fedulova - Математическая морфология

УДК 340.624
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ПОЛУКОЛИЧЕСТВЕННЫЙ МЕТОД
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВНОСТИ ПОВРЕЖДЕНИЙ СЕЛЕЗЕНКИ,
ПРИЧИНЕННЫХ ТУПЫМИ ПРЕДМЕТАМИ
 2007 г. Федулова М. В. 1, Самородов А. В. 2, Русакова Т. И. 1
Статья посвящена разработке автоматизированной программы
определения давности повреждений селезенки, причиненных тупыми
предметами. В основе программы положен новый полуколичественный метод
учета признаков воспалительно-репаративного процесса. Согласно этому
методу каждому из девяти выбранных признаков, в зависимости от степени
его выраженности, присваивается определенный балл (от 0 до 4).
Автоматизированная программа позволяет облегчить работу судебномедицинских экспертов гистологов и повысить оперативность метода.
Ключевые слова: повреждения селезенки, гистологическое исследование,
автоматизированная система.
В судебно-медицинской практике среди закрытых повреждений органов
живота травма селезенки занимает одно из ведущих мест [4]. При
расследовании уголовных дел, связанных с повреждением селезёнки, на
разрешение экспертизы всегда ставят вопрос о давности образования
повреждения, и очень часто крайне важно бывает выявить того участника
конфликта, чье травматическое действие привело к разрыву органа. Для
объективного решения вопроса о давности травмы чаще всего применяют
гистологическое исследование, которое может позволить не только
устанавливать ориентировочную давность образования того или иного
повреждения селезенки, но и дифференцировать повреждения, возникшие во
время разных травматических эпизодов. В то же время, визуальная
качественная оценка различного рода признаков вносит в исследование
элементы субъективизма, что приводит к недостаточно точным и
доказательным результатам [6]. В связи с этим для повышения точности и
достоверности определения давности повреждений селезенки нами была
предпринята попытка разработки балльного метода оценки признаков
заживления ее повреждений и создание на его базе автоматизированной
программы.
Основу работы составили материалы судебно-гистологических экспертиз
за 1999-2006 годы по поводу травмы селезёнки, причиненной тупыми
предметами, у 118 живых лиц мужского пола 18-22 лет, документально не
страдавших наркоманией, алкоголизмом, нарушениями иммунного статуса
организма, тяжелыми хроническими заболеваниями. Из удаленных
оперативным путем селезенок готовили гистологические микропрепараты,
которые окрашивали гематоксилином и эозином, по Перлсу и по Ван-Гизон.
Препараты исследовали методом световой микроскопии с помощью
микроскопа Axioplan 2 imaging фирмы Карл Цейс.
Из всего спектра существующих признаков воспалительно-репаративного
процесса [5] нами были выбраны все те, которые наиболее четко и
безошибочно дифференцируются на микропрепаратах селезенки. По степени
увеличения выраженности этих признаков им были присвоены баллы от «0» до
«4». Балльная оценка показана в табл. 1.
Таблица 1
Балльная оценка наиболее легко дифференцируемых признаков воспалительнорепаративного процесса в селезенке
Признак
0
Р1. Количество
неизмененных
гранулоцитов в
составе
гематомы
Р2. Количество
распадающихся
гранулоцитов в
составе
гематомы
Р3. Количество
неизмененных
гранулоцитов по
краям гематомы
Р4. Количество
распадаю-щихся
гранулоцитов по
краям гематомы
Р5. Вид и
степень
уплотнения
фибрина
Р6.
