无忧论文网眼科论文范文：眼科病疫在模式识别技能基础上的协助诊断体系分析

发布时间：2015-02-02 16:47

第1章绪论

1.1眼科疾病辅助诊断的科研意义
随着我国经济的发展和现代社会生活节奏的加快，人们在工作和学习中用眼的强度也在加大，于是医院眼科门诊的负担越来越大，因此借助科技手段减轻眼科医生的负担，从而提高医院眼科门诊的诊疗效率显得越来越重要。
近年来农民的健康问题越来越受到国家的重视，而在我国乡镇医院眼科专业医师还比较缺乏，响应国家改善农村医疗条件的号召，使广大农民兄弟享受到现代科技和现代医学成果具有重大的社会意义。因此，为乡镇医院医生设计一套即能辅助诊疗又能供经验不足的实习医生学习眼科诊疗过程的眼科辅助诊断系统是十分必要的。
专家系统在医学领域的应用已经很多见了，例如斯坦福大学研制的MYCIN系统，该系统通过询问医生一长串的问题，医生回答简单的是或否，通过规则推理的方法来诊断细菌感染类疾病。但是，真正能被医生接受并且投入临床的医学专家系统很少。经过对相关医学专家的走访和调研，笔者认为，以往的医学专家系统主要存在着两个缺陷。第一个缺陷是:以往的专家系统往往专注于将医学专家的经验整理成很多条规格化、形式化的规则，虽然这些规则在一定程度上体现了医学专家多年积累的诊疗经验，但是这是一个相对静止的，不能改变的基于规则的系统。医生对病人疾病的诊断是人脑面对复杂多变的疾病症状时的一种创造过程，它不是形式化的推理过程，它的来源是人脑的“直觉”与“灵感”。所以，以往专家系统用死的规则去应付复杂多变的疾病症状往往显得力不从心。
传统的医学专家系统的另一个缺陷是:忽视了医生诊断疾病的过程是先“诊”后“断”同时也是“诊”一“断”交替的一个过程。这里的“诊”是指:听了病人的主诉和给病人进行了初步检查后，为了确诊疾病，下一步应该按照何种思路思考病情，同时应该对病人进行哪些进一步的检查。这里的“断”是指:对病人进行了必要的检查后，综合病人的检查结果和身体症状，确诊病人所患的疾病。先“诊”后“断”很容易理解，医生必须先充分了解病人的症状，并作必要的检查后才能确诊疾几个疑似的疾病，然后医生会有针对性的对病人做进一步的检查，如此的“诊”一“断”交替直到确诊病人所患的疾病。病。“诊”一“断”交替是因为，医生听了病人的主诉和进行了初步检查后，在医生的头脑中应该对病人所患疾病有一个大概的判断方向。比如一个病人经初步检查存在某些症状，医生的头脑中会出现传统的医学专家系统的诊断过程是这样的，将病人症状输入专家系统中，由专家系统经过计算输出诊断结果。殊不知这个过程并非“先诊后断”的过程更不是“诊”一“断”交替的过程，而仅仅是“断”的过程。在实际的医生诊疗过程中，“诊”是“断”的前提和依据，“断”又为进一步的“诊”指明了方向，而且不会“断”的医生一定是因为不会“诊”，会“诊”的医生必然会“断”。因此医学专家系统便失去了意义。
以上指出的传统医学专家系统的两点缺陷，使得传统的医学专家系统得不到医生的认可，从而没有被广泛应用。如何克服传统医学专家系统的两大缺陷，并设计一种可以为医生所接受的，并且有实际应用价值的医学专家系统，用来在医生接诊病人的时候来配合医生工作，降低医生误诊率，同时提高诊疗效率是十分有意义的。
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1.2依托项目介绍
本文研究的眼科疾病辅助诊断系统是远程可视诊疗系统的子系统。远程医疗诊断项目的目的是:为响应国家关于建立新型农村合作医疗的号召利用先进科技为农村卫生体系建设服务。该项目建立一个远程可视诊疗系统。该系统建立省级医院与全省各地市医院、区县医院和社区医院的远程医疗网络，使全省患者能方便地享用远程医疗网所提供的优秀医学医疗资源，通过远程会诊、远程治疗等方式极大的方便病人就医，造福百姓。使医院的服务能力覆盖全省。
远程可视诊疗系统的两大主要功能是:
第一、对乡镇患者进行远程可视化诊疗:患者只需通过该省城医院合作医院的远程诊疗中心或诊断终端站点或该省城医院的咨询站点，就能享受到等同于到省城的医疗服务，节省患者大量时间和金钱。免去了乡镇居民奔波到省城中心医院看病的麻烦。
第二、乡镇医生可以通过会诊中心，接受远程医疗和远程培训，有效提高乡村医生技术水平，稳定、充实乡村卫生技术队伍。
本文研究的眼科疾病辅助诊断系统可以集成到远程可视诊疗系统中，该系统可以辅助乡镇眼科医生诊断病人疾病，还可以用来培训经验不足的乡镇经眼科医生。
本文研究的眼科疾病辅助诊断系统还可以作为患者较多的医院中眼科门诊的导诊系统。该系统会根据病人的眼部症状对病人的病情做初步诊断，病人可以根据该系统的判断结果，有针对性的选择擅长诊疗该疾病的医生。

