Đề tài Ứng dụng một số phương pháp tính toán mềm xây dựng phần mềm trợ giúp điều trị thuốc chống đông đường uống cho bệnh nhân sử dụng van tim nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------------------------------ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MỀM XÂY DỰNG PHẦN MỀM TRỢ GIÚP ĐIỀU TRỊ THUỐC CHỐNG ĐÔNG ĐƯỜNG UỐNG CHO BỆNH NHÂN SỬ DỤNG VAN TIM NHÂN TẠO NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRẦN NGỌC CƯỜNG HÀ NỘI - 2005 T R Ầ N N G Ọ C C Ư Ờ N G – N G À N H C Ô N G N G H Ệ T H Ô N G T IN – K H Ó A 2 0 0 3 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Phó giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Phương, Giám đốc trung tâm tin học – Bộ y tế đã tận tình hướng dẫn tôi về đề tài, kiến thức và những phương pháp luận quý giá cho đồ án này. Tôi xin chân thành cảm ơn bác sĩ Nguyễn Ngọc Quang – Bộ môn Tim mạch – trường Đại học Y Hà nội, bác sĩ Phạm Thái Sơn, bác sĩ Lê Thanh Bình Khoa hậu phẫu C1, Viện tim mạch quốc gia Việt Nam, bệnh viện Bạch Mai đã giải thích cho tôi hiểu được các vấn đề phức tạp về chuyên môn y học và đánh giá các phương án tiếp cận lý thuyết so với các vấn đề thực tế điều trị thuốc chống đông đường uống. Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm phát triển khoa học, công nghệ và tài năng trẻ, Trung ương Đoàn TNCS Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất về thời gian và công việc để tôi có thể tham gia và hoàn thiện khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn những buổi seminar khoa học của Trung tâm tin học – Bộ y tế đã dành cho tôi những buổi trình bày các ý tưởng, các hướng tiếp cận và giải pháp giải quyết vấn đề mà đồ án đã đưa ra. Chúc seminar của các bạn ngày càng phát triển. Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân yêu, bạn bè, các đồng nghiệp trẻ từ các công ty iMatrix, công ty RunSystem đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt khóa học và quá trình làm đồ án. Chúc công ty của các bạn ngày càng đoàn kết gắn bó và trở thành những công ty rất lớn ở Việt nam. Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với các thầy cô công tác tại Trung tâm đào tạo bồi dưỡng sau đại học đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình chúng tôi trong suốt khóa học. Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với các thầy cô trong Khoa công nghệ thông tin trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập. Cuối cùng, tôi xin cám ơn các bạn cùng lớp Cao học CNTT khóa 2003-2005 đã sát cánh bên tôi vượt qua những khó khăn và vất vả suốt 2 năm học tập bên nhau. Chúc tất cả các bạn đều trở thành những người thành đạt. 3 Mục lục Danh sách bảng ........................................................................................................... 5 Danh sách hình vẽ ....................................................................................................... 6 Lời mở đầu ................................................................................................. 7 I. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 7 II. Mục tiêu của đề tài.................................................................................................. 7 III. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................... 8 IV. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 8 V. Bố cục của đề tài..................................................................................................... 8 Chương 1: Sơ qua về bệnh tim và việc điều trị thuốc chống đông đường uống ở bệnh nhân thay van tim nhân tạo .................................. 10 1.1 Tìm hiểu sơ bộ về bệnh tim................................................................................. 10 1.1.1 Tìm hiểu qua về quả tim bình thường................................................................................. 10 1.1.2 Những bệnh liên quan đến việc thay van tim ..................................................................... 