nghiên cứu một số phương pháp của trí tuệ tính toán ứng dụng trong y học

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
Hà nội, 4/2012
LOGO
Nghiên cứu một số phương pháp của
Trí tuệ tính toán ứng dụng trong Y học
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN HOÀNG PHƯƠNG
HỌC VIÊN: NGÔ THỊ DIỆU THÚY
2
LOGO
Nội dung
Đặt vấn đề
1
Giới thiệu về Trí tuệ tính toán
2
Bệnh khớp và Mô hình chẩn đoán
3
Xây dựng và Cài đặt thử nghiệm
4
Kết luận và Hướng phát triển
5
3
LOGO
ĐẶT VẤN ĐỀ

Trí tuệ tính toán là phương pháp dùng để xử
lý các tình huống phức tạp trong đó hiểu biết
của chúng ta là không chính xác.

Y tế là một ngành đặc thù với nhiều vấn đề
phức tạp và khó giải quyết.

Ứng dụng Trí tuệ tính toán vào
công tác quản lý điều hành và khám chữa bệnh
là cần thiết và hiệu quả.
4
LOGO
ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay vấn đề chẩn đoán trong Y tế còn gặp
nhiều khó khăn do lượng dữ liệu lớn và độ tin
cậy chưa cao…

Bệnh khớp là bệnh khá phổ biến ở Việt Nam.

Chưa có hệ chuyên gia chẩn đoán bệnh khớp
được áp dụng tại các cơ sở khám chữa bệnh.

Ứng dụng Trí tuệ tính toán nhằm hỗ trợ chẩn
đoán bệnh khớp là giải pháp giúp chẩn đoán
nhanh hơn, chính xác hơn.
5
LOGO
TRÍ TUỆ TÍNH TOÁN - CI

Khái niệm:

Theo Bezdek: “Hệ thống CI được đặc trưng bởi khả
năng thích nghi tính toán, chịu lỗi, tốc độ tính toán
cao, và lỗi ít bị nhiễu bởi các nguồn thông tin”.

Theo Mark: “… mạng nơron, các thuật giải di truyền,

hệ mờ, lập trình tiến hóa và đời sống nhân tạo là
những viên gạch tạo thành CI.”

CI bao gồm logic mờ, mạng nơron nhân tạo, thuật
giải di truyền, lập luận xác suất, các phương pháp
học, lý thuyết hỗn độn, hệ chuyên gia…
6
LOGO
TRÍ TUỆ TÍNH TOÁN - CI
Các thành phần của Trí tuệ tính toán
7
LOGO
MẠNG NƠRON - NN

Mạng nơron: là một tập hợp các dây thần kinh
kết nối với nhau (theo nghĩa sinh học).

Mạng nơ-ron xác định hai khái niệm phân biệt:

Mạng nơron nhân tạo

Mạng nơron sinh học
8
LOGO
MẠNG NƠRON

Mạng nơron nhân tạo (ANN):

Được McCulloch và Pitts đề xuất năm 1943.


Dựa trên cấu trúc của bộ não con người.

Có thể thực hiện các bài toán nhận mẫu, tối ưu,
nhận dạng và điều khiển cho các đối tượng tuyến
tính và phi tuyến đạt hiệu quả hơn so với các
phương pháp tính toán truyền thống.

Bao gồm sự liên kết của nhiều nơron. Đầu ra của
mỗi nơron kết nối với các nơron khác thông qua
các trọng số, hoặc tự phản hồi trở về đầu vào của
chính nó.
9
LOGO
HỆ CHUYÊN GIA - ES

Là một hệ thống được xây dựng trên máy tính
có khả năng giải quyết các bài toán như một
chuyên gia người bằng cách sử dụng những tri
thức chuyên môn được mô hình hóa qua các
modul của chương trình.

