Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC
Curso de Ciência da Computação
Grupo de Informática Médica e Telemedicina – Projeto Kiron
Grupo de Inteligência Computacional Aplicada
O Raciocínio Fuzzy no Desenvolvimento
de um Sistema para Controle da
Assistência Respiratória em Neonatos
Merisandra Côrtes de Mattos, M.Sc.
Silvia Modesto Nassar, Dra.
Edson Carvalho de Souza, MSc.
Paulo Fernando Strada
Estrutura da Apresentação
 Introdução
 Conjuntos Difusos
 O Sistema Desenvolvido - SARE
 Conclusões
 Trabalhos Futuros
Introdução
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
 A área médica e sistemas especialistas
 Informática na saúde
 Problema de SE  tratamento de dados incertos
 Sistemas que se baseiam no modelo lingüístico
 Objetivos
 Justificativa
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Objetivos
Protótipo de um sistema especialista difuso de
controle dos parâmetros da ventilação mecânica
neonatal, com base na gasometria arterial e na
patologia respiratória
• Adequação do uso de conjuntos difusos
• Protótipo do SARE
• Avaliar qualitativamente o protótipo
Justificativa
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Medida terapêutica
• Os resultados cada vez mais animadores obtidos
com a VM devem ser creditados a:
– melhor conhecimento das alterações fisiopatológicas
– desenvolvimento de equipamentos
– aprimoramento na técnica de manutenção e suporte dos
pacientes quando em VM
• Aplicação de conjuntos difusos
• Controlador
Conjuntos Difusos
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Reprodução de características inteligentes
• Conjuntos difusos: imprecisão e raciocínio aproximado
• Idéia de conjuntos difusos: imprecisão em sistemas
dinâmicos
• Iniciou a ser utilizada no Japão
• Área de pesquisa promissora
• Raciocínio mais de natureza qualitativa
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Conjuntos Difusos
Técnica que fornece um mecanismo para que se
possa manipular informações imprecisas
• Objetivo
– modelar o modo aproximado de raciocínio, tentando
imitar a habilidade humana de tomar decisões racionais
• Incorpora o conhecimento objetivo e subjetivo
• Respeita critérios subjetivos
Conjuntos Difusos
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• É formado por um ou mais conjuntos
• Grau de pertinência: varia de 0 a 1
• Variáveis lingüísticas
– quantificar o significado da linguagem natural
– aproximação com o mundo real
– não possuem valores precisos = espectro de valores
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Conjuntos Difusos
• Etapas de implementação de um sistema difuso
Regras
Entrada
crisp
Saída
crisp
Fuzificação
Defuzificação
Inferência
Fuzzy
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Desenvolvimento de um Sistema Difuso
de Controle da Assistência
Respiratória em Neonatos
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
SARE
• Desenvolvimento de uma aplicação para
assistência respiratória em neonatos
• Auxílio a médico intensivista pediátrico na
manutenção e monitorização de recém-nascidos
• Voltado a alterações respiratórias de neonatos
–
–
–
–
Síndrome do desconforto respiratório do RN
Síndrome de aspiração do mecônio
Apnéia neonatal
Displasia broncopulmonar
Assistência Respiratória
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Movimento de gás para dentro e fora do pulmão
• Medida temporária para apoiar a função pulmonar
• Proporciona
–
–
–
–
ventilação alveolar
remoção de gás carbônico
oxigenação adequada
redução do trabalho respiratório
• Ventilador Mecânico
Ventilador Mecânico
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Funções básicas
–
–
–
–
insuflar o pulmão (fase inspiratória)
possuir mecanismo para terminar a fase inspiratória
permitir o esvaziamento do pulmão
possui mecanismo para iniciar a insuflação pulmonar
SARE
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Etapas de desenvolvimento
– Aquisição do conhecimento
– Modelagem do problema
– Desenvolvimento
– Avaliação
Aquisição do Conhecimento
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Conhecimento sobre:
– gasometria arterial
– alterações de parâmetros do VM
– definição das variáveis
– regras SE-ENTÃO
Aquisição do Conhecimento
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Gasometria arterial:
– pO2
– pCO2
• Parâmetros do VM:
–
–
–
–
–
PIP
PEEP
TI
FR
FiO2
Modelagem Difusa do Problema
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Entradas Crisp
Funções de
pertinência de
entrada
Fuzificação
Entradas Fuzzy
Regras
Avaliação das Regras
Saídas Fuzzy
Funções de
pertinência de
saída
Defuzificação
Saídas Crisp
Fuzificação das Variáveis
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Função S:
S(x; ; ; ) =
0
para x < 
2. ((x - ) / ( - ))2
