ssmuБюллетень сибирской медициныBulletin of Siberian Medicine1682-03631819-3684Siberian State Medical University, the Ministry of Healthcare of the Russian Federation10.20538/1682-0363-2018-3-88-95ssmu-1287Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL PAPERSОпыт нейросетевой диагностики и прогнозирования язвенной болезни по результатам анализа факторов рискаExperience of neuronet diagnosis and prediction of peptic ulcer disease by results of risk factors’ analysishttps://orcid.org/0000-0002-2069-7701ЛазаренкоВ. А.LazarenkoV. A.

Лазаренко Виктор Анатольевич, - докторр медицинских наук, профессор, зав. кафедрой хирургических болезней, ректор.

305041, Курск, ул. К. Маркса, 3

Lazarenko Viktor A. - DM, Professor, Chair of the Department Surgical Diseases.

3, K. Marx Str., Kursk, 305041

https://orcid.org/0000-0001-5745-3586АнтоновА. Е.AntonovA. E.

Антонов Андрей Евгеньевич -  кандидат медицинских наук, доцент, кафедра хирургических болезней, помощник ректора по общим вопросам.

305041, Курск, ул. К. Маркса, 3

Antonov Andrey E. - PhD, Associate Professor, Department Surgical Diseases, Assistant Rector for Cross-Cutting Issues.

3, K. Marx Str., Kursk, 305041

drantonov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2811-3352MarkapuramV. K.MarkapuramV. K.

Markapuram Vinodh Kumar - BEng (Mechanical Engineering) MDes (Product Design) M.Sc. (Computer Science), Senior Director & Centre Head (Mohali).

A-34, Phase-VIII, Industrial Area, Mohali, 160071, (Near Chandigarh) Punjab

Markapuram Vinodh Kumar - BEng (Mechanical Engineering) MDes (Product Design) M.Sc. (Computer Science), Senior Director & Centre Head (Mohali).

A-34, Phase-VIII, Industrial Area, Mohali, 160071, (Near Chandigarh) Punjab

https://orcid.org/0000-0003-1007-9632AwadK.AwadK.

Kareem Awad - BPharmScs MPharmScs in Biochemistry, Assistant Researcher (PhD candidate), Therapeutic Chemistry Department, Pharmaceutical Industry Division, NRC, Dokki, Cairo, Egypt; PhD Student (Dr. sc. Hum. candidate), R-KUH.

El. Bohouth Str., Dokki, Giza, Egypt PC 12622; 68167 Mannheim

Kareem Awad - BPharmScs MPharmScs in Biochemistry, Assistant Researcher (PhD candidate), Therapeutic Chemistry Department, Pharmaceutical Industry Division, NRC, Dokki, Cairo, Egypt; PhD Student (Dr. sc. Hum. candidate), R-KUH.

El. Bohouth Str., Dokki, Giza, Egypt PC 12622; 68167 Mannheim

Курский государственный медицинский университет (КГМУ)РоссияKursk State Medical University (KSMU)Russian FederationCentre for Development of Advanced ComputingИндияCentre for Development of Advanced ComputingIndiaNational Research Center Egypt; Ruprecht-Karls University of HeidelbergГерманияNational Research Center; Ruprecht-Karls University of HeidelbergGermany2018290920181738895Copyright © Лазаренко В.А., Антонов А.Е., Markapuram V.K., Awad K., 20182018Лазаренко В.А., Антонов А.Е., Markapuram V.K., Awad K.Lazarenko V.A., Antonov A.E., Markapuram V.K., Awad K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://bulletin.ssmu.ru/jour/article/view/1287Цель

Цель. Разработать и верифицировать способ диагностики язвенной болезни, основывающийся на нейросетевом анализе данных о факторах риска больного.

Материалы и методы

Материалы и методы. В статье приводятся результаты исследования, проведенного по материалам 488 больных, посвященного изучению возможности диагностики и прогнозирования язвенной болезни, основывающейся на нейросетевом анализе данных о факторах риска с применением искусственной нейронной сети собственной разработки (свидетельство № 2017613090).

