Formalizing the stages of mammographic examinations in designing a medical decision support system

Abstract

The paper considers the formalization of the stages and modeling of the mammographic examination procedure in the design of medical computer decision support systems. The mammographic examination process is presented in a generalized model, which consists of functional, structural, and mathematical models. The functional model (context diagram) is made using the functional modeling methodology. When analyzing the context diagram, four main functional blocks were identified: register a patient; perform registration and analysis of mammograms; carry out diagnostics; form a survey protocol. If there are standards for maintaining medical records and drawing up examination protocols, the first and last blocks are easily automated. The article focuses on the second and third blocks. At the mammogram analysis stage, the sub-stages “Perform preliminary processing” and “Perform morphological analysis” are essential. Preprocessing of mammograms (adaptive filtering, changing brightness or increasing contrast, etc.) is carried out using digital image processing methods to improve visualization quality. The result of morphological analysis is selecting structural elements and forming a set of diagnostic signs in the form of parameters of the found structural elements. Because some elements of mammograms (microcalcifications) have an irregular structure, specialized morphological analysis methods are used, based on taking into account the features of the images under consideration and their transformation methods in the form of the useful signal, in particular, fractal dimension models. The developed formalized models made it possible to reasonably design the decision support system’s structure during mammographic examinations, information, mathematical, software, and hardware to increase medical services’ efficiency and minimize the risks of medical errors.

В роботі розглянута формалізація етапів і моделювання процедури мамографічних обстежень при проектуванні медичних комп'ютерних систем підтримки прийняття рішень. Процес мамографічного обстеження представлено у вигляді узагальненої моделі, яка включає в себе функціональну, структурну та математичну модель. Функціональна модель (контекстна діаграма) виконана за допомогою методології функціонального моделювання. При аналізі контекстної діаграми були виділені чотири основних функціональних блока: зареєструвати пацієнта; виконати реєстрацію та аналіз мамограм; виконати діагностику; сформувати протокол обстеження. Відзначено, що при наявності стандартів ведення медичних карт і оформлення протоколів обстеження, перший і останній блок досить легко автоматизуються. У статті приділено основну увагу другому і третьому блокам. На етапі аналізу мамограм важливими є підетапи «Виконати попередню обробку» і «Виконати морфологічний аналіз». Попередня обробка мамограм (адаптивна фільтрація, зміна яскравості або підвищення контрасту і т. д.) реалізується методами цифрової обробки зображень з метою підвищення якості візуалізації. Результатом морфологічного аналіз є виділення структурних елементів і формування множини діагностичних ознак у вигляді параметрів знайдених структурних елементів. Так як деякі елементи мамограм (мікрокальцинати) мають нерегулярну структуру, то застосовуються спеціалізовані методи морфологічного аналізу, засновані на врахуванні особливостей розглянутих зображень і методів їх перетворення у вигляді моделей корисних сигналів, зокрема моделей фрактальної розмірності. Розроблені формалізовані моделі дозволили обгрунтовано спроектувати структуру системи підтримки прийняття рішень при проведенні мамографічних обстежень, створювати інформаційне, математичне та програмно-апаратне забезпечення з метою підвищення ефективності надання медичних послуг та мінімізації ризиків лікарських помилок

В работе рассмотрена формализация этапов и моделирование процедуры маммографических обследований при проектировании медицинских компьютерных систем поддержки принятия решений. Процесс маммографического обследования представлено в виде обобщенной модели, которая включает в себя функциональную, структурную и математическую модель. Функциональная модель (контекстная диаграмма) выполнена с помощью методологии функционального моделирования. При анализе контекстной диаграммы были выделены четыре основных функциональных блока: зарегистрировать пациента; выполнить регистрацию и анализ маммограмм; выполнить диагностику; сформировать протокол обследования. Отмечено, что при наличии стандартов ведения медицинских карт и оформления протоколов обследования, первый и последний блок достаточно легко автоматизируются. В статье уделено основное внимание второму и третьему блокам. На этапе анализа маммограмм важными являются подэтапы «Выполнить предварительную обработку» и «Выполнить морфологический анализ». Предварительная обработка маммограмм (адаптивная фильтрация, изменение яркости или повышение контраста и т. д.) реализуется методами цифровой обработки изображений с целью повышения качества визуализации. Результатом морфологического анализ является выделение структурных элементов, и формирование множества диагностических признаков в виде параметров найденных структурных элементов. Так как некоторые элементы маммограмм (микрокальцинаты) имеют нерегулярную структуру, то применяются специализированные методы морфологического анализа, основанные на учете особенностей рассматриваемых изображений и методов их преобразования в виде моделей полезных сигналов, в частности моделей фрактальной размерности. Разработанные формализованные модели позволяли обоснованно спроектировать структуру системы поддержки принятия решений при проведении маммографических обследований, создавать информационное, математическое и программно-аппаратное обеспечение с целью повышения эффективности оказания медицинских услуг и минимизации рисков врачебных ошибок.