1.3本文工作
本文所预计达到的目标是:克服传统专家系统的缺陷，笔者尝试提出了自己对医学专家系统设计的理解，并提出了设计医学专家系统的新想法、新思路。基于这个新思路的医学专家系统更贴近医生诊断病人疾病的工作过程，并且可以在整个诊疗过程中辅助医生工作。然后，本文用这个设计医学专家系统的新思路设计了眼科疾病辅助诊断系统。
首先，本文从改进传统医学专家系统靠死板规则推理方法去诊断疾病的方法入手，采用模式识别方法作为疾病的分类方法。这样做的好处是节省了医学专家的大量宝贵时间并且让该辅助诊断系统具有自我学习的能力。该系统是一个会自我学习的系统，随着系统中数据的增加该系统会越来越智能，越来越完善，诊断精度会越来越高。
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第2章BP神经网络和支持向量机概述

2.1人工神经网络概述
简单的说人工神经网络是模拟生物神经突触连接的结构进行信息、处理的一种数学模型。人工神经网络可以自我学习，并通过学习改善其行为，所以说人工神经网络可以在某种程度上模拟生物神经网络的智能行为。人工神经网络具有并行分布式处理、非线性处理、自学习能力、良好的泛化能力等特点。因此，人工神经网络在模式识别、智能控制等领域有着广泛的应用。
神经元是神经网络操作的基本信息处理单位。这里说的神经元是对生物学上神经细胞的数学抽象。神经元模型是一个多输入，单输出的非线性的信息处理单元。神经元模型如图2.1所示:

图中X，X2…Xn是来自前一级n个神经元的信息，它们作为图中神经元k的输入信息:Wk1，Wk2…Wkn分别是神经元k的分别对应于输入X1，X2…Xn的突触的权值：ε是神经元k的求和节点这里一记为Vk(n);f(.)是神经元k的激活函数:Yk是神经k的输出。神经元模型包含三个基本元素:值元
1.突触权值:每一个突触都由突触权值标示其强度，连接到神经元k的突触j的输入信号X，被乘以突触权值。
2.求和节点:用于计算每个输入信号被神经元相应的突触加权后的和。
3.激活函数:它决定了神经元k在受到输入X1，X2…Xn的共同刺激后以何种方式输出。
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2.2BP神经网络原理
Bp(Back一propagation)神经网络，是由梅尔哈特(D.Rumelhart)和麦克莱伦德(MeClelland)于1985年提出‘乃“‘的一种用误差反向传播算法即BP算法作为训练算法的多层前馈型神经网络‘丁。这种网络典型的由三部分组成:一组由感知节点组成的输入层，一层或者多层由计算节点组成的隐藏层，一组由计算节点组成的输出层。图2.2所示的是一个包含两个隐藏层的BP神经网络。