Результаты

Результаты. В ходе клинической апробации данный подход продемонстрировал уровни чувствительности 74,4%, m = 4,3 и специфичности – 93,3%, m = 2,46.

Прогнозирование возраста вероятной госпитализации обеспечило генерацию массива данных, показатель средней абсолютной ошибки (mean absolute error, MAE) прогноза которого составил 1,8 года,  m = 0,11 для обучающей группы и 1,9 года, m = 0,15 для группы клинической апробации. Модуль ошибки прогноза в группе клинической апробации не превысит 2,2 (p = 0,95) и 2,3 года (p = 0,99) соответственно.

Заключение

Заключение. Предложен новый способ диагностики язвенной болезни, основывающийся на нейросетевом анализе данных о факторах риска больного. В ходе клинической апробации данный подход продемонстрировал уровни AUC, достигающие 0,943. Применение искусственной нейронной сети позволило также прогнозировать возраст вероятной госпитализации. Применение нейросети также обладало дополнительными преимуществами, в том числе неинвазивностью, отсутствием необходимости подготовки больного к исследованию, возможностью получения результатов сразу после возникновения заболевания, отсутствием временно́й задержки на обработку материала.

Aim

Aim. To develop and verify a method for diagnosis of peptic ulcer based on neural network analysis of data on patients’ risk factors.

Materials and methods

Materials and methods. This article presents the results of a study based on materials on risk factors of 488 patients. The data was analyzed using internally developed artificial neural network (Certificate of State Registration of Program for Computers (RU) no. 2017613090).

The results of the study

The results of the study. The proposed approach demonstrated the levels of sensitivity of 74.4%, m = 4.3 and specificity of 93.3%, m = 2.46 during clinical testing.

The prediction of the age of probable hospitalization ensured the generation of an array of data for which the Mean Absolute Error (MAE) of the prognosis was 1.8 years, m = 0.11 in the training set and 1.9 years,  m = 0.15 in the clinical testing set. The maximum of absolute prognosis error in the clinical testing set did not exceed 2.2 at p = 0.95 and 2.3 years at p = 0.99.

