Ανάπτυξη ευφυών αλγόριθμων στην ιατρική διαγνωστική

Abstract

In the last three decades, there is a vivid interest of many researchers about algorithms with natural procedure similarities. Artificial Neural Networks, Genetic Algorithms and Evolutionary Programming are the wide known algorithms, that have been developed in order to solve complex combinational problems. Although the aforementioned algorithms are techniques that used in Artificial Intelligence recently, are also referred in bibliography as Computational Intelligence algorithms and are used in varied scientific areas. One of these areas is the Medicine. Nowadays it is attempted strenuous and specific efforts about the development of methods, which would be adequate in order to diagnose an illness based on clinical symptoms and laboratorial examinations. The thesis studies the implementation of computational intelligent methods to medical diagnosis, that would comprise a helpful tool for physicians. In additional, pruning techniques are used for elimination of diagnostic factors that take into account for assessment of a case, reducing the redundancy information of medical data. The implemented computational algorithms are based on artificial neural networks, genetic algorithms and their combination. The aforementioned methods are applied to: • pediatric urology, and specific urinary tract infection and vesicoureteral reflux, • abdominal pain in childhood and, • osteoporosis. The proposed algorithms are the first efforts for application of intelligent method to specific diseases. Diversity of ANN architectures are implemented assessed for correct prediction of outcome for each of aforementioned diseases, based on available cases during the study. The ANN architecture with the best prognostic performance for each illness, is used by the physicians in order to ease their clinical examination. The obtained results proves that both ANNs and GAs have the ability to be incorporated in varied fields of Medicine. This fact does not abolish the human role in clinical practice. Medicine is a science that the human factor has a preeminent role. The continual technological growth facilitates the physician’s work and contributes to accurate and timely cure of diseases. The human brain will have the master role, as it would not be ignored that the machines and computers are human contrivances.

Τις τρεις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον από πολλούς ερευνητές για αλγόριθμους που παρουσιάζουν αναλογίες με τις φυσικές διαδικασίες. Τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα – ΤΝΔ (Artificial Neural Networks), οι Γενετικοί Αλγόριθμοι (Genetic Algorithms) και ο Εξελικτικός Προγραμματισμός (ΕΠ) είναι οι γνωστότεροι αλγόριθμοι, που αναπτύχθηκαν με σκοπό την επίλυση δύσκολων συνδυαστικών προβλημάτων. Οι αλγόριθμοι αυτοί, παρόλο που έγιναν γνωστοί ως τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην Τεχνητή Νοημοσύνη, πρόσφατα αναφέρονται στη βιβλιογραφία ως αλγόριθμοι Υπολογιστικής Νοημοσύνης (Computational Intelligence) και χρησιμοποιούνται σε πολλούς τομείς της επιστήμης, αλλά και της καθημερινότητας. Ένας από τους τομείς αυτούς είναι η Ιατρική. Σήμερα γίνονται ιδιαίτερες και εντατικές προσπάθειες για την ανάπτυξη μεθόδων, που βάση κλινικών συμπτωμάτων ή εργαστηριακών ελέγχων, θα είναι επαρκείς για την πρόγνωση μιας ασθένειας. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής επιχειρείται η ανάπτυξη ευφυών, υπολογιστικών μεθόδων στην ιατρική διαγνωστική, που θα αποτελέσουν ένα χρήσιμο εργαλείο για τους ιατρούς. Παράλληλα, εφαρμόζονται τεχνικές περικοπής (pruning) των παραγόντων που χρησιμοποιούνται στην αξιολόγηση ενός περιστατικού, μειώνοντας την πλεονάζουσα πληροφορία των ιατρικών δεδομένων. Οι υπολογιστικοί αλγόριθμοι που αναπτύσσονται σε αυτή τη διατριβή, βασίζονται στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, στους γενετικούς αλγορίθμους καθώς και στο συνδυασμό αυτών. Οι προαναφερθείσες μέθοδοι εφαρμόζονται σε δεδομένα των παρακάτω παθήσεων: • της παιδιατρικής ουρολογίας, και συγκεκριμένα της ουρολοίμωξης και κυστεοουρητηρικής παλινδρόμησης, • του κοιλιακού άλγους στην παιδική ηλικία και • της οστεοπόρωσης. Οι αλγόριθμοι που υλοποιούνται στη διατριβή αυτή, αποτελούν τις πρώτες προσπάθειες εφαρμογής ευφυών μεθόδων για τις συγκεκριμένες παθήσεις. Ποικίλες αρχιτεκτονικές ΤΝΔ υλοποιούνται και αξιολογούνται για την ορθή πρόβλεψη της έκβασης σε κάθε μια από τις αναφερθείσες ασθένειες, βάση των περιστατικών που ήταν διαθέσιμα για την πραγματοποίηση των κατάλληλων δοκιμών. Η αρχιτεκτονική με τη μεγαλύτερη προγνωστική ικανότητα σε κάθε νόσο, είναι η επικρατούσα και χρησιμοποιείται από τους ειδικούς ιατρούς σαν παράλληλο βοηθητικό μέσο. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν, αποδεικνύουν την ικανότητα τόσο των ΤΝΔ, όσο και των γενετικών αλγορίθμων να χρησιμοποιηθούν σε ποικίλα πεδία της Ιατρικής επιστήμης. Αυτό δεν σημαίνει ότι καταργείται ο ρόλος του ανθρώπου και αντικαθίσταται από οποιοδήποτε μηχάνημα. Η Ιατρική είναι μια επιστήμη στην οποία ο ανθρώπινος παράγοντας διαδραμάτιζε, διαδραματίζει και θα διαδραματίζει πάντα τον πρωτεύοντα ρόλο. Απλώς, η συνεχής τεχνολογική ανάπτυξη θα διευκολύνει σε αφάνταστο βαθμό την δουλειά του ιατρού και θα συμβάλλει στην ταχύτερη αντιμετώπιση ποικίλων ασθενειών και παθήσεων. Αυτό επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη αυτόματων συναγερμών ειδοποιήσεων σε περιπτώσεις τηλεματικών εφαρμογών παρακολούθησης ασθενών, με την υποστήριξη των γιατρών στα απομακρυσμένα αγορτικά ιατρεία και τα κέντρα υγείας, καθώς και την αξιοποίηη της τεχνολογίας σε εκπαιδευτικές δραστηριότητες. Πάντοτε όμως, κυρίαρχο ρόλο θα κατέχει ο

ανθρώπινος νους και αυτός θα δίνει τις κατευθυντήριες γραμμές. Άλλωστε δε θα πρέπει να παραβλέπεται ότι οι μηχανές και οι υπολογιστές αποτελούν ανθρώπινα δημιουργήματα.