Основні поняття медичної інформатики

Основні поняття медичної інформатики

 

Поняття інформації

 

Поняття інформації є одним з фундаментальних у сучасній науці. Це поняття походить від латинського слова «informatio», що означає виклад, роз’яснення якого-небудь факту, події, явища. Інформацію поряд з речовиною й енергією розглядають як найважливішу складову світу, в якому ми живемо.

У звичайному розумінні з терміном «інформація» асоціюються деякі відомості, дані, знання і т.п.

Видні вчені в галузі інформації і теорії управління дають самі різноманітні визначення. Норберт Вінер, засновник кібернетики, визначає інформацію як зміст повідомлення, що одержується системою (організмом, машиною) від зовнішнього світу (він розглядав питання пристосування таких систем до умов зовнішнього світу). Філософ і лінгвіст Бріллюен, розвиваючи наукову концепцію Н.Вінера, визначає інформацію як міру зменшення ентропії (де ентропія є міра невизначеності), інформація є деяким засобом внесення визначеності, упорядкованості, організації. Клод Шеннон, засновник сучасної теорії інформації, трактує інформацію як особливим образом закодовані сигнали (передані по каналах зв’язку). Творець перших «розумних» кібернетичних машин Вільям Росс Ешбі визначає інформацію як засіб обмеження розмаїтності. Французький дослідник в області кібернетики, мистецтвознавства і проблем масових комунікацій Абраам Моль визначає інформацію як міру оригінальності або міру складності (оскільки таке визначення зручне для аналізу творів мистецтва).

У цих визначеннях немає протиріччя. Усі вони відносяться до різних сторін багатогранного поняття інформації.

Існує два підходи до визначення природи інформації – атрибутивний та функціональний. Прихильники першого розглядають інформацію як об’єктивну властивість усіх матеріальних об’єктів (інформація – атрибут матерії). Прихильники другого стверджують, що інформація є умовою та результатом спрямованої активності, тому вона виникає тільки на соціально-свідомому рівні. Не викликає сумніву, що інформація, якою обмінюються члени суспільства, неодмінно пов’язана з віддзеркаленням реальності. Ще Н.Вінер розумів під інформацією позначення змісту, який одержують із зовнішнього світу в процесі пристосування до нього людини. При цьому слід підкреслити різницю в ставленні до пошуку та опрацювання інформації людиною та комп’ютером. Комп’ютер, безперечно, швидше опрацьовує інформацію, ніж людина, але це стосується тільки замкнутої системи. Із зовнішнім світом людина працює набагато ефективніше.

Таким чином,:

·        Інформація приймає участь у процесі передачі знань, сигналу, чи повідомлення;

·        Інформацією можуть бути поточні дані про величини в деяких галузях діяльності, систематизовані відомості щодо основних причинних зв’язків, котрі містяться в знанні як понятті більш загального класу, стосовно якого інформація є підлеглою;

·        Інформація – це знання (дані), передані будь-якою особою іншій чи набуті шляхом власного дослідження, або вивчення;

·        Інформацією є знання про якусь особу, подію, випадок чи щось подібне.

Якщо систематизувати різні підходи до визначення інформації, то можна відзначити три найбільш розповсюджені:

·        Інформація (концепція К.Шеннона) – міра невизначеності (ентропія) події. Кількість інформації в тому чи іншому випадку залежить від імовірності її одержання: чим більш ймовірним є повідомлення, тим менше інформації міститься в ньому.

·        Інформація це властивість (атрибут) матерії. Інформацію містять будь-які повідомлення, що можуть бути сприйняті людиною чи приладами.

·        Інформація це та частина знання, що використовується для орієнтування, для активної дії, для керування і самоврядування. Іншими словами, інформація – це діюча, корисна, «працююча» частина знань.

Інформація є продуктом і засобом функціонування та розвитку матеріальних систем. Вона притаманна:

біологічним системам, де вона виступає у формі біологічної/генетичної інформації, матеріальним носієм якої є ДНК та РНК, а матеріальною одиницею – ген. Змістом генетичної інформації є передача з покоління в покоління інформації про обмін речовин, структури живої клітини тощо;

соціальним системам, де вона виступає у різних формах соціальної інформації, матеріальним носієм якої є наукові знання, а матеріальною одиницею – зміст поняття. Змістом соціальної інформації є передача з покоління в покоління історичного досвіду суспільства, механізмів соціальної комунікації тощо.

технічним системам, форма інформації в яких різна: електромагнітне випромінювання, інформація на магнітних носіях – символьна, графічна, звукова тощо. Матеріальною одиницею вимірювання технічної інформації є біт.

Інформацію можна розрізняти:

·        за галузями знань – наукова, технічна, економічна, біологічна, медична інформація тощо;

·        за видом сприймання – зорова, слухова, смакова інформація тощо;

·        за структурно-метричними властивостями – параметрична, топологічна, абстрактна інформація.