искусственная нейронная сетьмногослойный персептрондиагностикаязвенная болезньискусственный интеллектпрогнозированиеartificial neural networkneuronetmultilayer perceptrondiagnosisdiagnosticspeptic ulcer diseaseartificial intelligenceprognosisReferencesАнтонов А.Е., Лазаренко В.А., Новомлинец Ю.П. Хирургические аспекты условно-радикального лечения осложненной язвенной болезни. Вестник новых медицинских технологий. 2006; 13 (3): 150–152.Antonov A.E., Lazarenko V.A., Novomlinets Yu.P. Surgical aspects of conditionally curative treatment of exacerbated peptic ulcer disease. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy – Journal of New Medical Technologies. 2006; 13 (3): 150–152 (in Russ.).Лопухова В.А., Тарасенко И.В., Кореневская Е.В. Исследование демографических процессов: преждевременная смертность и потерянные годы потенциальной жизни населения Курчатова. Современные проблемы науки и образования. 2017; (2): 113.Lopukhova V.A., Tarasenko I.V., Korenevskaya E.V. Research of demographic processes: premature mortality and years of potential life lost among the citizens of Kurchatov-city. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya – Modern Problems of Science and Education. 2017; (2): 113 (in Russ.).Кайланич Г.А., Лопухова В.А., Кайланич Е.А., Тарасенко И.В. Оценка качества стационарной медицинской помощи на основании формализованного интервью населения города Орла. Современные проблемы науки и образования. 2017; (2):5.Kaylanich G.A., Lopukhova V.A., Kaylanich E.A., Tarasenko I.V. Quality assessment of hospital care based on the formalized interview of the population Orel-city. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya – Modern Рroblems of Science and Education. 2017; (2): 5 (in Russ.).Светый Л.И., Лопухова В.А., Тарасенко И.В., Климкин А.С. Применение системы оценки технологий здравоохранения в принятии ýффективных управленческих решений. Журнал научных статей Здоровье и образование в XXI веке. 2013; 15 (1–4): 234–235.Svetyy L.I., Lopukchova V.A., Tarasenko I.V., Klimkin A.S. The use of health technology assessment in making effective management decisions. Zhurnal nauchnyh statej Zdorov’e i obrazovanie v XXI veke – The Journal of Scientific Articles Health and Education Millenium. 2013; 15 (1–4): 234–235 (in Russ.).Лопухова В.А., Тарасенко И.В., Кайланич Г.А., Кайланич Е.А. Изучение качества внебольничной медицинской помощи в медицинских организациях города Орла. Современные проблемы науки и образования. 2016; (5). http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=25383. (Дата обращения: 28.11.2016).Lopukhova V.A., Tarasenko I.V., Kaylanich G.A., Kaylanich E.A. The study of outpatient care quality in medical institutions of Orel-city. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija – Modern Рroblems of Science and Еducation. 2016; (5). http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=25383. (access date 28.11.2016 (in Russ.).Симонян Р.Ç., Кайланич Г.А., Лопухова В.А., Тарасенко И.В. Изучение качества медицинской помощи при оценке технологий здравоохранения. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016; (8): 185–187.Simonyan R.Z., Kailanich G.A., Lopukhova V.A., Tarasenko I.V. The study of medical care quality in the health technology assessment. Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamental’nyh issledovanij. 2016; (8): 185–187 (in Russ.).Курамшина О.А., Кофанова Ю.А., Габбасова Л.В., Крюкова А.Я. Факторы риска развития гастродуоденальной патологии, роль образовательных программ в терапевтической коррекции у лиц молодого возраста. Медицинский вестник Башкортостана. 2011; 6 (3): 19– 23.Kuramshina O.A., Kofanova Yu.A., Gabbasova L.V., Kryukova A.Ya. Risk factors of gastroduodenal pathology development. educational programmes in therapeutic strategies applied to youth. Meditsinskiy vestnik Bashkortostana – Bashkortostan Medical Journal. 2011; 6 (3): 19–23 (in Russ.).Сошина А.А., Сергеева В.В., Çиняева Т.В. Особенности клинической картины и прогноз у пациентов, освидетельствованных в бюро медико-социальной ýкспертизы в связи с язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки. Казанский медицинский журнал. 2013; 94(1): 124–127.Soshina A.A., Sergeeva V.V., Zinyaeva T.V. Clinical features and prognosis in patients examined in medical and social expertise bureaus in relation to peptic ulcer disease. Kazanskiy meditsinskiy zhurnal – Kazan Medical Journal. 