлена задача у способі діагностики станів об'єкта із визначенням проміжного стану вирішується шляхом 1) обчислення ймовірності похибки 1-го роду α як величини функції ймовірності (ФЙ) позитивного стану F2(X), при значенні діагностичного параметра X, рівного першій межі Х1 проміжного інтервалу згідно з виразом α=F2(X=X1), (1) 2) обчислення ймовірності похибки 2-го роду β як величини ФЙ негативного стану F1(X) при значенні діагностичного параметра X, рівного другій межі Х2 проміжного інтервалу згідно з виразом β=F1(X=X2), (2) 3) обчислення точності віднесення об'єктів до негативного стану V1 згідно з виразом 2 UA 98838 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 V1=1-β, (3) 4) обчислення точності віднесення об'єктів до позитивного стану V2 згідно з виразом V2=1-α, (4) 5) обчислення середньої ймовірності похибок класифікації γ для негативного та позивного станів згідно з виразом γК=(α+β)/2, (5) 6) обчислення середньої точності діагностики V для негативного та позивного станів згідно з виразом VК=(V1+V2)/2, (6) Технічний результат полягає у: 1) підвищенні точності діагностики за рахунок додаткового застосування проміжного стану об'єкта; 2) попередженні аварій (несправностей) технічних об'єктів чи патологій, загрозливих для життя людини; 3) зменшенні витрат на етап навчання, оскільки даний спосіб не потребує формування окремої навчальної групи об'єктів, які належать до проміжного стану; 4) підвищенні надійності діагностики за рахунок однозначного визначення проміжного стану за рахунок монотонності ФЙ та ФН; 5) розширення галузі застосування за рахунок того, що зміст станів визначається специфікою галузі техніки; 6) запобіганні потрапляння об'єкта в анормальний стан (хвороба у людини чи несправність технічного об'єкта) за рахунок здійснення дій з метою коригування його стану (профілактика для людини та регулювання технічного об'єкта). Короткий опис ілюстрацій: Фіг. 1. Визначення коригованих похибок 1-го та 2-го роду для діагностичного параметра МР. 1 - ФЙ негативного стану, 2 - ФЙ позитивного стану, 3 - ФН негативного стану, 4 - ФН позитивного стану, 5 - ФН проміжного стану, 6 - точка перетину ФН негативного стану з ФН проміжного стану, 7 - точка перетину ФН позитивного стану з ФН проміжного стану, 8 - точка, по якій визначають величину похибки 1-го роду, 9 - точка, по якій визначають величину похибки 2го роду. Фіг. 2. Визначення коригованих похибок 1-го та 2-го роду для діагностичного параметра Nst. 1 - ФЙ негативного стану, 2 - ФЙ позитивного стану, 3 - ФН негативного стану, 4 - ФН позитивного стану, 5 - ФН проміжного стану, 6 - точка перетину ФН негативного стану з ФН проміжного стану, 7 - точка перетину ФН позитивного стану з ФН проміжного стану, 8 - точка, по якій визначають величину похибки 1-го роду, 9 - точка, по якій визначають величину похибки 2го роду. Таблиця 1. Результати класифікації груп "Здорові - хворі ІХС" із урахуванням проміжного стану. Таблиця 2. Порівняння достовірності класифікації на основі порогового вирішувального правила згідно зі способом-прототипом UA 84884 та пропонованого тризначного правила. Конкретна реалізація пропонованого способу передбачає проведення магнітокардіографії (МКГ) для груп здорових (контрольна група, КГ) та хворих на ішемічну хворобу серця (ІХС) з побудовою карт розподілу магнітного поля (МКГ-карт) у квадраті 20×20 см над грудною кліткою пацієнта. Ці дії аналогічні діям, застосованим у патентах UA 74466 та UA 13427. Далі відбирається послідовність 32-х карт протягом ST-T-інтервалу, для яких обчислюється ряд кількісних діагностичних параметрів. Для ілюстрації відібрано два з них - МР і Nst, з огляду на те, що перший має розподіл, близький до гаусового, а другий - має значну асиметрію. Потім групи параметрів для груп здорових та ІХС піддають статистичній обробці, обчислюють медіани груп та поріг. Ці дії аналогічні методам, що застосовані у способі-прототипі UA 84884. Далі обчислюють ФН негативного і позитивного станів, а також ФН проміжного стану, яка описує можливість наявності осіб, які мають ризик виникнення хвороби. При цьому абсциса точки перетину ФН негативного (позитивного) стану з ФН проміжного стану дає межу Х1 (Х2), яка розділяє проміжний та негативний (позитивний) стани, тобто стани здоровий (хворий) дивися точки 6 та 7 на Фіг. 1, 2. Точки перетину ФН визначають межі проміжного інтервалу значень діагностичного параметра так, що весь діапазон значень розбивається на 3 інтервали: (1) Х