14 1.2 Điều trị thuốc chống đông đường uống ở bệnh nhân thay van tim nhân tạo...... 15 1.2.1 Kiến thức chung.................................................................................................................. 15 1.2.2 Theo dõi khi sử dụng thuốc ................................................................................................ 18 Chương 2: Xác định các yếu tố liên quan và các kiến thức chuyên gia trong điều trị thuốc chống đông đường uống. ....................................... 21 2.1 Các yếu tố liên quan đến điều trị thuốc chống đông đường uống....................... 21 2.1.1 Vấn đề điều trị sau mổ ........................................................................................................ 21 2.1.2 Chế độ ăn uống và các loại thực phẩm chứa Vitamin K..................................................... 22 2.2 Hạn chế đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 26 Chương 3: Cơ sở lý thuyết một số phương pháp tính toán mềm......... 27 3.1 Lý thuyết tập mờ ................................................................................................. 27 3.1.1 Các khái niệm ..................................................................................................................... 27 3.1.2 Các phép toán cơ sở ............................................................................................................ 28 3.1.3 Mô hình mờ và phương pháp lập luận mờ.......................................................................... 30 3.1.4 Khử mờ ............................................................................................................................... 31 3.2. Lập luận dựa trên các trường hợp ...................................................................... 33 3.2.1 Sử dụng lại tri thức và kinh nghiệm.................................................................................... 33 3.2.2 Các kỹ thuật lập luận dựa trên sự sử dụng lại ..................................................................... 34 3.2.3 Hàm đo sự tương tự trong lập luận dựa trên các trường hợp.............................................. 37 4 3.2.4 Những hướng ứng dụng của lập luận dựa trên các trường hợp .......................................... 39 Chương 4. Một số phương pháp tính toán mềm áp dụng cho việc dự đoán liều lượng thuốc chống đông.......................................................... 40 4.1. Phương pháp thăm dò sử dụng các luật cơ bản.................................................. 40 4.2. Phương pháp trường hợp dựa trên các trường hợp ............................................ 48 4.3. Phương pháp tìm kiếm quy luật sử dụng thuốc ................................................. 55 4.4. Kết hợp các phương pháp trên ........................................................................... 59 Chương 5: Xây dựng phần mềm thử nghiệm các thuật toán dự đoán liều lượng thuốc chống đông ................................................................... 64 5.1. Thiết kế hệ thống................................................................................................ 64 5.2. Cơ sở dữ liệu ...................................................................................................... 66 5.3. Mô tả phần mềm................................................................................................. 67 Chương 6: Kết quả vận hành thử nghiệm và các đánh giá .................. 79 6.1 Các kết quả vận hành thử nghiệm ....................................................................... 79 6.2 Nhận xét và đánh giá ........................................................................................... 83 Kết luận..................................................................................................... 84 Tài liệu tham khảo ................................................................................... 