Людині властиво суб’єктивне сприйняття інформації через деякий набір її властивостей. Усі види інформації мають спільні властивості та закономірності. До властивостей інформації можна віднести наступні:

·        інформація має цінність, яка визначається її актуальністю;

·        інформація може бути об’єктивною або суб’єктивною;

·        інформація нематеріальна, але не може існувати без матеріального носія (фізичне середовище, у якому поширюється чи фіксується інформація, називається носієм інформації),

·        інформація неадитивна (від англ. to add – додавати), тобто окремі повідомлення неможливо алгебраїчно додавати, від цього спотворюється зміст інформації;

·        інформація некомутативна, тобто окремі повідомлення неможливо переставляти місцями, від цього спотворюється зміст інформації;

Крім загальних властивостей, кожен з видів інформації має свої характерні особливості. Наприклад, такими особливостями для медико-біологічної інформації є неперервне створення, оновлення та передача від покоління до покоління спадкових ознак (спадкова інформація). Важливим є також те, що зберігання й передавання інформації в живих організмах здійснюється на молекулярному рівні.

З передачею, зберіганням і обробкою інформації пов’язані дії будь-якого автоматичного пристрою, поведінка живої істоти і саме життя. Накопичення великої кількості інформації в певній галузі людської діяльності приводить до серйозних проблем щодо її сприйняття та переробки. Так, розвиток медичної науки, впровадження в практику новітніх методик діагностики і лікування, застосування сучасних електронних засобів веде до значного зростання медико-біологічної інформації. При цьому можливості медичного персоналу щодо своєчасної швидкої та ефективної обробки цієї інформації, інтерпретації здобутих результатів залишаються на досить обмеженому рівні. Часто лікар розгублюється в цьому потоці інформації, він не може швидко одержати дані, необхідні в даний момент, а це негативно впливає на якість надання медичної допомоги.

Протиріччя між скромними можливостями людини і зростаючим потоком інформації можна розв’язати за допомогою комп’ютерів. Їх застосування полегшує процес збирання інформації про хворого й хвороби, дозволяє широко застосовувати медичні комп’ютеризовані системи, аналізувати здобуту інформацію і, нарешті, визначає прогрес у розвитку медицини та галузі охорони здоров’я.

Передача інформації. Схема передачі інформації. Відправник, канал, і одержувач

Всі ситуації комунікації передбачають наявність відправника інформації, одержувача її та каналу передачі. Між деяким відправником S й одержувачем R завжди є канал передачі T, через який проходить повідомлення (рис. 1).

Рисунок. Загальна схема передачі інформації

Повідомлення можуть бути передані по різному (різним способом, різним алфавітом). Щоб інформацію більш економно і точно передати по каналам зв’язку, її треба відповідним чином закодувати. Повідомлення, яке закодували певним чином, приймає вигляд сигналів – носіїв інформації, що проходять по каналу. При переході до приймача, сигнали повинні прийняти знову загальноприйнятий вигляд. З цією метою сигнали проходять повз пристрій декодування, приймаючи форму, зручну для абонента.

·        У житті ми, як правило, оцінюємо одержані відомості із змістовної сторони: нові відомості сприймаємо не як визначену кількість інформації, а як новий зміст.

·        У техніці зв’язку кожному повідомленню, що передається, ставиться у відповідність комбінація сигналів, яка називається кодом, а сама операція переводу повідомлення у послідовність різних сигналів є кодуванням повідомлення. Зворотній процес перетворення комбінації сигналів у повідомлення називається декодуванням.

Звичайна людська мова, азбука Морзе, нотна грамота, малюнки є прикладом систем кодування даних. Своя система існує і в обчислювальній техніці. Вона основана на використанні двійкової системи числення, коли для подання інформації використовуються дві цифри: 0 та 1. Ці цифри називаються двійковими цифрами, або бітами. Таке подання є досить зручним: по-перше, одним бітом можна закодувати одне з двох понять: так (1) або ні (0); по-друге, один біт легко подати у вигляді сигналів різної фізичної природи: намагнічено (1) – не намагнічено (0); є струм (1) – немає струму (0); високий рівень напруги (1) – низький рівень напруги (0).

Найчастіше, люди, які посилають або отримують повідомлення, зацікавлені безпосередньо в повідомленні, а не в носії повідомлення або маршруті, який подолає повідомлення, щоб досягти одержувача. Наприклад, для телефонної розмови лікаря з пацієнтом не має ніякого значення чи передається сигнал, що несе повідомлення, через супутник або кабель. Зробимо ескіз загальної ситуації відправника, одержувача і каналу передачі. Така ситуація доречна для комунікацій між хворим і лікарем, з метою обміну важливими даними, медичними зображеннями або біологічними сигналами. Крім того, маючи справу зі збором даних і їхньою передачею, потрібно зазначити, що всі дані в охороні здоров’я мають джерело або відправника (звичайно хворий) і одержувача (звичайно лікар). Без передачі дані не зможуть досягти одержувача й не можуть бути інтерпретованими.

