Основные аспекты информатики. Архитектура персональных компьютеров.
1. Основы медицинской информатики
1.1. Понятия информации. Виды информации.
Слово информация происходит от латинского слова informatio, которое означает объяснения, изложения и на сегодняшнее время трактуется как новые сведения об окружающем мире (состояние окружающих объектов) в виде образов, символов, формул, описания и других абстрактных характеристик.
В общем виде вся медицинская информация делится на 4 виды:
· алфавитно-цифровая;
· визуально-графическая:
|
а) за цветной гаммой: |
б) за динамикой изображения: |
|
· серошкальная; · цветная |
· статическая; · динамическая |
· звуковая;
· комбинированная.
Алфавитно-цифровая информация ¾ это наборы текстов и цифр, которые представляют основной массив медицинской информации: книги, статьи, истории болезни, лекции, письма и т.п.
Визуально-графическая серошкальная информация ¾ это черно-белые рисунки с возможностью выделения градаций черного цвета. К этому виду информации относятся рентгенологические изображения, эхокардиограмма, томограмма и т.п.
Визуально-графическая цветная информация включает любые цветные изображения: внешних участков тела человека; эндоскопические изображения (пустот желудочно-кишечного тракта, дыхательных путей, пустоты живота, плевры и т.п.). Сюда также можно отнести микроскопические изображения (мазки крови. гистологические срезы и др.), изображения, которые генерируются диагностическим оснащением (цветное ехограми, другие электрофизиологические данные и т.п.).
Серошкальная и цветная визуально-графическая информация может быть статической и динамической. Все недвижимые изображения (записи на пленках, фотографии и т.п.) относят к статическому виду информации. Цветное или черно-белое видео ¾ к динамическому.
Звуковая информация включает язык, звуки человеческого организма (тоны и шумы сердца, перистальние шумы), звуковые сигналы, которые генерирует медицинское оснащение (допплеровские сигналы кровообращения, звуковые сигналы миографии и т.п.).
Комбинированная ¾ может включать любые комбинации разных видов информации. Например, это озвученные цветные видеофильмы о ходе оперативных вмешательств, результаты обзора детей и т.п., которые готовятся для передачи через системы телекоммуникаций для консультаций на расстоянии.
1.2. Методики оценки количества информации
Для оценки количества информации существуют три теории:
n структурная;
n статистическая;
n семантическая.
Структурная теория рассматривает оценку количества информации об явлении на основе подсчета числа состояний, в которых это явление может находиться. Широчайшего распространения в этой теории получил способ оценки количества информации, предложенный американским ученым Р. Хартли в 1928 г. В соответствии с Хартли, количество информации (І):
І = log2N,
где N ( количество возможных состояний явления. Добытая единица информации называется битом. Например количество информации, которое несет в себе процесс работы сердца = 1 биту, так как сердце может быть только в двух состояниях ¾ сокращения (систолы) и расслабления (диастолы):
I = log22 = 1
Однако в реальной жизни человека эта теория есть не совсем приемлемой, поскольку редко бывают явления, которые сопровождаются равномерным состояниями. Если мы захотим оценить то количество информации, которое несет в себе изменение частоты сердечных сокращений при разных влияниях на организм, данная теория действительно не подойдет, так как предусмотреть все возможные реакции сердечного ритма не реально.
Тем не менее, в вычислительной технике, в случае когда вся информация кодируется только двумя символами, структурный подход есть идеальным о чем речь пойдет дальше.
Статистическая теория
В медицине большее значение имеет статистический подход к измерению количества информации, что был разработан американцем К. Шенноном в 1948 г. Он состоит в том, что чем меньшая достоверность появления явления, тем больше количество информации есть в сообщении о ней. Если в эту комнату среди лекции зайдет с проверкой декан, достоверность появления которого очень большая, то количество информации от такого сообщения будет низкой. Если же сюда войдет мэр нашего города, достоверность ожидания которого была довольно низкой, то количество информации этого сообщения будет большой.
Данная закономерность вытекает из выражения:
где P(Ai) — достоверность появления события Ai.
Еще один пример: если достоверность появления нарушения сердечного ритма у молодого практически здорового человека при физической нагрузке будет очень низкой, то количество информации в его появлении будет очень большой. Бесспорно, что и данный симптом будет иметь важное значение.
Итак, то чего мы надеемся меньше всего и оно происходит, несет в себе большее количество информации, чем то, что может произойти наверно.
Семантическая теория
Однако наибольшее значение в оценке количества информации для медицины имеет семантический подход. Он разрешает учесть содержание, ценность, полезность информации. При этом определяют не непосредственное количество информации, а меру ее ценности:
где Іц ¾ информационная ценность сообщения; P0 – вероятность достижения цели к получению информации, P1 — вероятность достижения цели после получения информации.
При этом возможные три случая. Первый случай: добытая информация может не изменять вероятности достижения цели
P0 = P1; тогда Іц = 0
Например информация для врача о времени востока и мероприятия солнца будет пустой, если он поставил за цель определить диагноз больного.
Второй случай: добытая информация увеличивает вероятность достижения цели. Например при дозированной физической нагрузке у здорового пациента появились нарушения сердечного ритма. Этот признак будет безоговорочным симптомом скрытой ишемической болезни сердца. В этом случае достоверность постановки правильного диагноза благодаря наличия выявленного симптома будет высшей, чем при его отсутствии:
P1 > P0 , тогда Іц > 0
И в конце концов возможный 3-й случай, когда полученная информация уменьшает вероятность достижения цели. Например, например получения ошибочных анализов ведет к постановке ошибочного диагноза:
P0 > P1, тогда Іц < 0
Полученную в таких условиях информацию называют дезинформацией.