2.2.1即神经网络结构的确定
在实际应用中建立一个BP网络需要确定网络层数、各层结点数、激活函数、BP神经网络算法。
1.网络层数
任意一个三层的BP神经网络(只含一个隐含层)都可以完成从N维的输入向量到M维的输出向量的映射’。同单隐含层网络相比，多隐含层网络预测精度高，泛化能力强，缺点是训练时间长‘’川。所以BP网络层数的选择要综合考虑网络预测精度和训练时间。对于比较简单的映射关系，如果预测精度可以满足设计要求，，尽量选择单隐含层的网络，以求得更高的运算速度。对于复杂的映射关系，可以选择多隐含层，以达到较高的网络预测精度。
2.各层结点数
输入层节点的个数取决于输入向量的维数。输出层节点的个数取决于输出变量的维数}1”。隐含层节点的个数对于网络的预测精度有着较大的影响。隐含层节点数过少，网络学习性能不高，训练精度不高，需要增加学习次数’心;隐含层节点数太多，训练时间会延长，容易出现网络过拟合现象。
在实际的应用中可以用以下公式初步判断节点数的大概范围，然后再用试探的方法确定最佳节点数。可以一边训练网络一边增加隐含层节点数目，直到选出误差最小的节点数目为止。
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第3章红眼类疾病的背景知识和诊断过程.........................................17
3.1眼部解剖结构概述..................................17
3.2临床常见的红眼类型.....................................17
3.3红眼类疾病的诊断过程............................18
3.3.1结膜充血对应的疾病..............................19
3.3.2睫状充血和混合充血对应的疾病........................................19
第4章两种模式识别方法建模和对比实验..........................................21
4.1病例数据的收集和研究方法..........................................................21
4.1.1病例数据的收集方法.........................................21
4.1.2病例数据的研究方法...................................21
4.2基于BP神经网络的眼科辅助诊断模型.....................................23
4.2.1BP网络模型的隐含层节点数的确定...............................23
4.2.2BP网络模型的隐含层数的确定..........................................24
4.34.3对基于BP神经网络的辅助诊断模型的优化..............................26
4.3.2用附加动量方法优化BP网络学习过程..............................26
4.4基于支持向量机的眼科辅助诊断模型.........................................27
4.5对基于支持向量机的辅助诊断模型的优化.................................27
4.5.1交叉验证法简介..........................................27
4.5.2SVM非启发式网格搜索参数寻优算法................................29
4.5.3遗传算法简介........................................................32
4.5.4SVM启发式遗传参数寻优算法............................................35
4.6两种诊断模型对比测试............................37
4.7实验结果分析.................................................38

第5章眼科辅助诊断系统的设计和实现

5.1医学专家系统设计的新思路
本文在绪论中指出了传统的医学专家系统的两个缺陷:第一个缺陷是:单纯用规则推理试图确诊患者的疾病。第二个缺陷是:忽视了诊断过程是一个先“诊”后“断”并且是“诊”一“断”交替的过程。以上两个缺陷导致了传统专家系统推广性差，不被医生认可。本文在指出传统医学专家系统缺陷的基础上，笔者尝试提出了自己对医学专家系统设计的理解，并提出了设计医学专家系统的新思路。
医学专家系统要被使用它的医生所接受，就要明确医生的需求。医学专家系统是为了减轻医生工作，提高医生诊断效率，减少误诊这个目的设计的。因此，一个医学专家系统要和医生诊断病人时的思考过程相一致。传统医学专家系统认为，医生诊断病人的疾病无非是通过病人主诉和观察病人的症状然后通过自己的经验给出诊断。基于这样的认识的专家系统将医生诊断病人的过程模拟成了一个多输入单输出，只有输入症状和得出结论两个过程的系统。显然这样的认识是将医生诊断病人的过程过分简单化、机械化。而且更重要的是传统的医学专家系统忽略了医生的根本需求。医生的需求是:并不需要有专家系统代替医生给病人疾病下最后结论，因为这样的结论下的太草率。医生真正需要的是能有一个“助手”能在他接诊病人的过程中提示他的思路，给出一些建议。本文认为一个成功的专家系统应该做到以下三点:
第一、医学专家系统应该能模拟医生诊断病人时的真实过程。经过对多名有经验的医生的走访得出结论:医生诊断病人的过程并非一跳而就。医生对病人的诊断过程是:对病人症状初步检查—初“诊”，得到一个诊断思路和几个疑似疾病—初“断”，再对病人有针对性的检查—再“诊”，然后在此基础上对病人疾病的再“断”，如此“诊”和“断”的交替直到确诊病人的疾病。要模拟医生对病人的诊断过程，就需要医学专家系统要能和医生交互，而且医学专家系统的工作模式要模拟医生的思路就要设计成“诊”和“断”的交替过程。
第二、医学专家系统的定位应该是支持和协助医生诊断病情，启发医生的思路，而不是代替医生做诊断。因此，医学专家系统在医生诊断疾病的过程中主要的作用是通过和医生的交互“启发”医生的思路，根据目前医生检查的结果给出病人可能患有的疾病，并且要提示医生下一步所要做的检查内容。
第三、医学专家系统要有自我学习、自我总结经验的能力。