Середовище, в якому відбувається поширення сигналу, що несе інформацію, називається каналом зв¢язку(передачі).

Відправник передає сигнал s; під час передачі він проходить через канал передачі, в результаті чого відбувається накладення на сигнал s шуму n, таким чином, що на вузлі одержувача маємо суміш m = s + n.

Якщо ми узагальнимо різні ситуації, у яких залучені відправник S, канал T і одержувач R, ми можемо розрізнити п’ять різних конфігурацій S, R і T.

1. S ® R (Одностороння комунікація)

Це ситуація односторонньої передачі, у якій відомі і відправник, і одержувач і у якій одержувач зацікавлений у повідомленні безпосередньо. Канал передачі не приймається до уваги. Прикладом вищезазначеної передачі є вислуховування серця (S – це серце; s – це виразний звук, який генерується скороченням клапанів серця й серцевих шумів;міг би бути диханням пацієнта (чи лікаря) або шумом у кімнаті; R – це стетоскоп та вуха; і T – це повітря між серцем і перетворювачем).

2. S « R (двоспрямована комунікація)

Це конфігурація двоспрямованої комунікації. Тут, знову ж таки, відомі відправник й одержувач, але тільки одержувач зацікавлений у повідомленні, яке передається відправником. Прикладом є розмова між хворим й лікарем, з приводу історії хвороби (S – це хворий, що відповідає на питання лікаря; s – це сама розповідь;– це шум від зайвих чи неправильно зрозумілих слів; R – це лікар, який як слухає, так і задає питання; і T – це канал між голосом й вухами як хворого, так й лікаря.

3. S = R (відправник – це одержувач)

У цій ситуації, відправник й одержувач – це один пристрій. У типових ситуаціях, ми зацікавлені не в повідомленні як такому, а в каналі передачі, що є об’єднаним одержувача та відправника. Наприклад – ультразвук, що генерується масивом п’єзоелектричних кристалів і луни, що отримано від границь тканин (S – це сигнали, що посилається ультразвуком в тканину; s – це надзвукова хвиля декількох мегагерців, що генерується кристалами;спотворення відображення, отримане від інших тканин; R – це такі ж кристали, які генерували надзвукову хвилю, і які зараз отримують луну; і T – це канал між кристалами через тканину й назад до таких же кристалів).

4. S ® ? (немає одержувача)

У цій ситуації одержувач не присутній, або не звертає увагу, або не має ніякого правильного перетворювача. Це трапляється, наприклад, у випадках невиявлення всіх симптомів, що супроводжують хворобу (напр., у випадку генерації серцем екстрасистолів, які не виявлені).

5. ? ® R (немає відправника)

Це типова ситуація в медицині, у якій симптоми виявлені, але причина симптомів все ще невідома. Наприклад, спостереження відхилення значень в хімії крові без можливості стеження за органом, що викликає відхилення.

 

Носії повідомлень

Зростаючі потоки повідомлень, необхідність зберігання їх у великих обсягах сприяли розробці і застосуванню носіїв повідомлень, що забезпечують можливість довготривалого їх зберігання в досить компактній формі. Носій – фізичне середовище, в якому зберігаються повідомлення. Прикладом носія повідомлення є медична картка, рентгенівська плівка, електромагнітна хвиля, тощо.

Носії повідомлень поділяють на довгоіснуючі та недовгоіснуючі. Подання повідомлень на довгоіснуючих носіях називають письмом. Прикладом може бути послідовність друкованих чи рукописних знаків, що сприймаються зором (письмо, що сприймається на дотик сліпими) – записи в медичній картці пацієнта, кардіограма, рентген, тощо. Прикладами повідомлень на недовгоіснуючих носіях є повідомлення, що передаються телефоном, жестами.

Будь-який живий організм як єдине ціле спілкується із зовнішнім світом, використовуючи фізичні або хімічні носії (голос, жест, запах). Важливим прикладом передачі інформації є передача генетичної інформації, що пов’язана з молекулами ДНК. Ці молекули складаються з ланцюга вуглеводних та фосфатних груп однакового складу і кожна вуглеводна група з’єднана з однією азотистою основою: аденін (А), гуанін (Г), цитозін (Ц) і тімін (Т).

Всі молекули ДНК відрізняються послідовним чергуванням відповідних основ (А, Г, Ц, Т), тобто первинне повідомлення знаходиться у хромосомах ядра клітини і записано у чотирьох літерному алфавіті молекул ДНК. Кількість інформації, яка зберігається у хромосомах log 4^1000000 =2 000 000 біт.