86 5 Danh sách bảng Bảng 1.1 Tác dụng của thuốc chống đông ................................................................... 17 Bảng 2.1 Liệt kê tất cả các loại thức ăn có chứa Vitamin K........................................ 23 Bảng 4.1 Ngưỡng INR an toàn đối với từng loại van nhân tạo ................................... 41 Bảng 4.2 Công thức xác định các hàm tương tự thành phần ....................................... 51 Bảng 4.2 Sơ đồ thuật toán tự tìm quy luật. .................................................................. 56 Bảng 4.3 Sơ đồ thuật toán tìm quy luật từ CSDL mẫu quy luật. ................................. 57 Bảng 4.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp lai. ................................................................ 60 Bảng 5.1 Dải INR an toàn của bệnh............................................................................. 79 Bảng 5.2 Kết quả thử nghiệm số liệu bệnh nhân 05-00-27346, phương pháp thăm dò ...................................................................................................................................... 80 Bảng 5.3 Kết quả thử nghiệm số liệu bệnh nhân 05-00-28690, phương pháp thăm dò ...................................................................................................................................... 80 Bảng 5.4 Kết quả thử nghiệm số liệu bệnh nhân 05-00-28734, phương pháp thăm dò ...................................................................................................................................... 81 Bảng 5.5 Kết quả thử nghiệm số liệu bệnh nhân 05-00-29002, phương pháp thăm dò ...................................................................................................................................... 81 Bảng 5.6 Kết quả thử nghiệm số liệu bệnh nhân 05-00-10001, phương pháp thăm dò ...................................................................................................................................... 81 Bảng 5.7 Kết quả thử nghiệm theo phương pháp thứ tìm kiếm quy luật..................... 82 6 Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Quả tim nhìn từ phía trước. ........................................................................... 10 Hình 1.2. Quả tim nhìn từ phía sau. ............................................................................. 11 Hình 1.3. Sau cắt bỏ tâm nhĩ, nhìn từ trên xuống để thấy rõ vị trí 4 van tim. ............. 12 Hình 1.4. Van động mạch chủ...................................................................................... 13 Hình 3.1 Chu trình lập luận dựa trên các trường hợp .................................................. 48 Hình 5.1 Cơ sở dữ liệu của hệ thống............................................................................ 66 Hình 5.2 Chức năng nhập thông tin cá nhân và trạng thái người bệnh ....................... 67 Hình 5.3 Chức năng nhập thông tin các bữa ăn hàng ngày ......................................... 68 Hình 5.4 Chức năng nhập chế độ hoạt động hàng ngày .............................................. 69 Hình 5.5 Chức năng nhập thông tin các loại van tim nhân tạo.................................... 70 Hình 5.6 Chức năng nhập thông tin hàm lượng vitamin K trong thức ăn ................... 71 Hình 5.7 Chức năng nhập thông tin vùng miền ........................................................... 72 Hình 5.8 Chức năng nhập thông tin khu vực sinh sống............................................... 73 Hình 5.9 Chức năng nhập thông tin thuốc uống hàng ngày......................................... 74 Hình 5.10 Phương pháp dự đoán thăm dò ................................................................... 75 Hình 5.11 Phương pháp dự đoán dựa trên trường hợp ................................................ 76 Hình 5.12 Phương pháp dự đoán tìm kiếm quy luật .................................................... 