Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на разработку методов, моделей и алгоритмов кооперативных самонастраивающихся гибридных интеллектуальных систем с целью повышения эффективности и качества решения проблем диагностики и прогнозирования в медицине в условиях существенного разнообразия, неоднородности, неопределенности информации о самом объекте (организм человека, его системы и подсистемы) и об этиологии и патогенезе заболеваний, а также гетерогенности процессов коллективной выработки решений. В рамках первого года выполнения проекта был проведен системный анализ существующих подходов к разработке интеллектуальных систем поддержки принятия решений (ИСППР) в медицине, их особенностей и проблем. Результаты представлены в аналитическом обзоре, включающем: описание особенностей предметной области, влекущих разнообразие направлений медицинских исследований пациента, изменяющих и осложняющих клиническую картину, а также процесс персонализированной оценки состояния пациента (как диагностической, так и прогностической), и, как следствие, осложняющие разработку и внедрение ИСППР при диагностике и прогнозировании в медицине; описание ряда проблем (барьеров, горячих точек) в разработке медицинских интеллектуальных систем, в том числе интеллектуальных систем поддержки принятия врачебных решений; аналитический обзор отечественных и зарубежных публикаций за последние 10 лет в научной литературе по теме ИСППР в медицине, разработанных с применением искусственных нейронных сетей, глубокого обучения, ансамблевых методов, логистической регрессии, экспертных систем и гибридных интеллектуальных систем разной архитектуры. Проведено исследование проблемной среды персонализированной оценки тяжести и прогнозирования состояния (ПОТ ПС) организма пациента на примере острого панкреатита, а также особенностей и проблематики выработки коллективных и индивидуальных решений в ходе оценки состояния пациента, в рамках которого: 1) исследованы особенности поджелудочной железы как сложного органа, относящегося сразу к двум системам – эндокринной и пищеварительной; 2) исследованы особенности и проблемы оценки состояния поджелудочной железы относительно развития заболевания «острый панкреатит», влияние работы поджелудочной железы на организм в целом, а также особенности клинического течения заболевания, его возможные осложнения и исходы; 3) исследованы процессы персонализированной оценки тяжести и прогнозирования состояния организма пациента и применяемый инструментарий (шкалы; инвазивные, малоинвазивные и неинвазивные методы), а также определен состав участников (врачей разной специализации). Результаты представлены в аналитическом обзоре, который также содержит: 1) множество функциональных моделей ПОТ ПС пациента относительно острого панкреатита, описание информационной модели в общем виде на теоретико-множественном уровне и множество общих схем динамических моделей, разработанных с помощью медицинского алгоритмического языка ДРАКОН; 2) концептуальную модель консилиума врачей и схему концептуальных моделей проблемы ПОТ ПС пациента, которая легла в основу идентификации и стратификации исследуемой проблемы. Проведена редукция проблемы ПОТ ПС сложного объекта – организма пациента, его систем и подсистем. Предложен метод редукции как адаптация для проблем типа ПОТ ПС пациента метода редукции проблемы вширь и вглубь, основанного на знаниях. Метод был применен к исследуемой проблеме на базе клинических рекомендаций, инструкций и методических указаний по острому панкреатиту, а также на базе результатов извлечения знаний врачей разной специализации. Для задач из полученной декомпозиции ПОТ ПС пациента разработана схема концептуальных моделей в терминах аксиоматической теории ролевых концептуальных моделей Колесникова А.