Цієї інформації більше, ніж достатньо для і передачі щодо наслідування даних ознак.

Передавання інформації до дочірніх клітин відіграє фундаментальну роль в усіх життєвих процесах, роль «повідомлення» a₁, що передається грає набір хромосом (набір молекул ДНК) вихідної клітини, а «повідомлення» b₁ , на виході – це набори хромосом двох повних клітин. Одержане «повідомлення» b₁ анулює питання про перешкоди, але питання про перешкоди (наприклад, радіоопромінення клітин) можуть бути причиною мутації.

Перейдемо до передавання інформації від хромосом до цитоплазми клітини. Основна роль належить білковим речовинам – ферментам, завдяки яким відбуваються в організмі біохімічні реакції. Синтез білків відбувається в рибосомах. Білкові молекули мають приблизно 20 амінокислот. Таким чином, на «виході» лінії зв’язку є рибосоми і «повідомлення» b₁ на виході – це білок. Це повідомлення записано на 20-ти літерному алфавіті амінокислот. Головну роль у процесі передачі інформації від ДНК хромосом до білкових молекул мають молекули РНК. На молекулах ДНК хромосом, як на «шаблоні» синтезуються молекули РНК (інформаційні РНК, які проникають у рибосоми). Таким чином схема передачі генетичної інформації має вигляд:

Роль «повідомлення» на вході a₁ і «повідомлення» на виході b₁ грають ДНК і білок, а роль «сигналу» на вході a і «сигналу» на виході b – молекули і РНК.

Визначення кількості інформації

Використання термінів «більше інформації» або «менше інформації» має на увазі якусь можливість її виміру (або хоча б кількісного співставлення). При суб’єктивному сприйнятті вимір інформації можливий лише у разі встановлення деякої порядкової шкали для оцінки «більше»-«менше», та й то суб’єктивної

Існують декілька підходів до визначення міри кількості інформації. Розглянемо три основних: структурний (синтаксичний), статистичний і семантичний (змістовий).

За структурним підходом вимірювання інформації проводиться шляхом підрахунку числа інформаційних елементів або комбінацій з цих елементів. Якщо маємо об’єкт, який може знаходитися в одному з N рівноймовірних станів, то за визначенням Шеннона, кількість інформації І в повідомленні про те, що об’єкт знаходиться у будь-якому одному стані, визначається формулою:

I = log₂N.

Наприклад, при реалізації однієї з двох рівноймовірних незалежних подій (результат підкидання монети) ймовірність реалізації однієї з них дорівнює 1/2. Число можливих станів N = 2, тоді I = log₂2 = 1. Отримана таким чином одиниця інформації називається бітом. Тобто біт – кількість інформації, яка міститься у повідомленні про найпростішу двопозиційну ситуацію типу: «сигнал є», «сигналу немає» , «так» або «ні», 1 або 0.

Інтуїтивно зрозуміло, що чим більш рідкою й незвичайною є подія (тобто чим вона менш ймовірна), тим більше вона несе в собі інформації, тому що інакше вона є легко передбачуваною, а значить має малу інформаційну цінність. Виникає запитання, у якому випадку інформації більше – при киданні монети або при киданні кубику? Очевидно, що при киданні кубику, оскільки імовірність випадання певної грані – 1/6, а число можливих станів N = 6, тобто

I = log₂6 = 2,6 біт.

Важливою перевагою застосування логарифмічної міри є властивість адитивності. Ця властивість полягає у тому, що коли повідомлення дістаються від незалежних об’єктів, які мають відповідно N₁ i N₂ можливих станів, то загальна кількість інформації про стан цих об’єктів визначається формулою:

I = log₂N₁ + log₂N₂.

Структурний підхід до визначення кількості інформації є ідеальним для застосування в обчислювальній техніці, яка оперує з інформацією, закодованою тільки двома символами: 0 і 1.

У статистичному підході, запропонованому К.Шенноном (1948 р.), ступінь невизначеності (а значить і кількість інформації) можна характеризувати за допомогою ймовірності. Згідно з ним, кількість інформації, яка міститься у повідомленні про те, що відбулася одна будь-яка подія A_i з кількох можливих, тим більша, чим менша ймовірність появи цієї події [P(A_i)].

Повідомлення про подію, яка має тільки два однаково можливих результати, містить 1біт інформації: якщо ймовірність кожного результату P(A_i) = 0,5 , то . Це повністю відповідає означенню кількості інформації за структурним підходом. Якщо ж заздалегідь відомо, що подія відбудеться, P(A_i) = 1, то кількість інформації про таку подію I = log₂1 = 0. Такий стан речей, звичайно, не означає, що коли в повідомленні немає нової для споживача інформації, то це не є інформація. Інформаційний характер повідомлення зберігається, бо його мета була повідомити інформацію. Або, при футбольному матчі між сильною та слабкою командами ймовірність перемоги сильної команди велика, ймовірність нічийного результату набагато менша; ймовірність поразки – зовсім мала. Звідси й випливає, що кількість інформації – це міра зменшення невизначеності у повідомленні.