Количество
гемосидерофагов с
гемосидерином
в цитоплазме
Р7. Количество
глыбок
внеклеточного
гемосидерина
Отсутствие
признака
1
Степень выраженности в баллах
2
3
4
Единичные
клетки (до 5 в
поле зрения)
Немногочисле
нные клетки
(6-20 в поле
зрения)
Умеренное
количество
клеток (21-50
в поле зрения)
Множествен
ные клетки
(свыше 50 в
поле зрения)
Единичные
клетки (до 5 в
поле зрения)
Немногочисле
нные клетки
(6-20 в поле
зрения)
Умеренное
количество
клеток (21-50
в поле зрения)
Множествен
ные клетки
(свыше 50 в
поле зрения)
Единичные
клетки в
синусах
Немногочисленные клетки
по краям
гематомы
Единичные
клетки (до 5 в
поле зрения)
Нежный,
рыхлый,
зернистого вида
Немногочисле
нные клетки
(6-20 в поле
зрения)
Нежные,
зернистонитчатые
массы
Умеренное
количество
клеток по
краям
гематомы
Умеренное
количество
клеток (21-50
в поле зрения)
Несколько
уплотнённые
лентовидные
массы
Демаркацио
нный вал
Множествен
ные клетки
(свыше 50 в
поле зрения)
Плотные,
лентовидноглыбчатые
массы
Единичные
клетки
(глыбки) (1-3
клетки)
Немногочисленные
клетки
(глыбки) (4-8)
Умеренное
количество
клеток
(глыбок) (915)
Множественные
клетки
(глыбки)
(более 15)
Единичные
клетки (глыбки)
(1-3 клетки)
Немногочисле
нные клетки
(глыбки) (4-8)
Умеренное
количество
клеток
(глыбок) (915)
Множественные
клетки
(глыбки)
(более 15)
2
Р8. Степень
пролиферации
гистиоцитов и
фибробластов
Хаотичное
расположение
гистиофибробла
стических
элементов в
зоне
формирующейся капсулы
Р9. Характер
образования
соединительнотканной
капсулы
Образование
тонких, нежных
коллагеновых
волокон
Упорядоченное расположение гистиофибробластических элементов в зоне
формирующей
ся капсулы
Образование
толстых,
плотных
коллагеновых
волокон
Немногочисле
нные тяжи
клеток,
врастающих в
гематому (1-2
тяжа)
Множественные тяжи
клеток,
врастающих
в гематому
(более 2
тяжей)
Образование
зрелой
Пролиферасоединительно ция сосудов
тканной
в капсуле
капсулы
Все вышеперечисленные признаки оценивали в баллах при просмотре
гистологических препаратов под увеличением микроскопа в 200 раз.
Исследовали все поля зрения в препарате, при этом оценивали в баллах
изучаемый признак в том поле зрения, в котором этот признак был
максимально выражен. Признаки Р6, Р7 учитывали на препаратах, окрашенных
по Перлсу, признаки Р8, Р9 – на препаратах, окрашенных по Ван-Гизон.
Статистический анализ данных осуществлялся с помощью программных
средств SPSS for Windows, v. 13 и Microsoft Excel 2003. Для установления
связи наличия и выраженности признаков воспалительно-репаративного
процесса с давностью возникновения повреждения осуществлялся анализ
динамики балльных оценок признаков в зависимости от времени, прошедшего с
момента возникновения повреждения селезенки.
При проведении микроскопического исследования все 118 исследуемых
случаев были просчитаны с помощью разработанного нами метода балльных
оценок признаков заживления повреждений селезенки. С целью автоматизации
обработки информации была создана электронная база данных, содержащая
балльные значения признаков заживления повреждений селезенки, а также
сроки давности образования повреждений, которые были выделены нами в
процессе микроскопического исследования. Далее проводилась необходимая
статистическая обработка информации.
По исходным верифицированным данным были рассчитаны средние
значения признаков для каждого временного интервала. В качестве значения
давности, соответствующего каждому временному интервалу использовалась
середина этого интервала (Таблица 2).
Зависимость значений всех признаков от логарифма давности (рис.1),
кроме Р7 и Р9, напоминает гауссову плотность вероятности, которая описывает
распределение значений параметра, в формирование которого вносят вклад
большое число факторов. Зависимость для признаков Р7 и Р9 визуально
напоминает гауссову функцию распределения, описывающую процесс
накопления значений параметра, в формирование которых вносят вклад
большое число факторов.