Một hệ chuyên gia được xây dựng từ 2 thành
phần chính:

Cơ sở tri thức (knowledge base)

Cơ chế suy diễn (inference engine).
10
LOGO
MÔ HÌNH HỆ CHUYÊN GIA

11
LOGO
HỆ CHUYÊN GIA DỰA TRÊN LUẬT

Kiến trúc Hệ chuyên gia dựa trên luật
12
LOGO
HỆ CHUYÊN GIA DỰA TRÊN LUẬT

Nhược điểm:

Các sự kiện muốn đồng nhất, phải khớp nhau hoàn
toàn → các sự kiện cùng một ý nghĩa phải giống
nhau về cú pháp nhưng thực tế, ngôn ngữ tự nhiên
lại không như vậy.

Khó tìm mối quan hệ giữa các luật trong một chuỗi
suy luận vì chúng có thể nằm rải rác trong CSTT.

Có thể hoạt động chậm.

Nhà phát triển phải hình dung mọi sự kiện ở dạng
luật trong khi không phải bài toán nào cũng có thể
thực hiện được điều này.
13
LOGO
HỆ CHUYÊN GIA DỰA TRÊN LUẬT

Ưu điểm:


Diễn tả được ngôn ngữ tự nhiên thông qua biểu
diễn tri thức tự nhiên: IF … THEN.

Tri thức là tập các luật có tính độc lập cao. Do
vậy dễ thay đổi, chỉnh sửa.

Dễ mở rộng.

Tận dụng được tri thức Heuristic.

Có thể dùng biến trong luật, truy xuất chương
trình ngoài.
14
LOGO
HỆ CHUYÊN GIA DỰA TRÊN LUẬT

Với những ưu điểm trên, HCG dựa trên luật là
lời giải thích hợp cho những bài toán mà tri thức
đầu vào được cung cấp bởi các chuyên gia bác
sĩ trong lĩnh vực y học.

Với HCG dựa trên luật, các tri thức này có thể
được mã hóa, cài đặt vào hệ thống, mô phỏng
chính xác theo cách làm việc của các bác sĩ.

Ví dụ điển hình là hệ MYCIN (HCG chẩn đoán
bệnh nhiễm trùng máu) - thước đo cho nhiều
HCG dựa trên luật sau này.
15
LOGO

LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ CHẮC CHẮN
Luật với độ chắc chắn được biểu diễn dưới dạng:
IF E1 AND E2…THEN H CF=CFi
Yếu tố chắc chắn sử dụng trong MYCIN
16
LOGO
LOGIC MỜ (FL)

Logic mờ được xây dựng như sự tổng quát hóa
của logic đa trị, cho phép lập luận trên các đối
tượng thực tế được định nghĩa không rõ ràng như
các thực thể quan hệ.

Giá trị chân lý có thể là một điểm trong khoảng
[0,1], hay là một nhãn như đúng, sai, rất đúng, sai
hơn…

Lý thuyết tập mờ và logic mờ là cơ sở phù hợp và
có thể ứng dụng vào việc phát triển các hệ thống
dựa trên tri thức trong y học, đặc biệt trong Y học
cổ truyền.
17
LOGO
LOGIC MỜ

Sự kiện mờ

Với một hệ chuyên gia chẩn đoán bệnh nói
chung, tri thức của các bác sĩ chính là những sự
kiện mờ. Các sự kiện mờ này được mô tả dưới

dạng các biến ngôn ngữ tương ứng. Ví dụ:
•
Biến ngôn ngữ X = “sưng khớp”.
•
X có thể được mô tả dưới các giá trị ngôn ngữ: A
= {“hơi sưng”, “sưng vừa”, “rất sưng”}
•
Sự kiện mờ được biểu diễn ở dạng: X is A.
18
LOGO
LOGIC MỜ

Biểu diễn luật mờ

Một luật mờ bao gồm: Các tiền đề chứa trong phần
IF và kết luận chứa trong phần THEN. Các tiền đề
và kết luận trong luật mờ là những giá trị mờ, được
nối với nhau bằng toán tử AND. Luật mờ đơn giản
được biểu diễn như sau:
IF X IS A THEN Y IS B

Suy diễn mờ

Trong thực tế, có những luật mờ có dạng
•
IF A1 AND A2 AND … AND AN THEN B
•
IF A1 OR A2 OR … OR AN THEN B
19
LOGO

LOGIC MỜ

Lý do sử dụng Lý thuyết tập mờ trong Hệ
chuyên gia:

Trao đổi thông tin theo cách “tự nhiên”.