На практиці важливою є чисельна оцінка ступеня невизначеності різноманітних результатів дослідів. Нехай відбувається множина незалежних подій: подія A₁ – n₁ раз, подія A₂ – n₂ раз, …, подія A_k – n_k раз. Тоді загальна кількість інформації дорівнює: І_заг = I₁n₁ + I₂n₂ + … + I_kn_k , a оскільки  , то 

Оцінимо середню кількість інформації, яку ми отримуємо, коли відбувається деяка одна подія із усіх: де тоді

 А оскільки  то

Тобто, середня кількість інформації дорівнює зменшенню ентропії в результаті реалізації події.

Повідомлення усуває невизначеність, доставляючи кількість інформації, що дорівнює зменшенню ентропії. Отже, ентропія є мірою відсутньої інформації про стан системи. За знаком вона протилежна кількості інформації. Тому кількість інформації можна вимірювати зменшенням ентропії. Зауважимо, що ентропія неможливої події дорівнює нулю. Проте, ані структурний, ані статистичний підходи не враховують зміст, цінність і корисність інформації. Ці характеристики оцінюються семантичною мірою інформації. Семантична концепція інформації, виникла як спроба виміру змісту повідомлень у формі суджень, що є носіями знань, що можуть бути зрозумілі людиною

Можна оцінювати цінність інформації І_ц шляхом визначення зміни ймовірності досягнення мети при отриманні інформації:  де Р₀ – ймовірність досягнення мети до отримання інформації, а Р₁ – ймовірність досягнення мети після отримання інформації. При цьому можливі три випадки. Здобута інформація може не змінювати ймовірності досягнення мети (Р₀ = Р₁ ). Тоді І_ц = 0, таку інформацію називають порожньою. Наприклад, інформація про прогноз погоди під час постановки діагнозу. Можливий випадок, коли І_ц > 0 (одержання лікарем результатів аналізів, що допомагають з’ясувати стан хворого), таку інформацію називають корисною. А можливий випадок, коли І_ц < 0. Таку інформацію можна назвати дезінформацією (невірно зроблені аналізи, несправна медична апаратура тощо). Семантичний підхід до визначення кількості інформації може бути застосований для оцінювання інформаційної цінності симптомів I_ц при постановці діагнозів різних захворювань. Суть методу полягає в наступному:

                                        (10)

де  – умовна ймовірність симптому S_i при захворювані B_j, яка показує, як часто трапляється цей симптом при даному захворюванні; P(S_i) –імовірність симптому S_i у розглядуваному класі захворювань, що характеризує, як часто трапляється цей симптом серед усіх захворювань даного класу.

Застосування формули (10) передбачає статистичне дослідження великої кількості історії хвороб з перевіреними діагнозами. Наприклад, таким дослідженням встановлено, що симптом порушення серцевого ритму буває приблизно 92 рази серед 100 випадків інфаркту міокарда. Отже, умовна ймовірність цього симптому дорівнює 0,92. У класі схожих захворювань, об’єднаних назвою «гострий живіт» (інфаркт міокарду, перитоніт, крупозне запалення легенів, тромбоемболія), цей симптом трапляється приблизно у 25% випадків. Тоді інформаційна цінність симптому порушення серцевого ритму при інфаркті міокарду серед даного класу захворювань визначиться так :

= 1,7 біт .

З аналізу отриманого результату випливає, що такий симптом є цінним для діагностики інфаркту міокарду.

Представлення інформації в комп’ютері

Для автоматизації роботи з даними різних типів важливо уніфікувати форму їх подання. Для цього використовується прийом кодування. Система кодування, яка використовується в обчислювальній техніці, називається двійковим кодом і заснована на поданні даних послідовністю двох знаків 0 і 1. Ці знаки називаються двійковими цифрами. Всі данні для обробки на комп’ютері повинні бути перетворені в таку цифрову форму.

Одиницею інформації в комп’ютері є біт, тобто двійковий розряд, який може набувати значення 0 або 1 («так» чи «ні», «істина» чи «хиба» тощо). Біт є досить дрібною одиницею виміру даних, тому біти об’єднуються в групи по 8 біт – байти. В обчислювальній техніці найчастіше застосовують такі одиниці вимірювання інформації, як:

1 байт = 23 біт = 8 біт;

1 Кбайт = 210 байт = 1024 байт;

1 Мбайт = 210 Кбайт = 1024 Кбайт;

1 Гбайт = 210 Мбайт = 1024 Мбайт.