В. и языка исчисления предикатов первого порядка. Для всех задач описаны цели, классы переменных, информационно-управляющие отношения декомпозиции, классы задач и определены языки профессиональной деятельности. Последний результат первого года выполнения проекта – соответствие, установленное на множествах «классы методов формализованного представления систем (МФПС)» и «задачи» как результат системного анализа МФПС, их преимуществ и недостатков относительно особенностей функциональных и технологических задач из декомпозиции ПОТ ПС. Для получения этого результата было проделано следующее: - исследование функциональной неоднородности проблемы ПОТ ПС СО. Из схем концептуальных моделей функциональных и технологических задач декомпозиции проблемы извлекалась информация о классах переменных, а также знания о типах отношений, заданных на множествах переменных. Таким образом, разнообразие и терминологическая неоднородность сводились к исследованию переменных и отношений. Затем данная информация представлялась графически с нанесением информационно-управляющих отношений в соответствии с декомпозицией и анализировалась. Здесь выявлялись области функциональной неоднородности такие, что классы переменных задач из них различны, а внутри области все задачи оперируют переменными одного и того же класса, на множестве которых помимо однородных должны быть установлены неоднородные информационно-управляющие отношения декомпозиции; - исследование особенностей декомпозиции проблемы, в ходе которого выявлялись особенности субъекта решения проблемы и получения им решения, специфика знаний субъекта, процесса сбора выборок данных и требуемых их характеристик для решения тех или иных задач, а также формировалось множество классов базисных методов для решения однородных задач из декомпозиции проблем подобных ПОТ ПС; - анализ отечественных и зарубежных работ за последние 10 лет по отобранным базисным классам МФПС с выделением их основных преимуществ и недостатков; - выбор методов решения задач из декомпозиции проблемы и анализ инструментальной неоднородности проблемы по трехквадрантной матричной информационной модели, содержащей знания «метод–характеристика», «задача–характеристика» и «задача–метод». Каждая задача относилась не к конкретному инструментарию, а к их классу с учетом его плюсов и минусов, что упрощает впоследствии выбор метода внутри класса. При этом учитывались общие, качественные характеристики методов, чтобы обеспечить требуемую функциональность кооперативных гибридных интеллектуальных систем (КСГиИС) в целом. Инструментальная неоднородность определялась как свойство проблемной среды, возникающее вследствие вариативности методов из классов базисных методов, применяющихся для решения однородных задач из декомпозиции проблемы. - проверка наличия «белых пятен», т.е. задач, для которых не удалось идентифицировать класс методов их решения. При наличии таковых был бы необходим синтез и тестирование мелкозернистой ГиИС из набора инструментальных средств (зерен) метода-потомка, лишенного родительских недостатков (гибрида внутри гибрида).

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на разработку методов, моделей и алгоритмов кооперативных самонастраивающихся гибридных интеллектуальных систем «Виртуальных консилиумов персонализированной оценки тяжести и прогнозирования состояния пациентов» (ВК ПОТ ПСП) с целью повышения эффективности и качества решения проблем диагностики и прогнозирования в медицине. В рамках второго года проекта велась разработка инструментальной среды ВК ПОТ ПСП на примере острого панкреатита (ОП). Разработано гетерогенное модельное поле (ГМП) виртуального консилиума, включающее разнородные функциональные и технологические модели выработки решений относительно проблем персонализированной оценки тяжести состояния и определения направления развития заболевания (функциональная гетерогенная модель) и проблемы прогнозирования исходов заболевания (трансформационная модель) с обоснованием результатов. Поскольку трансформационная модель включает базу прецедентов, предварительно был проведен системный анализ подходов к разработке систем поддержки принятия решений (СППР) на основе прецедентов. Результаты представлены в аналитическом обзоре, включающем: описание основных понятий методологии рассуждений на основе прецедентов; анализ подходов к представлению прецедентов, разновидностей мер сходства, методов извлечения, адаптации, оценки и пересмотра прецедентов, а также подходов к разработке СППР на основе прецедентов (работы 2016–2024 гг.), в том числе в медицине. Разработанные технологические модели – генетические алгоритмы (ГА) оптимизации набора показателей состояния здоровья для прогнозирования исходов ОП и оценки направления развития заболевания относительно полиорганной недостаточности (ПОН). ГА модели исключают