Nghiên cứu một số phương pháp của Trí tuệ tính toán ứng dụng trong Y học

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
1
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
2
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.
3
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.
4
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…
5
LOGO
TRÍ TUỆ TÍNH TOÁN - CI
Các thành phần của Trí tuệ tính toán
6
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
7
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.
8
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).
9
LOGO
MÔ HÌNH HỆ CHUYÊN GIA
10
LOGO
HỆ CHUYÊN GIA DỰA TRÊN LUẬT

Kiến trúc Hệ chuyên gia dựa trên luật
11
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.
12
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.
13
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.

14
LOGO
LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ CHẮC CHẮN
Luật với độ chắc chắn được biểu diễn dưới dạng:
IF E
1
AND E
2
…THEN H CF=CF
i
Yếu tố chắc chắn sử dụng trong MYCIN
15
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.
16
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.
17
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 A
1
AND A
2
AND … AND A
N

THEN B
•
IF A
1
OR A
2
OR … OR A
N
THEN B
18
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.
19
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
20
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.
21
LOGO
MÔ HÌNH CHẨN ĐOÁN
22
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)
23
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.
24
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.
LOGO
XÂY DỰNG CƠ CHẾ SUY DIỄN


Để xây dựng cơ chế suy diễn cho hệ, đầu tiên cần biểu diễn các tri thức về bệnh
khớp do bác sĩ cung cấp dưới dạng các quan hệ mờ.

Quan hệ triệu chứng - bệnh nhân: R
SP
(mức độ xuất hiện của tổ hợp triệu chứng tiền đề ở bệnh nhân)
25