77 Hình 5.13 Phương pháp dự đoán kết hợp .................................................................... 78 7 Lời mở đầu I. Đặt vấn đề Bệnh nhân bị bệnh tim hoặc sau khi đã được mổ thay van tim được bác sỹ chỉ định cho dùng thuốc chống đông máu lâu dài. Đây là một trong những công việc cực kỳ quan trọng đối với bệnh nhân bị bệnh tim mà phải dùng chống đông. Vì nếu không dùng hoặc không đủ hiệu lực thì tai biến tắc mạch có thể xảy ra bất kể khi nào đe doạ tính mạng bệnh nhân. Ngược lại, nếu dùng quá liều có thể dẫn đến chảy máu. Liều thuốc uống của bệnh nhân có thể thay đổi từ ngày này qua ngày khác và phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Lịch uống trong ngày của bệnh nhân cũng cần được tuân thủ và quản lý rất chặt chẽ. Bác sỹ sẽ xác định chính xác liều lượng thuốc bệnh nhân cần uống sau khi đã kiểm tra các yếu tố đông máu(Tỷ lệ prothrombin -TP và chỉ số bình thường hoá quốc tế - INR). Liều thuốc có thể thay đổi vì thế bệnh nhân phụ thuộc rất nhiều vào bác sĩ và phòng khám, trong thời gian suốt cả phần đời còn lại của mình. Một phần mềm sử dụng các thuật toán dự đoán liều lượng thuốc cần uống, quản lý lịch uống thuốc hàng ngày của người bệnh sẽ là một giải pháp thật hữu ích góp phần giảm gánh nặng cho những bệnh nhân này. Các thuật toán dựa trên những lập luận xấp xỉ sẽ thích hợp khi phải sử dụng những dữ kiện rất khó thống kê và tính toán của người bệnh trong ngày, cũng như những kiến thức chuyên gia của các bác sĩ điều trị khi phải dự đoán liều lượng cần uống những ngày tiếp theo của một người bệnh. II. Mục tiêu của đề tài Đề tài này sẽ tập trung giải quyết các vấn đề sau đây: - Nghiên cứu làm rõ bài toán sử dụng thuốc chống đông đường uống của bệnh nhân thay van tim nhân tạo. - Đề xuất các thuật toán mô phỏng việc tính liều lượng cho bệnh nhân dựa trên các lý thuyết xấp xỉ. - Xây dựng một phần mềm hỗ trợ quản lý và hỗ trợ điều trị thuốc chống đông đường uống sử dụng các thuật toán trên. - Vận hành thử nghiệm phần mềm, theo dõi và đánh giá kết quả tại Viện tim mạch Trung ương. 8 III. Phạm vi nghiên cứu Xác định và đánh giá việc điều trị thuốc chống đông đường uống là một vấn đề phức tạp và thời gian phải điều trị rất dài. Khối lượng và độ phức tạp của các dữ kiện đầu vào rất lớn. Đối tượng bệnh nhân điều trị thuốc chống đông lại nhiều thành phần và phụ thuộc nhiều yếu tố chuyên môn về bệnh lý cũng như các điều kiện dịch tễ khác. Với thời gian có hạn, đề tài này xác định giới hạn trong việc xây dựng thuật toán và phần mềm hỗ trợ cho một lớp bệnh nhân đặc trưng và chiếm đa số trong các ca thay van tim ở Việt Nam. IV. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp điều tra khảo sát thực tế và phân tích hệ thống Phương pháp thống kê Phương pháp so sánh Phương pháp chuyên gia Phương pháp ứng dụng lý luận xấp xỉ như lý thuyết tập mờ và lập luận dựa trên trường hợp. V. Bố cục của đề tài Lời mở đầu: Sự cấp thiết của Đề tài nghiên cứu. Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Chương 1: Tìm hiểu sơ qua về bệnh tim và việc điều trị thuốc chống đông đường uống Phần này sẽ trình bày một số vấn đề cơ bản về bệnh tim mạch, các bệnh nhân thay van tim nhân tạo, và việc điều trị thuốc chống đông đường uống cho bệnh nhân. Chương 2: Xác định các yếu tố liên quan và các kiến thức chuyên gia trong điều trị thuốc chống đông đường uống. Phần này trình bày các nghiên cứu đánh giá, thu thập và phân loại về các loại đối tượng trong bài toán xác định liều lượng sử dụng thuốc chống đông đường uống. Trong đó có các kiến thức chuyên gia về việc xác định liều lượng sử dụng thuốc trong ngày của một bệnh nhân. Chương 3: Cơ sở lý thuyết một số phương pháp tính toán mềm Phần này nhắc lại một số khái niệm cơ bản về các phương pháp tính toán mềm như lý thuyết tập mờ và lập luận dựa trên các trường hợp. Chương 4: Xây dựng thuật toán dự đoán liều lượng thuốc chống đông Đưa ra các thuật toán dự đoán liều lượng thuốc chống đông 9 Chương 5: Xây dựng phần mềm thử nghiệm các thuật toán dự đoán