Таблица 2
3
Средние значения признаков
Интервал
давности
до 1 ч
Логарифм
Давность, ч давности
0,5
-0,30
Р1
Р2
Р3
Р4
Р5
Р6
Р7
Р8
Р9
1,3
0
0
0
1
0
0
0
0
2-3 ч
2,5
0,40
2,3
0
0,3
0
1
0
0
0
0
4-6 ч
5
0,70
3,4
0,3
1,3
0,3
1,9
0
0
0
0
7-8 ч
7,8
0,89
3,4
1,2
2,2
1
2,7
0
0
0
0
9-11 ч
10
1,00
3,7
2,6
3,3
2,2
2,9
0
0
0
0
24-48 ч
36
1,56
2,8
3,4
4
3,1
3,8
0
0
0
0
3-4 дня
84
1,92
2,6
3
2,4
1,7
3,8
0,5
0
0,5
0
5-6 дня
132
2,12
2
3
2
0
4
1,2
0
2,5
0,5
7-10 дней
204
2,31
1,2
2,9
1,1
0
3,6
2,5
0,3
2,9
1,3
3-8 недель
924
2,97
0
0,7
0
0
2
2,1
2,7
2,7
3
более 2
месяцев
2160
3,33
0
0
0
0
0
0
3,3
1,3
3
5
4,5
Р1
4
Р2
3,5
Р3
3
Р4
2,5
Р5
2
Р6
1,5
Р7
1
Р8
0,5
Р9
0
-1
0
1
2
3
4
Рис. 1. Зависимость значения признаков от логарифма давности
Для проверки данных утверждений были оценены параметры
гипотетических распределений и проведено сравнение гипотетических и
зафиксированных значений. Параметры гипотетических распределений:
средние значения μ, среднеквадратические отклонения σ (СКО) и весовые
коэффициенты n – с которыми проводилось сравнение, представлены в таблице
3.
Таблица 3
Параметр
Среднее
значение, lg(ч)
Р1
Р2
Р3
Р4
Р5
Р6
Р7
Р8
Р9
1,15
1,76
1,44
1,37
1,67
2,55
2,75
2,65
2,45
4
СКО, lg(ч)
Весовой
коэффициент
0,68
0,57
0,53
0,39
0,77
0,37
0,35
0,43
0,30
6,70
5,30
5,34
2,98
7,77
2,82
3,50
4,00
3,00
Для сравнения гипотетических и зафиксированных распределений были
построены доверительные интервалы для зафиксированных средних значений
признаков для каждого из сроков давности, которые строились для уровня
доверия 95%, что является общепринятым при обработке статистических
данных. Полученные доверительные интервалы определяют диапазоны
значений признаков, в которых с вероятностью 95% лежат их истинные
значения, то есть средние значения, которые мы получили бы на практике при
наличии группы обучения бесконечно большого размера.
Как показали вычисления, все отсчеты гипотетического распределения в
нашем случае находятся внутри соответствующих доверительных интервалов,
то есть, нет оснований сомневаться в истинности выдвинутой гипотезы о том,
что временная зависимость значений признаков описывается гауссовыми
плотностью вероятности и функцией распределения.
Для решения задачи построения автоматизированной системы определения
давности повреждений в данном случае целесообразно использовать явные
вероятностные алгоритмы [1, 2, 3], в частности, расчет апостериорных
вероятностей по формуле Байеса. Использовались две возможные модификации
данного метода:
1)
объединенная модификация, при которой рассчитываются
вероятности одновременно для всех сравниваемых групп;
2)
попарная модификация, при которой сравнение происходит в парах
во всех возможных комбинациях. По результатам таких парных
классификаций группам присваиваются «голоса». Та группа,
которая наберет большее число «голосов по результатам парных
классификаций считается окончательным результатом.
Каждая модификация реализована с использованием как всех признаков,
так и только информативных признаков, т.е. тех, по которым в группе обучения
действительно были выявлены различия между классами.