Системи числення

Автоматизація будь-якого процесу вимагає уніфікації виду і форми представлення, як вихідного стану системи так і проміжних її характеристик. У теорії інформації розроблені спеціальні прийоми оптимального представлення даних шляхом їхнього кодування, тобто вираження даних одного типу через дані іншого типу. Система кодування, що існує в обчислювальній техніці, називається двійковим кодуванням і заснована на представленні даних послідовністю двох знаків «0» і «1». Ці знаки називаються двійковим кодом. Усі дані (наприклад, біосігнали, символьні, графічні зображення тощо) для обробки на комп’ютері повинні бути перетворені в таку цифрову систему.

Представлення даних за допомогою двох (нуль і одиниця), а не десяти цифр, значно спрощує роботу комп’ютера, полегшує систему обміну даними, що зовні виявляється в істотному збільшенні його швидкодії.

Системою числення називається сукупність правил і знаків для подання числової інформації.

Розрізняють два типи систем числення – позиційна (арабська) та непозиційна (римська). Система числення вважається позиційною тоді, коли значення кожної цифри залежить від її місця в запису числа. Кількість усіх цифр системи числення називається її основою. Цифри, записані в ряд, утворюють число. У конкретному числі кожна цифра займає певну позицію, яку оцінюють «вагою» — показником степеня основи числення.

Може існувати безліч систем числення, проте практичного застосування набули: бінарна, трійкова, вісімкова, десяткова, шістнадцяткова. Всі системи числення можуть бути переведені в будь-яку іншу.

Десяткова система числення

Найбільш поширеною системою числення є десяткова система. Для зображення будь-якого числа в такій системі використовується десять різних цифр, від 0 до 9. Отже, основа такої системи дорівнює 10. У першій справа позиції десяткового числа стоять одиниці. Вважають, що вага цієї позиції дорівнює 10°, у наступній позиції стоять десятки — вага її 10¹ і т. д. Присвоєння десяткової ваги кожній позиції, наприклад, десяткового числа 6394 можна подати наступною таким чином:

Будь-яке десяткове число можна записати в так званій розгорнутій формі. Для цього треба кожну цифру в числі помножити на вагу тієї позиції, в якій вона знаходиться, і всі результати множення підсумувати:

6394₍₁₀₎ = 4 × 10⁰ + 9 × 10¹ + 3 ×10² + 6 ×10³.

Двійкова (бінарна) система числення

У двійковій системі числення для запису будь-якого числа використовуються тільки дві цифри: 0 і 1. Отже, основою такої системи числення є 2. Як і в десятковій системі, кожна цифра двійкового числа займає певну позицію, і кожній позиції відповідає своя вага. Крайня справа позиція в двійковому числі має вагу 2°, наступна – 2¹ і т. д. Покажемо на прикладі присвоєння ваги кожній позиції двійкового числа 10101 (читається «один нуль один нуль один»). Маємо розгорнуту форму:

10101₍₂₎ = 1 × 2⁰ + 0 × 2¹ + 1 × 2² + 0 × 2³ + 1 × 2⁴ = 21₍₁₀₎.

Помноживши і підсумувавши результати в розгорнутій формі двійкового числа за правилами арифметики, дістанемо значення цього числа в десятковій системі числення. У наведеному прикладі двійкове число 10101 має ту саму величину, що й десяткове число 21.

Кількість розрядів при двійковому запису числа визначає величину числа, яке може бути представленим. Наприклад, якщо є 3 розряди, то можна представити 2³=8 чисел.

Існує загальне правило переведення чисел з однієї системи в іншу. Згідно з цим правилом (дивись рисунок 3) перетворюване ціле число треба розділити на основу тієї системи числення, в якій воно повинно бути записане. Зокрема, якщо десяткове число треба записати в двійковій системі числення, то його необхідно розділити на основу цієї системи, тобто на 2.

Рисунок. Переведення чисел з однієї системи в іншу

Остача від ділення на 2 може дорівнювати або 0, або 1. Значення остачі присвоюється молодшому розряду шуканого двійкового числа. Результат ділення на першому кроці необхідно розділити ще раз на 2. Остача, 0 або 1, записується в наступний за старшинством розряд двійкового числа. Аналогічну процедуру необхідно повторювати доти, доки частка від чергового ділення не буде дорівнювати нулю. Тоді остача від останнього ділення буде значенням старшого розряду двійкового числа:

Таким чином, в результаті перетворення десяткового числа 6 у двійкову форму дістанемо число 110.

Кодування нечислової інформації

Будь-яка нечислова інформація також може бути закодована за допомогою двох цифр: 0 і 1. Покажемо, як закодувати, наприклад, текст якого-небудь повідомлення, складеного українською мовою. Український телеграфний алфавіт містить 31 літеру (не розрізняються «і» та «ї») Враховуючи ще пропуск між словами, маємо 32 символи, тобто 2⁵. Отже, кожен символ можна позначити п’ятизначним двійковим числом.