5.2眼科辅助诊断系统总体设计
眼科辅助诊断系统是为眼科医生和眼科实习医生开发的一种辅助医生诊断眼科疾病和训练实习眼科医生的专家系统。眼科辅助诊断系统可以在医生接诊病人的过程中，根据医生每一步的检查结果，提示医生病人可能患有的疾病即给医生诊断病人疾病提供一个思考的方向，并提示医生下一步应该对病人做的检查。该系统还可以自动生成并管理病人的病例，并且可以用自身数据库中的病例数据进行自我学习，自我总结经验。
该系统前台界面友好，其工作过程和医生诊断病人的过程一致，系统后台有基于支持向量机的辅助诊断模块、病人病例生成和管理模块和辅助诊断模型生成模块。
辅助诊断模块，该模块是眼科辅助诊断系统的核心，主要与接诊的医生交互，协助医生完成对病人的诊断。该模块的主要功能是:1.根据医生输入的病人的症状，对病人所患疾病做出初步判断或给出确诊结果，其结果供医生参考。2.根据系统或者医生的初步判断结果，提示医生病人可能患有的疾病和下一步要作的检查。3.病人疾病确诊之后提示医生治疗方案。
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第6章总结和展望

6.1总结
本文指出了传统的医学专家系统的两个缺陷，第一个缺陷:单纯用规则推理试图确诊病人的疾病。第二个缺陷:忽视了诊断过程是一个“先诊后断”并且是“诊”一“断”交替的过程。接着本文提出了医学专家系统的设计原则和改进思路:医学专家系统的主要功能是协助医生诊断疾病，因此医学专家系统的工作过程要和医生诊断疾病的流程一致，而且医学专家系统要具有自我学习、自我总结经验的能力。
本文采取了模式识别方法作为眼科疾病辅助诊断系统的疾病分类方法。首先，本文分别基于BP神经网络和支持向量机这两种模式识别方法建立了眼科疾病辅助诊断模型，并分别对这两个模型进行了优化。然后用在吉林大学朝阳校区得到的病例数据测试了这两个辅助诊断模型的性能。测试结果表明:基于支持向量机的辅助诊断模型相比基于BP网络的辅助诊断模型具有分类效果好，泛化能力强，更适合小样本分类的优点，同时支持向量机克服了BP网络容易陷入局部极小值的缺点。因此选择支持向量机作为眼科疾病辅助诊断系统的疾病分类方法。最后，依照本文提出的医学专家系统的设计原则和设计思路本文设计了一套眼科疾病辅助诊断系统。

6.2展望
本文设计的眼科疾病辅助诊断系统虽然已经完成了基本的功能，而且在吉林大学朝阳校区医院试运行效果良好，但是由于病例数据有限还没有经过大量数据的测试。病人的病历数据是十分宝贵的医学参考资料，因此如何能更有效的实现各大医院的病历数据共享是今后研究的方向。
本文所提出的医学专家系统的设计原则和思路在眼科应用之后，应该再尝试应用到辅助其他科室医生工作的相关项目中。
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参考文献（略）

本文编号：11859