Обе модификации были протестированы, в результате чего было выявлено,
что наиболее целесообразно использовать явный вероятностный метод на
основе формулы Байеса в объединенной модификации. Таким образом, была
создана автоматизированная система оценки давности повреждений селезенки
в целях облегчения работы судебно-медицинских экспертов-гистологов, а
также для повышения экспрессности метода.
Система помогает пользователю осуществить балльную оценку
учитываемых признаков, проводит необходимые расчеты, подготавливает и
выводит на экран вероятности давности образования повреждений по каждому
временному периоду.
Автоматизированная система имеет следующие характеристики. После
старта программы на экране появляется окно, в котором расположена панель
ввода данных «Результаты исследования» и таблица «Давность повреждений»
5
(рис. 2).
В окошки панели ввода данных вводят баллы, полученные при учете
признаков Р1-Р9 при проведении микроскопии гистологических препаратов
селезенки.
Каждое
окошко
пронумеровано,
номер
соответствует
определенному признаку (1 – признак Р1, 2 – признак Р2 и т.д.). Если тот или
иной параметр не был учтен, то напротив соответствующего окошка
необходимо снять отметку «Учитывать признак». После ввода всех баллов
следует нажать кнопку «Вычислить вероятности», и в таблице «Давность
повреждений» слева автоматически появятся временные интервалы,
пронумерованные от 1 до 11, а справа – вероятности принадлежности данной
совокупности признаков к тому или иному интервалу (рис. 3). Кодировка
временных интервалов следующая: 1 – 0-1 час; 2 – 2-3 часа; 3 – 4-6 часов; 4 –7-8
часов; 5 – 9-11 часов; 6 – 1-2 суток; 7 – 3-4 суток; 8 – 5-6 суток; 9 – 7-10 суток;
10 – 1-2 месяца; 11 – более 2 месяцев.
Рис. 2. Окно автоматизированной системы оценки давности повреждений
селезенки
6
Рис. 3. Пример вычисления давности образования повреждения селезенки: с
вероятностью 95% можно утверждать, что давность образования повреждения
составляет 2-3 часа.
Условием постановки диагноза обычно считают значение вероятности
более 0,7; при этом, чем выше процент вероятности, тем меньше процент
ошибочного диагноза и, соответственно, более достоверно определение
давности образования повреждения. При результате менее 0,7 диагноз
считается неопределенным, и для его постановки следует применять другие
методы, в частности, целесообразно определять давность исследуемого
повреждения по оценочной таблице (табл. 3). При этом при попадании одного и
того же случая сразу в два соседних временных интервала устанавливают
давность образования повреждения как время, находящееся на границе между
этими двумя интервалами (например, при попадании случая в интервалы 7-8 и
9-11 часов, давность образования повреждения устанавливают как 8-9 часов).
Разработанная нами методика определения сроков давности повреждений
селезенки, причиненных тупыми предметами, по гистологическим препаратам
с учетом общих признаков воспалительно-репаративного процесса с успехом
применяется нами в экспертной практике. Такой подход дает возможность
находить экспертные решения в ряде запутанных ситуаций, в частности, когда
в ходе следствия выявляются несколько травматических факторов.
Нельзя не отметить такой важный момент, как неизбежность в
определенном проценте случаев ошибочной диагностики давности образования
повреждений. К ошибкам могут приводить: существующий биологический
лимит точности установления давности повреждений селезенки (вследствие
влияния различных экзо- и эндогенных факторов); неправильное изъятие
7
материала, направляемого на судебно-гистологическое исследование (причина
устранима); наличие двухэтапного разрыва, когда кровь постоянно разрушает
паренхиму с образованием новых повреждений в виде участков
геморрагической деструкции. Учитывая наличие возможного несовпадения
реальной и полученной в результате исследования давности образования
повреждений, при формулировании выводов необходимо временной интервал
указывать в виде нижней границы. Например: «Давность повреждения
составляет не менее 8-9 часов».