Наприклад:

Тоді словосполучення «медична інформатика» у такому коді має викляд:

01110 00101 00100 01001 11001 01111 00000 11110 01010 01111 10110 10000 10010 01110 00000 10100 01001 01100 00000.

За допомогою цифр 0 і 1 можна також закодувати інформацію, яка міститься в якому-небудь малюнку. Для цього малюнок розбивають на маленькі квадрати. Якщо в квадраті переважає чорний колір, його позначають одиницею, в противному разі – нулем. Потім, проходячи всі квадрати по рядках зліва направо, а рядки – зверху вниз, записують послідовність нулів і одиниць

 

Предмет та об’єкт медичної інформатики

Перед людством постає проблема споживання інформації. Людина не може осягнути навіть маленької частки того потоку інформації, який приходить до неї різними інформаційними каналами. Цю проблему можна вирішити тільки шляхом упорядкування інформації, її сортування та спеціалізації. при розв’язанні різних задач медицини та охорони здоров’я визначальними характеристиками є час та інформація. Швидкість та якість отримання та обробки інформації стали сьогодні умовою існування та прогресу галузі. Цю проблему неможливо вирішити без використання інформаційних комп’ютерних технологій.

Впровадження інформаційних технологій в повсякденну практику охорони здоров’я веде за собою корінні зміни в організації праці багатьох медиків. Кожен етап розвитку системи охорони здоров’я та медицини пов’язаний з появою нових інтегрованих областей знань, які несуть в собі загальнонаукові основи: медична кібернетика, економіка, охорона здоров’я, менеджмент і маркетинг тощо. Інформатизація та бурхливий розвиток інформаційних процесів в системі охорони здоров’я в 70-х роках ХХ століття спочатку за кордоном, а потім і в нашій країні привели до становлення самостійної науки – медичної інформатики.

Медична інформатика (МІ) – це галузь науки, що швидко розвивається. Вона орієнтована на біомедичну інформацію (дані та знання, їх зберігання, передачу та обробку, використання для розв’язання проблем або прийняття рішень). Вона вивчає закономірності і методи одержання, зберігання, опрацювання і використання знань у медичній науці та практиці з метою розширення обріїв і можливостей пізнання, профілактики і лікування хвороб, охорони і поліпшення здоров’я людини. Це наукова дисципліна, що містить систему знань про інформаційні процеси в медицині, системі охорони здоров’я та суміжних дисциплінах, обґрунтовує та визначає способи та засоби раціональної організації та використання інформаційних ресурсів з метою охорони здоров’я населення.

Медична інформатика сьогодні – це цілий комплекс наукових напрямів, що відрізняються один від одного як поглядом, так і тими методами, які в них використовуються. І сьогодні продовжується диспут про те, який метод кращий для медицини – теоретичний чи експериментальний: це здорове протиставлення поглядів емпіричного дослідження і результатів наукових досліджень. Теоретичні припущення були переважно основою раціональної практичної медицини. Якщо колись медицина вважалась мистецтвом, до зараз все більше звертаються до її теоретичного обґрунтування, надається перевага розвитку формальних теоретичних методів, які б впроваджувались в медичну практику. Разом з тим розвиваються і медичні знання, включно до молекулярного та генетичного рівнів.

Експериментальна наука не завжди може відповісти на запитання про природу захворювання та методи його лікування. Медичний експериментальний пошук відбувається в лабораторіях та клініках. Одним з основних методів дослідження в медичній інформатиці є математичне моделювання з використанням комп’ютерів – це універсальна методологія, основний інструмент математизації всіх медичних знань.

Медична інформатика стала необхідною з того часу, коли почався перехід від розрізненого використання комп’ютера до цілісних інформаційних технологій. Як і всі наукові дисципліни, медична інформатика має предмет вивчення – інформаційні процеси (під час яких відбувається збір, обробка, накопичення, зберігання, пошук, розповсюдження та використання інформації), пов’язані з медико-біологічними, клінічними та профілактичними проблемами медицини.

Завданнями медичної інформатики є:

·        дослідження інформаційних процесів в медицині;

·        розробка нових інформаційних технологій медицини;

·        вирішення наукових проблем створення та впровадження обчислювальної техніки в медицину.

Тоді як об’єктом вивчення виступають інформаційні технології в системі охорони здоров’я, провідною частиною якої є охорона здоров’я та елементи системи за такими рівнями управління та організації, як: державний (або регіональний); територіальний (або область, місто, район); рівень медичного закладу (лікувально-профілактичний заклад, науково-дослідний інститут, ВНЗ, служби забезпечення ліками та медтехнікою тощо); індивідуальний / базовий (або рівень контакту «лікар-пацієнт»). На кожному із зазначених рівнів та між ними відбувається обмін інформацією у вигляді інформаційних потоків. Інформаційні потоки в медико-соціальному середовищі впорядковуються для: вдосконалення організаційної структури управління системою охорони здоров’я; оптимізації процесів в медицині з метою підвищення якості лікування та контролю за станом здоров’я; вдосконалення системи документації; автоматизації процесів одержання, збору, збереження, пошуку, передачі та використання інформації.