2013; 94 (1): 124–127 (in Russ.).Малышенко О.С., Белобородова Э.И., Вавилов А.М. Влияние возраста и типа поведения на течение язвенной болезни. Терапевтический архив. 2005; (2): 28– 31.Malyshenko O.S., Beloborodova E.I., Vavilov A.M. Impact of age and type of behavior on the course of ulcer disease. Terapevticheskiy arkhiv – Therapeutic Archive. 2005; (2): 28–31 (in Russ.).Вахрушев Я.М., Ефремова Л.И., Белова Е.В. Сравнительная характеристика течения язвенной болезни в различные возрастные периоды. Терапевтический архив. 2004; (4): 15–18.Vakhrushev Ya.M., Efremova L.I., Belova E.V. Age-related comparative characteristics of ulcer disease course. Terapevticheskiy arkhiv – Therapeutic Archive. 2004; (4): 15–18 (in Russ.).Гребенев А.Л., Шептулин А.А. Язвенная болезнь. М.: Медицина, 1995: 187.Гребенев А.Л., Шептулин А.А. Язвенная болезнь. М.: Медицина, 1995: 187. [Grebenev A.L., Sheptulin A.A. Ulcer Disease. M.: Meditsina Publ., 1995: 187 (in Russ.)].Лопатина В.В. Факторы риска в развитии язвенной болезни. Здоровье населения и среда обитания. 2011; (12): 16–18.Lopatina V.V. Risk factors in the development of ulcer disease. Zdorov’e naseleniya i sreda obitaniya. 2011; (12): 16–18 (in Russ.).Бойцов С.А., Самородская И.В., Третьяков В.В. Градиент смертности населения в возрасте 40–59 лет в субъектах Российской Федерации. Вестник Российской академии медицинских наук. 2014; (7): 106–111.Boytsov S.A., Samorodskaya I.V., Tret’yakov V.V. Gradient of mortality of persons aged 40–59 in regions of the Russian federation. Vestnik Rossiyskoy akademii meditsinskikh nauk – Annals of the Russian Аcademy of Мedical Sciences. 2014; (7): 106–111 (in Russ.).Galea S., Tracy M., Hoggatt K.J., Di Maggio C., Karpati A. Estimated deaths attributable to social factors in the United States. Am. J. of Publ. Health. 2011; 101 (8): 1456–1465.Galea S., Tracy M., Hoggatt K.J., Di Maggio C., Karpati A. Estimated deaths attributable to social factors in the United States. Am. J. of Publ. Health. 2011; 101 (8): 1456–1465.Карамнова Н.С., Шальнова С.А., Деев А.Д., Бойцов С.А. Привычки питания, характеризующие уровень сердечно-сосудистого здоровья в российской популяции. Результаты эпидемиологического исследования эссе-РФ. CardioСоматика. 2015; (S1): 47.Karamnova N.S., Shal’nova S.A., Deev A.D., Boytsov S.A. Habits of nutrition, characterizing the level of cardiovascular health in the Russian population. The results of the epidemiological study essay-RF. CardioSomatika. 2015; (S1): 47 (in Russ.).Rosenstock S., Jorgensen T., Bonnevie O., Andersen L. Risk factors for peptic ulcer disease: a population based prospective cohort study comprising 2416 Danish adults. Gut. 2003; (52): 186–93.Rosenstock S., Jorgensen T., Bonnevie O., Andersen L. Risk factors for peptic ulcer disease: a population based prospective cohort study comprising 2416 Danish adults. Gut. 2003; (52): 186–93.Соловьева С.В. НПВП-гастропатии – проблема пожилых. Академический журнал Западной Сибири. 2012; (3): 28.Solov’eva S.V. NSAID-gastropathies – the problem of the elderly. Akademicheskiy zhurnal Zapadnoy Sibiri – Academic Journal of West Siberia. 2012; (3): 28 (in Russ.).Константинова Е.Д., Вараксин А.Н., Жовнер И.В. Определение основных факторов риска развития неинфекционных заболеваний: метод деревьев классификации. Гигиена и санитария. 2013; (5): 69–72.Konstantinova E.D., Varaksin A.N., Zhovner I.V. Identification of the main risk factors for non-infectious diseases: method of classification trees. Gigiena i sanitarija. 2013; (5): 69–72 (in Russ.).Безруков Н.С., Еремин Е.Л. Построение и моделирование адаптивной нейро-нечеткой системы в задаче медицинской диагностики. Информатика и системы управления. 2005;2 (10): 36–46.Bezrukov N.S., Eremin E.L. Construction and modeling of the adaptive neuro-fuzzy system in the problem of medical diagnostics. Informatika i sistemy upravleniya – Information Science and Control Systems. 2005; 2 (10): 36–46 (in Russ.).Скворцова В.И. Семь принципов модернизации здравоохранения. Вопросы экономики и управления для руководителей здравоохранения. 2010; (5): 7–14.Skvortsova V.I. Seven principles of organization of healthcare. Voprosy ekonomiki i upravlenija dlja rukovoditelej zdravoohranenija. 