Знания этих теорий во-первых дает понимания происхождения известной единицы информации 1 бит. Во-вторых существующие подходы к определению количества информации разрешают определять ценность симптомов разных заболеваний. В свою очередь это лежит в основе теории принятия решений и построению экспертных систем.
1.3. Информатика как наука
По мере возрастания объемов информации, необходимых человеку в производственной сфере и повседневной жизни, которые невозможно обрабатывать без технических средств, возникает новая научная дисциплина информатика. Она изучает все аспекты собирания, сохранения, обработки и передачи информации с использованием компьютерной техники.
Медицинская информатика — это наука, которая изучает процессы получения, сохранения, обработки и передачи информации средствами компьютерной техники с целью усовершенствования лечебно-диагностической, организационной и научной деятельности врача.
Медицинская информатика связана с кибернетикой. Кибернетика происходит от греческого слова и означает искусство вождя. Впервые его ввел древнегреческий философ Платон. Это наука об управлении. Она предусматривает постановку задачи, сбор информации, ее переработку, принятия решения и оценку результатов управления. Кибернетический принцип четко видно во время диагностики и лечения больных. Чем больше информации будет собрано о состоянии пациента, тем точнее будет поставленный диагноз и лутше будет лечения. В данном случае процесс лечения есть управлением состоянием человеческого организма. Известно, что организм человека считается самой сложной системой Вселенной, поэтому кибернетический подход будет самым успешным в лечебно-профилактической деятельности.
Медицинская кибернетика охватывает процессы управления в медицине и охране здоровья. Она возникает на стыке всех медицинских дисциплин, исследует все виды медицинской информации, связь между ними и на основе этого формирует системный подход в осмыслении строения и функций организма человека, лечебных влияний, управления в системе охраны здоровья.
Итак, медицинская информатика по сути есть основным инструментом медицинской кибернетики.
2. Строение и принцип работы персонального компьютера
Медицинская информатика как наука возникает с одного стороны при возрастании объемов информации, и с другой при наличии вычислительной техники, способной ее перерабатывать. Поэтому овладения персональным компьютером и программным обеспечением ¾ как средствами обработки информации есть первоочередной задачей будущего врача.
Слово “компьютер” в переводе из английской означает “вычислитель” ¾ устройство для вычислений. Действительно, первые компьютеры по сути были усовершенствованными арифмометрами. Тем не менее в отличие от них компьютеры может выполнять не отдельные арифметические действия (добавления, вычитания, умножения, деления), а проводить без участия человека сложные последовательности расчетных операций за предварительно заданной инструкцией ¾ программой. Кроме этого для сохранности исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений, компьютер вмещает память.
2.1. Представления информации в компьютере
Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. На сегодня любые виды информации можно представить в числовой форме, поэтому компьютер стал универсальным средством для обработки всех видов информации, которые использует человек.
Для кодирования информации используется двойственная система исчисления, которая включает всего две цифры “0” и “1”. Это означает, что отдельному символу отвечает определенная последовательность нулей и единиц. При этом любую цифру десятичной системы исчисления можно перевести в двойственный разряд и наоборот.
Применения двойсмтвенной системы исчисления значительно упрощает строение устройств для запоминания, считывания и передачи информации. Последовательность нулей и единиц на магнитном диске компьютера может быть представлена, например, намагниченной и не намагниченным участком. Намагниченный участок диска отвечает “1”, ненамагниченный – “0”.
2.2. Единицы информации в компьютере
Единицей информации в компьютере 1 бит, так как один двойственный разряд, который может иметь значения 1 или 0. Команды программ работают одновременно не с 1 битом, а с 8 сразу. Последние составляют 1 байт. В компьютерах 80-х лет, которые использовали операционную систему MS DOS, одним байтом кодировался 1 символ, внесенный из клавиатуры. В современных компьютерах используются сложные системы кодирования, которые дают возможность обрабатывать сложные виды информации (музыку, многокрасочное видео и т.п.).
1 кБайт = 210 =1024 байты,
мегабайт (Мбайт) = 1024 кБайти,
гигабайт = 1024 Мбайты.
2.3. Устройства компьютера
В 1945 г. знаменитый математик Джон Фон Нейман описал, как должен быть устроенный компьютер, чтобы он стал универсальным и эффективным устройством для обработки информации.
ПК должен иметь следующие устройства:
· арифметически-логическое устройство, которое выполняет арифметические и логические операции;
· устройство управления, которое организовывает процесс выполнения программ;
· устройство памяти, или память для сохранности программ и данных;
· устройства ввода и вывода информации.
Арифметически-логическое устройство и устройство управления составляют центральный процессор ¾ “мозг” компьютера, в котором происходят все вычисления.
Потек информации между устройствами компьютера изображенный на схеме:
|
Обмен информацией между устройствами компьютера и ее обработка осуществляется благодаря программе ¾ детальной инструкции о том, как необходимо обрабатывать информацию. Поэтому сначала в память компьютера необходимо ввести программу. Устройство управления считывает содержимое каморки памяти, в которой размещенная первая инструкция (команда), и организовывает ее выполнения. Эта команда может касаться чтения из памяти данных, выполнения арифметических и логических операций, записи результатов в память, введения данных из устройства ввода в память, или вывод данных из памяти на устройство вывода. После выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из каморки памяти, которая размещенное рядом, или в соседнем участке по указанию программы. Таким образом, устройство управления выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека.