Від впорядкованості інформаційних потоків залежать чіткість функціонування медицини в цілому як галузі та ефективність управління нею. Впорядкування інформаційних потоків на всіх рівнях підвищує рівень функціонування системи охорони здоров’я й дозволяє економно використовувати кадрові, фінансові та матеріальні ресурси. Застосування положень і принципів медичної інформатики як науки допомагає оптимальним чином опрацювати медичну інформацію, отримувати потрібні практичні результати і приймати правильні рішення, ефективно використовувати інформаційні ресурси. Останні можуть існувати як в пасивній формі (медичні книги, патентні описи, аудіо-, відеозаписи та інші «розпорошені» знання), так і в активній формі (у вигляді електронної інформації, з якою має справу комп’ютер).

Роль медичної інформатики в науково-практичному обґрунтуванні та використанні сучасних технологій полягає в знаходженні нових рішень на стику формального та логічного підходів з емпіричним описовим характером медицини. Основою основ при роботі з інформацією є мислення та логічний аналіз. Саме вони лежать в основі клінічного діагнозу – фіксованого на інформаційному носії висновку лікаря про локалізацію, характер та стадію захворювання, яке обґрунтовує оптимальний вибір лікувальної тактики (керуючої дії) в межах наявних медичних ресурсів.

Лікар-клініцист, в основному, працює з даними. Його задача в системі надання медичної допомоги – отримання та подання для подальшої роботи персоніфікованої інформації про пацієнта. В клінічному діагнозі лікар фіксує інформацію як результат аналізу та оцінки відомостей про біологічні якості та індивідуальне здоров’я пацієнта.

Медична інформація та її види

Медична інформація відображає дані та результати медичних наукових досліджень й медичної практики. З одного боку, вона відображає процеси та явища в системі охорони здоров’я (тобто є засобом, що використовується лікарями під час медичної практики), з іншого боку, вона може бути результатом роботи інформаційно-обчислювальних центрів, спеціалістів оргметодвідділів тощо.

Впровадження обчислювальної техніки загострило задачу класифікації медичної інформації. На початку роботи треба визначити рівень формалізації матеріалу, призначеного для вводу в комп’ютер, а потім встановити ознаки, за якими проводитиметься класифікація. Такими ознаками може бути:

–                  етап утворення інформації (вихідна, проміжна, кінцева);

–                  умови збереження та використання (постійна, змінна, умовно-постійна);

–                  періодичність використання (оперативна, поточна, перспективна);

–                  функціональний зміст (клінічна, експериментальна, економічна, кадрова, фінансова, організаційна тощо).

Класичний приклад формалізованого документу – формалізована історія хвороби, що використовується в багатьох інформаційних системах.

Інформація, дані, знання

Інформація може бути подана у вигляді даних. Якщо інформація – це результат взаємодії, що реально використовується в потоковий момент часу, то дані являють собою вже зареєстровані сигнали (при цьому фізичний метод реєстрації може бути довільним). Це – повідомлення, спостереження які не використовуються, а тільки зберігаються. Якщо з’являється можливість використати їх для зменшення неповноти знань про що-небудь (виникає взаємодія), то вони перетворюються в інформацію. Як тільки ця взаємодія завершується, ми знову маємо справу з даними, але поданими вже в іншій формі. В даному випадку ми маємо справу з інформаційним процесом. Такий процес являє собою цикл утворення інформації і збереження її у вигляді нових даних. Інформація існує досить нетривалий термін часу, а інформаційний процес триває стільки, скільки існують носії інформації.

Під час інформаційного процесу дані перетворюються з одного виду в інший за допомогою різних методів. Опрацювання даних містить в собі багато операцій, серед яких можна виділити наступні:

·        збір даних – накопичення даних з метою забезпечення їх повноти для прийняття рішень;

·        формалізація даних – зведення даних, одержаних з різних джерел, до однакової форми;

·        фільтрація даних – відкидання «зайвих» даних, які не потрібні для прийняття рішення;

·        сортування даних – впорядкування даних за певною ознакою;

·        групування даних – об’єднання даних за певною ознакою з метою їх більш зручного використання;

·        архівація даних – організація збереження даних в зручній та легкодоступній формі, як правило, в більш економному форматі;

·        захист даних – комплекс заходів, направлених на запобігання втрати, модифікації або відтворення даних;

·        транспортування даних – прийом та передача даних між віддаленими учасниками інформаційного процесу;

·        перетворення даних – переведення даних з однієї форми (або структури) до іншої.