2010; (5): 7–14 (in Russ.).Лазаренко В.А., Антонов А.Е., Новомлинец Ю.П. Визуальная среда непараметрического корреляционного анализа факторов риска у больных с хирургической патологией. Журнал научных статей Здоровье и образование в XXI веке. 2017; 19 (4): 34–37.Lazarenko V.A., Antonov A.E., Novomlinec Ju.P. Visual environment for nonparametric correlation analysis of risk factors in patients with surgical diseases. Zhurnal nauchnyh statej Zdorov’e i obrazovanie v XXI veke – The Journal of Scientific Articles Health and Education Millenium. 2017; 19 (4): 34–37 (in Russ.).Лазаренко В.А., Антонов А.Е., Прасолов А.В., Чурилин М.И. Проблема оптимизации регрессионного анализа в оценке факторов риска, влияющих на развитие хирургических заболеваний гепатопанкреатодуоденальной зоны. Журнал научных статей Здоровье и образование в XXI веке. 2017; 19 (5): 24–27.Lazarenko V.A., Antonov A.E., Prasolov A.V., Churilin M.I. The problem of regression analysis optimization in evaluation of risk factors influencing the development of surgical diseases of hepatopancreatoduodenal zone. Zhurnal nauchnyh statej Zdorov’e i obrazovanie v XXI veke – The Journal of Scientific Articles Health and Education Millenium. 2017; 19 (5): 24–27 (in Russ.).Лазаренко В.А., Антонов А.Е. Роль социальных факторов риска в развитии язвенной болезни в Курской области. Курский научно-практический вестник «Человек и его здоровье». 2016; 2: 35–39. DOI: 10.21626/vestnik/2016-2/06.Lazarenko V.A., Antonov A.E. The role of social risk factors in peptic ulcer development in Kursk Region. Kurskij nauchno-prakticheskij vestnik “Chelovek i ego zdorov’e” – Kursk Scientific and Practical Bulletin “Man and His Health”. 2016; 2: 35–39 (in Russ.). DOI: 10.21626/vestnik/2016-2/06.Щепин В.О., Расторгуева Т.И., Проклова Т.Н. К вопросу о перспективных направлениях развития здравоохранения Российской Федерации. Бюллетень Национального научно-исследовательского института общественного здоровья имени Н.А. Семашко. 2012; (1): 147–152.Shhepin V.O., Rastorgueva T.I., Proklova T.N. More on prospective directions of healthcare development in the Russian Federation. Bjulleten’ Nacional’nogo nauchnoissledovatel’skogo instituta obshhestvennogo zdorov’ja imeni N.A. Semashko. 2012; (1): 147–152 (in Russ.).Мустафаев А.Применение искусственных нейронных сетей для ранней диагностики заболевания сахарным диабетом. Кибернетика и программирование. 2016; (2): 1–7. DOI: 10.7256/2306-4196.2016.2.17904.Mustafaev A.G. Use of artificial neural networks in early diagnosis of diabetes mellitus disease. Kibernetika i programmirovanie – Cybernetics and Programming. 2016; (2): 1–7 (in Russ.). DOI: 10.7256/2306-4196.2016.2.17904.Лазаренко В.А., Антонов А.Е. Система интеллектуального анализа и диагностики заболеваний. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ (RU) № 2017613090. Çаявитель ФГБОУ ВО «Курский государственный медицинский университет» Минздрава России № 2016664120; 22.12.2016; опубл. 10.03.2017.Lazarenko V.A., Antonov A.E. System for Intellectual Analysis and Diagnosis of Diseases. Certificate for State Registration of Programs for Computers (RU) no. 2017613090. Applicant FSBEI HE “Kursk State Medical University” MOH Russia no. 2016664120 on 22.12.2016; published on 10.03.2017 (in Russ.).Лазаренко В.А., Антонов А.Е. Опыт разработки программного комплекса для нейросетевой диагностики и прогнозирования заболеваний гепатопанкреатодуоденальной зоны. Врач и информационные технологии. 2017; (4): 132–140.Lazarenko V.A., Antonov A.E. Experience of the development of the software package for neural network diagnosis and prediction of diseases of hepatopancreatoduodenal zone. Physitians and IT. 2017; (4): 132–140 (in Russ.).Лазаренко В.А., Антонов А.Е. Оценка качества функционирования искусственных нейронных сетей c логическими выходами в диагностике заболеваний гепатопанкреатодуоденальной зоны. Казанский медицинский журнал. 2017; 98 (6): 928–932. DOI: 10.17750/KMJ2017-928.Lazarenko V.A., Antonov A.E. Evaluation of the quality of functioning of artificial neural network with logic outputs in the diagnosis of diseases of hepatopancreatoduodenal zone. Kazan Medical Journal. 2017; 98 (6): 928–932 (in Russ.). DOI: 10.17750/KMJ2017-928.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.