Таблица 3
Сводная таблица балльных оценок давности образования повреждений
селезенки, причиненных тупыми предметами
Признаки
Р1.
Количество неизмененных
гранулоцитов в
составе
гематомы
Р2.
Количество распадающихся
гранулоцитов в
составе
гематомы
Р3.
Количество неизмененных
гранулоцитов по
краям
гематомы
Р4.
Количество распадающихся
гранулоцитов по
краям
гематомы
Р5. Вид и
степень
уплотне-
Давность повреждения
9-11
1-2
3-4
5-6
ч
сут
сут
сут
7-10
сут
1-2
мес
2
мес
0-3
0-3
0
0
2-4
0, 4
0, 3, 4
0, 2,
3
0
4
0, 4
0, 4
0, 4
0
0
1-3
2-4
0, 3,
4
0
0
0
0
2-4
4
4
4
4
0, 4
0
0-1 ч
2-3 ч
4-6
ч
0-2
2,3
2-4
2-4
3, 4
2, 3
2, 3
0
0
0-2
1-3
2-4
3,4
0
1
1-3
1-3
2-4
0
0
0-2
0-2
0-2
0-2
1-3
2-4
7-8 ч
8
ния
фибрина
Р6.
Количество
гемосидерофагов с
гемосидерином в
цитоплазме
Р7.
Количество глыбок
внеклеточ
ного
гемосидерина
Р8.
Степень
пролиферации
гистиоцитов и
фибробластов
Р9.
Характер
образования
соединительнотканной
капсулы
0
0
0
0
0
0
0-2
0-3
2-4
2-4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0-2
2-4
3, 4
0
0
0
0
0
0
0-3
2-4
2-4
2-4
0, 4
0
0
0
0
0
0
0
0, 1
1, 2
2-4
3, 4
ЛИТЕРАТУРА
1. Гублер Е. В. Информатика в патологии, клинической медицине и педиатрии.
//Л.: Медицина, 1990
2. Ластед Л. Введение в проблему принятия решений в медицине. //М.: Мир,
1971.
3. Мисюк Н. С., Гурленя А. М., Лозовик В. В. Диагностические алгоритмы.
//Минск: ВШ, 1970.
4. Сапожникова М. А. Морфология закрытой травмы груди и живота. //М.:
Медицина, 1988, с. 160
5. Серов В. В., Пауков В. С. Воспаление. //М.: Медицина, 1995, с. 640
6. Толстолуцкий В. Ю. Возможности повышения эффективности различных
вариантов математических моделей для определения давности наступления
смерти. //Актуальные аспекты судебной медицины, вып. 4, Ижевск, 1995, с.
27-32
9
THE AUTOMATED METHOD OF DEFINITION OF THE SPLEEN
DAMAGES PRESCRIPTION, CAUSED BY BLUNT SUBJECTS
Fedulova M. V., Samorodov A. V., Rusakova T. I.
This work is devoted to development of the automated program of definition of
prescription of damages of the spleen caused by blunt subjects. In a basis of the
program it is put a new method of the account of the inflammation-reparative process
signs. According to this method to each of nine chosen signs, depending on a degree
of its expressiveness, the certain point (from 0 up to 4) is appropriated.
The automated program allows to facilitate work is judicial-medical expertshistologists and to raise efficiency of a method.
Keywords: damages of a spleen, the histological research, the automated system.
Авторы:
Федулова М. В. – доктор медицинских наук, врач судебно-медицинский
эксперт судебно-гистологического отделения ГГЦ СМ и КЭ МО РФ
Самородов А. В. – кандидат технических наук, доцент кафедры
«Биомедицинские технические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Русакова Т. И. – заведующая судебно-медицинским отделением ГГЦ СМ и
КЭ МО РФ
1
Главный государственный центр судебно-медицинских и криминалистических
экспертиз МО РФ, начальник – проф. В. В. Колкутин
2
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана
Кафедра «Биомедицинские технологии»,
зав. кафедрой – проф. И. В. Спиридонов
Поступила в редакцию 27.03.2007.
10