из рассмотрения избыточные и взаимозависимые показатели, что повышает эффективность и качество принятия решения. Множество разработанных функциональных моделей ГМП включает: 1) модульную нейро-нечеткую ANFIS прогнозирования исходов острого панкреатита (панкреатической инфекции и летального), которая позволяет обеспечить формализацию нечеткости в рассуждениях врачей; 2) прецедентную экспертную систему (ЭС), которая интерпретирует прогноз ANFIS и включает базу прецедентов и фреймово-продукционную базу знаний. ЭС объединяет преимущества применения продукций и фреймов – наглядность, гибкость, модульность, наследование свойств, использование процедурных привязок и легкость внесения изменений; 3) искусственную нейронную сеть, решающую задачу оценки возможного развития ПОН – позволит своевременно начать адекватное лечение и снизить риск осложнений; 4) девять нечетких систем, решающих задачи определения этиологии, диагностики недостаточности систем организма (дыхательной, сердечно-сосудистой, центральной нервной системы, выделительной и пищеварительной), а также диагностики ранних и поздних осложнений, определения масштаба, характера и локации некроза; 5) пять продукционных ЭС, решающих задачи подтверждения ОП, первичной и интегральной оценки тяжести состояния, развития ПОН и комплексной оценки состояния и формирования итогового заключения. Проведен системный анализ подходов к интеграции решений в естественных и в искусственных коллективах, в рамках которого исследованы: основные понятия и особенности интеграции решений в коллективах; подходы к интеграции решений в естественных коллективах, в том числе в консилиумах, с учетом стадии их применения в соответствии с моделью ромба группового принятия решений С. Кейнера; понятие сплоченности, ее проблемы, влияние на результаты интеграции мнений и ее наиболее известные модели; теории и модели, связанные с развитием ценностно-ориентационного единства, которое напрямую влияет на эффективность механизмов интеграции решений специалистов; подходы к автоматизированной и автоматической интеграции решений в искусственных коллективах. Разработан алгоритм синтеза и реконфигурации над гетерогенным модельным полем метода персонализированной оценки тяжести и прогнозирования состояния пациента, результат работы которого – описание ситуативной функциональной структуры виртуального консилиума. Алгоритм моделирует деятельность лица, принимающего решение, по организации консилиума, по взаимодействию с врачами узкой специализации и по принятию окончательного решения. В рамках второго года также была разработана функциональная структура инструментальной среды ВК ПОТ ПСП таким образом, чтобы выполнялись требования: модульность и гибкий алгоритм оценки и прогнозирования состояния пациента; гибкий многооконный интерфейс пользователя для конкретного пациента; ГМП как библиотека моделей виртуального консилиума. Алгоритм и интерфейс отвечают запросам пользователя в зависимости от диагностической ситуации, для описания общих характеристик которой есть свой интерфейс. В рамках данной работы в соответствии с результатами исследования проблемы в 2024 году, а также рекомендациями по диагностике и лечению острого панкреатита, методическими указаниями и научными исследованиями разработаны: база данных для хранения историй болезни пациентов; схемы обработки информации консилиумом и схема действий пользователя (врача) при получении консультаций от виртуального консилиума, моделирующего работу коллектива над проблемой; пользовательские интерфейсы для инструментальной среды. Работы по имитации элементов виртуального консилиума на ЭВМ велись средствами MATLAB R2023b (разработаны все ГА, ИНС, НС, а также ANFIS) и Python версии 3.11 (все ЭС с помощью библиотеки PyKE). Лабораторная апробация архитектурных решений инструментальной среды ВК ПОТ ПСП выполнена на материалах Центральной городской клинической больницы. В рамках экспериментов с методами и моделями ВК ПОТ ПСП проведено исследование качества работы каждой модели ГМП, а также качества интегрированных моделей, синтезированных инструментальной средой. По результатам экспериментов было сделано заключение о релевантности работы интегрированных моделей, и методики применения виртуальных консилиумов реальной ситуации: верное решение получено в 93% случаев.