Cơ sở tri thức của một hệ chuyên gia là nơi chứa
đựng kiến thức của con người.

“Xử lý sự không chắc chắn” chiếm một vai trò
đặc biệt quan trọng trong hệ chuyên gia.

Xây dựng hệ chuyên gia chẩn
đoán bệnh khớp với việc áp
dụng kết hợp Logic mờ và Lý
thuyết về độ chắc chắn.
20
LOGO
BỆNH KHỚP và CHẨN ĐOÁN

Hàng năm có ~700-750 người mới mắc viêm
khớp dạng thấp trên một triệu dân từ 15 tuổi trở
lên, trong đó, khoảng 80% ở độ tuổi trung niên,
chủ yếu là Viêm khớp dạng thấp (VKDT).

VKDT được coi là bệnh tự miễn với nhiều yếu tố
ảnh hưởng như môi trường, cơ địa, di truyền,
hoặc hoóc môn.


Người mắc bệnh thường dễ nhầm lẫn với đau
khớp thông thường nên không đi khám.

Hiện nay chưa có phương pháp điều trị khỏi hẳn
21
LOGO
BỆNH KHỚP và CHẨN ĐOÁN

Các thuốc điều trị hỗ trợ: Diclofenac, Ibuprofen,
Meloxicam hay Corticoid được sử dụng để
giảm đau và viêm tức thì, giúp bệnh nhân cảm
thấy giảm bệnh nhưng lại phụ thuộc vào thuốc
và có các tác dụng phụ nguy hiểm.

Phẫu thuật không làm thay đổi diễn tiến bệnh do
VKDT có tổn thương rất nhiều khớp.

Hệ chuyên gia chẩn đoán bệnh khớp sẽ giúp ích
cho các bác sỹ chẩn đoán nhanh hơn, bệnh
nhân có thể ý thức được tình trạng bệnh.
22
LOGO
MÔ HÌNH CHẨN ĐOÁN
23
LOGO
TIÊU CHUẨN CHẨN ĐOÁN

Sử dụng tiêu chuẩn chẩn đoán lâm sàng bệnh
Viêm khớp dạng thấp của ACR 1987 (American
College of Rheumatology):


(TC1) Cứng khớp buổi sáng kéo dài trên 1 giờ

(TC2) Sưng đau kéo dài trên 6 tuần tối thiểu 3 vị
trí trong số 14 khớp:
•
Ngón tay gần (2), Bàn ngón (2), Cổ tay (2), Khuỷu
(2), Gối (2), Cổ chân (2), Bàn ngón chân (2)
24
LOGO
TIÊU CHUẨN CHẨN ĐOÁN

(TC3) Sưng đau một trong 3 vị trí:
•
Khớp ngón tay gần, Khớp bàn ngón, Khớp cổ tay.

(TC4) Sưng khớp đối xứng.

(TC5) Có hạt dưới da (Nốt thấp).

(TC6) Tìm thấy yếu tố dạng thấp trong huyết
thanh.

(TC7) Có tổn thương trên X quang: Khuyết bờ
xương, hủy sụn khớp. Khoảng cách giữa hai đầu
xương bị hẹp lại, trục khớp bị lệch.
25
Chẩn đoán xác định khi có 4/7 tiêu chuẩn trở
lên. Các yếu tố 1,2,3 và 4 kéo dài ít nhất 6 tuần.