liều lượng thuốc chống đông Xây dựng phần mềm, thiết kế hệ thống và cơ sở dữ liệu. Chương 6: Kết quả vận hành thử nghiệm và các đánh giá Kết luận Tài liệu tham khảo 10 Chương 1: Sơ qua về bệnh tim và việc điều trị thuốc chống đông đường uống ở bệnh nhân thay van tim nhân tạo 1.1 Tìm hiểu sơ bộ về bệnh tim 1.1.1 Tìm hiểu qua về quả tim bình thường Cấu trúc và hoạt động Nhìn mặt trước ( Hình 1.1), ta có thể thấy quả tim là một khối cơ (thịt), đầu dưới hơi nhọn và hướng về bên trái, gọi là mỏm tim hay đỉnh tim. Trên bề mặt quả tim, có nhiều mặt máu chạy ngoằn ngoèo: đó là những động mạch vành và những tĩnh mạch vành. Những động mạch vành này tuy nhỏ bé nhưng có nhiệm vụ rất quan trọng là đem oxy đến cho cơ tim. Nếu chúng bị tắc, một vùng cơ tim sẽ bị hoại tử, đó là bệnh nhồi máu cơ tim. Hình 1.1 Quả tim nhìn từ phía trước. 1. Động mạch chủ; 2. Động mạch phổi; 3.Tĩnh mạch chủ trên; 4.Tĩnh mạch phổi; 5.Tiểu nhĩ phải; 6.Tiểu nhĩ trái; 7. Rãnh liên thất trước; 8.Tâm thất phải; 9. Tâm thất trái; 10. Mỏm tim; 11. Tâm nhĩ phải; 12.Các động mạch lên tay và đầu. 11 Mặt sau quả tim (Hình 1.2) cũng có những mạch vành như vậy. Hình 1.2. Quả tim nhìn từ phía sau. 1. Động mạch chủ; 2. Động mạch phổi; 3.Tĩnh mạch chủ trên; 4. Tâm nhĩ trái; 5.Tĩnh mạch phổi phải; 6.Tâm nhĩ phải; 7.Tĩnh mạch chủ dưới; 8.Tâm thất trái; 9.Tâm thất phải; 10.Rãnh liên thất sau; 11.Mỏm tim; 12.Tâm thất trái ; 13.Tĩnh mạch phổi trái; 14.Các động mạch lên tay và đầu. Ở hai lỗ thông giữa tâm nhĩ ở trên với tâm thất cùng bên ở dưới, màng trong tim gấp lại thành những lá van gọi là van nhĩ-thất. Nhờ có những van này mà máu chỉ đi được một chiều, từ tâm nhĩ xuống tâm thất. Van bên phải giữa tâm nhĩ và tâm thất phải, gọi là van ba lá, còn van bên trái chỉ có hai lá thôi (Hình 1.3). Van hai lá rất hay bị bệnh, có khi hở van, nhưng phổ biến hơn nhiều là hẹp van. 12 Hình 1.3. Sau cắt bỏ tâm nhĩ, nhìn từ trên xuống để thấy rõ vị trí 4 van tim. 1.Mép sau van hai lá; 2.Tâm thất trái; 3.Vòng van hai lá; 4.Van hai lá; 5.Mép trước van hai lá; 6. Van chủ; 7.Van phổi; 8.Tâm thất phải; 9. Vòng van 3 lá; 10. Van ba lá. Ở "cửa ngõ" hai động mạch lớn, nội tâm mạc cũng được xếp thành van, gọi là van động mạch, còn có tên là van tổ chim, vì khi bổ dọc động mạch ra chúng giống như 3 tổ chim xếp cạnh nhau (Hình 1.3). cũng như các van nhĩ-thất, các van động mạch chỉ cho máu đi theo một chiều nhất định. Van động mạch chủ, còn gọi là van chủ, chỉ cho máu phụt từ tâm thất trái vào động mạch chủ, còn van động mạch phổi cũng chỉ cho máu từ tâm thất phải vào động mạch phổi thôi. Hình 1.3 nhìn 4 van tim từ trên xuống, sau khi đã cắt bỏ hai tâm nhĩ như cái "vung nồi" đi. Trong thực tế, các van ở bên trái tim như van hai lá, van chủ, hay mắc bệnh hơn những van bên phải là van ba lá và van phổi. Để hiểu thêm về hoạt động của quả tim, cũng cần làm quen với những người "hàng xóm" xem quan hệ với nhau thế nào (Hình 1.4). Tim nằm trong lồng ngực, giữa hai lá phổi trái và phải, ngay sau xương ức, mỏm chếch về phía trước và sang trái cho nên chiếm nhiều chỗ của phổi trái hơn phổi phải. Khi có người bị ngừng tim do điện giật hay chết đuối chẳng hạn, người ta ép xương ức, cũng tức là ép lên quả tim, giúp tim tống máu đi nuôi cơ thể. Chú ý không được ép lên vùng ngực trái, ít hiệu quả mà lại dễ gãy xương sườn. Ngay sau tim là thực quản, nên khi tim to ra nhiều, người bệnh thấy nuốt khó. 13 Hình 1.4. Van động mạch chủ (tức là van tổ chim bên trái, P và T là hai lỗ động mạch vành bên phải và bên trái). Lúc nghỉ ngơi mỗi phút quả tim đập 75 nhát. Đấy là ở người lớn; tim trẻ con đập nhanh hơn nhiều. Đối với sinh vật nói chung, kích thước càng lớn thì tim đập càng chậm; tim voi đập 25 lần mỗi phút, còn tim chuột đập tới 500! Mỗi nhát đập ở người lớn, tâm thất trái bơm đẩy 70 ml máu đỏ, và mỗi phút lượng máu đỏ được bơm vào động mạch chủ là 70ml x 75 = 5.250ml tức 5,2 lít. Con số đó gọi là cung lượng tim. Tất nhiên cùng một lượng máu bằng