para   x  
1 - 2. ((x - ) / ( - ))2 para  < x  
1
• Onde:
– : grau de pertinência = 0.0
– : grau de pertinência = 0.5
– : grau de pertinência = 1.0
para x > 
Fuzificação das Variáveis
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• pO2
PO2 - Funções de Pertinência
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
8
15 22 29 36 43 50 57 64 71
BAIXO
NORMAL
78 85 92 99 106
ALTO
Fuzificação das Variáveis
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• pCO2
PCO2 - Funções de Pertinência
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
6
12
18
24
29
35
41
BAIXO
47
52
58
NORMAL
64
70
76
ALTO
82
88
94 100
Inferência Fuzzy
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Etapa de avaliação das regras:
– grau de pertinência de cada antecedente
– grau de pertinência da regra
• No SARE:
– operador and
– cálculo das t-normas = intersecção fuzzy
– Intersecção padrão = mínimo
i (a,b) = min (a,b)
– Produto algébrico
i (a,b) = a . b
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Inferência Fuzzy - Exemplo
• antecedente regra 5:
if pO2 alto and pCO2 normal
– pO2 = 79
– pCO2 = 27
alto = 0.4
normal = 0.43
– Intersecção padrão = mínimo
i (a,b) = 0.405
– Produto algébrico
i (a,b) = 0.18
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Inferência Fuzzy - Exemplo
REGRA 5 (t-norm)
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
1
2
3
4
MÍNIMO
5
6
7
PRODUTO ALGÉBRICO
8
9
10
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Inferência Fuzzy - Exemplo
• antecedente regra 8:
if pO2 normal and pCO2 normal
– pO2 = 42
– pCO2 = 27
normal = 0.08
normal = 0.43
– Intersecção padrão = mínimo
i (a,b) = 0.08
– Produto algébrico
i (a,b) = 0.34
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Inferência Fuzzy - Exemplo
REGRA 8 (t-norm)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
2
3
4
5
6
7
MÍNIMO
8
9
10
11
12
PRODUTO ALGÉBRICO
13
14
15
16
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Defuzificação das Variáveis
• Definição das funções de pertinência de saída
• Função S
• Método do Centro de Gravidade
– conjunto difuso de saída
valor crisp
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Defuzificação das Variáveis
• Definição das funções de pertinência de saída,
por exemplo para o FiO2
FiO2 - Funções de Pertinência
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
8
15
22
29
36
AUMENTAR
43
50
57
64
MANTER
71
78
85
DIMINUIR
92
99
Defuzificação das Variáveis
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• pO2 = 42 baixo = 1.0
• pCO2 = 60 alto = 1.0
• calcula-se as t-normas
– regra3 = 1.0
• calcula-se o valor do ponto x quando regra3 =
1.0 no conjunto aumentar
• Área da figura formada
• Centro de gravidade
Defuzificação das Variáveis
• Valor do ponto x quando regra3 = 1.0
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
 = 80;  = 65;  = 50
S = 1 - 2 ((x - )/( -))2
1 = 1 - 2 ((x - 50)/(-30)) 2
x = 50
Aquad = x . regra
Aquad = 50 . 1
Aquad  50
Atriang= ((80 - x) . regra) / 2
Atriang  15
CGquad = x/2
Cgquad  25
CGtriang = ((80 - x)/3) + x
CGtriang  60
Defuzificação das Variáveis
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
CG = ((Aquad . Cgret) + (Atriang . Cgtriang))/(Aquad+Atriang)
CG = (50 . 25) + (15 . 60) / 50+15
CG  33,08
Média ponderada = ((Ari . CGri) + (Arii . CGrii))/(Ari + Arii)
Média ponderada = CG
Desenvolvimento do SARE
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Implementação das etapas de sistemas difusos
• Ambiente de programação Delphi 5.0
• Usuários
• Armazena informações do paciente
– dados de identificação
– dados antropométricos
– patologia respiratória
– parâmetros iniciais da VM
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Desenvolvimento do SARE
• Apresenta
–
–
–
–
–
dados pessoais
gasometria arterial
parâmetros iniciais
sugestões de alterações dos parâmetros
módulo de explicação
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Avaliação do SARE
• Avaliação qualitativa
• Base de conhecimento adequada
• Proposta de alterações satisfatórias
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Conclusões
• Aliado aos médicos intensivistas pediátricos
• Usado ininterruptamente no apoio ao cuidado da
criança internada
• Maior conhecimento no processo de diagnóstico,
tratamento e controle de processos médicos
Conclusões
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
• Ponto de corte distinguindo classes
• Variáveis lingüísticas no raciocínio clínico
• Aplicabilidade de conjuntos fuzzy
IX Congresso Brasileiro de Informática em Saúde - 2004
Trabalhos Futuros
• Estudo comparativo entre os diferentes tipos de
t-normas
• Aplicar outros métodos de defuzificação
• Controlador difuso
“levar o médico à beira do leito e dar maior atenção
aos detalhes”
OBRIGADA!