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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于人工智能的個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)--環(huán)孢素A血藥濃度和用量預(yù)測
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 《基于人工智能的個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)--環(huán)孢素A血藥濃度和用量預(yù)測》是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法的原理研發(fā)的，它主要用于個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)，為臨床醫(yī)生提供用藥決策。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了友好界面，使臨床醫(yī)生能夠進(jìn)行人機(jī)交互活動(dòng)，從而輔助醫(yī)生確定合理的病人給藥方案。
- 詳細(xì)介紹：
- 1 系統(tǒng)開發(fā)的基本思路 ①通過收集整理腎移植患者病例數(shù)據(jù)，建立使用CsA治療腎移植患者的臨床用藥數(shù)據(jù)庫；②結(jié)合群體藥動(dòng)學(xué)知識(shí)，充分分析CsA血藥濃度或用量的影響因素，確定建模因子，然后根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的基本原理，使用Matlab7.0軟件編制程序，擬合血藥濃度或用量及其影響因素之間的關(guān)系，分別建立CsA血藥濃度及其用量的預(yù)測模型，最終用真實(shí)的臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可行性；③在理論研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)擴(kuò)充臨床用藥數(shù)據(jù)庫后，使用Visual Basic 6.0、MATLAB 7.0、MIDEVA 4.5等工具編制程序，建立個(gè)體化給藥系統(tǒng)；④結(jié)合臨床新收集的病例用藥數(shù)據(jù)，反復(fù)調(diào)試，逐步完善該系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的預(yù)測性能，并嘗試推廣至其他藥物的個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)。 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)分為四大模塊： ①血藥濃度預(yù)測模型的建立 利用一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本，在對(duì)影響血藥濃度的因素進(jìn)行合理選擇之后，通過合理的參數(shù)設(shè)置使網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)訓(xùn)練。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到用戶滿意的預(yù)測精度后，模型構(gòu)建完畢。該血藥濃度預(yù)測模型可以用于未知病例的血藥濃度預(yù)測。 ②血藥濃度預(yù)測功能 通過用戶輸入各顯著變量的值（病人最近的身體狀況和用藥量），該系統(tǒng)自動(dòng)輸出下一次TDM前可能達(dá)到的血藥濃度值，該值可以作為醫(yī)生給藥的參考。 ③用量計(jì)算（預(yù)測）模型的建立 利用一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本，在對(duì)影響用藥量的因素進(jìn)行合理選擇之后，通過合理的參數(shù)設(shè)置使網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)訓(xùn)練。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到用戶滿意的預(yù)測精度后，模型構(gòu)建完畢，該用量計(jì)算模型可以用于未知病例的用量計(jì)算。 ④用量計(jì)算（預(yù)測）功能 通過用戶輸入生化指標(biāo)值、目前的血藥濃度值，以及醫(yī)生希望通過給藥達(dá)到的目標(biāo)血藥濃度，該系統(tǒng)自動(dòng)輸出合適的給藥量，從而輔助臨床個(gè)體化給藥。 3 系統(tǒng)特色 ①本系統(tǒng)具有CsA血藥濃度預(yù)測、用藥量計(jì)算功能。目前環(huán)孢素A的劑量預(yù)測準(zhǔn)確度可以達(dá)到90%，血藥濃度的預(yù)測精度可以達(dá)到80%，符合臨床要求?？梢酝茝V應(yīng)用到需要開展TDM的各種藥物的個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)； ②系統(tǒng)具有圖形輸出功能。能夠直觀描述預(yù)測結(jié)果與實(shí)際值的吻合程度； ③采用Microsoft Excel表建立臨床用藥數(shù)據(jù)庫，該Excel表為臨床醫(yī)生所熟悉，因而有利于臨床醫(yī)生對(duì)臨床用藥數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析和處理； ④系統(tǒng)界面友好，操作簡單，功能齊全，醫(yī)生易于掌握。 4 開發(fā)環(huán)境 本軟件的開發(fā)環(huán)境為MATLAB 7.0、MIDEVA 4.5、VB6.0。Matlab 是MathWorks 公司于1982 年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，適合于科學(xué)和工程技術(shù)人員使用的計(jì)算語言，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便、界面友好的用戶環(huán)境。由于VB 的數(shù)值計(jì)算功能并不十分強(qiáng)大，往往一個(gè)簡單的算法就需要很多代碼完成。為了使VB最大限度地發(fā)揮MATLAB 功能，減少軟件開發(fā)的時(shí)間，同時(shí)使軟件脫離MATLAB 這一龐大的運(yùn)行環(huán)境，本系統(tǒng)采用MIDEVA4.5將由Matlab7.0編寫并調(diào)試成功的M文件轉(zhuǎn)換為DLL文件，然后在VB6.0中調(diào)用這一類動(dòng)態(tài)庫。 5 系統(tǒng)配置要求 支持系統(tǒng)：Windows 2x或者XP，Vista。 注意：使用該軟件前系統(tǒng)必須安裝過Visual C++以及MIDEVA 4.5。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：環(huán)孢素A（CsA）是目前臨床常用的強(qiáng)效免疫抑制劑，廣泛用于肝、腎等器官移植，用來減輕和防止術(shù)后排異反應(yīng)，從而提高病人的生存率和移植器官的存活率。然而，CsA治療窗狹窄，藥動(dòng)學(xué)參數(shù)個(gè)體差異大，容易產(chǎn)生肝腎毒性等嚴(yán)重不良反應(yīng)。因此，研究器官移植病人個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)，對(duì)提高移植器官的存活率，減少毒性反應(yīng)和排異反應(yīng)的發(fā)生具有重要的臨床意義。《基于人工智能的個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)》可用于CsA的血藥濃度和用量預(yù)測，從而輔助臨床醫(yī)生合理用藥，減輕病人痛苦，提高臨床藥物治療水平。 基本思路：①收集整理數(shù)據(jù)，建立CsA臨床用藥數(shù)據(jù)庫②結(jié)合群體藥動(dòng)學(xué)知識(shí)確定建模因子，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的基本原理建立CsA血藥濃度及其用量的預(yù)測模型，并用真實(shí)的臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可行性③結(jié)合臨床新收集的用藥數(shù)據(jù)，調(diào)整參數(shù)，完善系統(tǒng)，推廣應(yīng)用。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：①研究手段新穎，融合了生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、臨床藥學(xué)、醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)等多學(xué)科交叉優(yōu)勢，構(gòu)建模型用于CsA的血藥濃度預(yù)測和用量計(jì)算。國內(nèi)尚未見同類報(bào)道；②采用Excel表建立臨床用藥數(shù)據(jù)庫，該表為臨床醫(yī)生所熟悉，因而有利于臨床醫(yī)生對(duì)臨床用藥數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析和處理；③數(shù)據(jù)來源于首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院藥劑科，為國人真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，開發(fā)的系統(tǒng)適合于國人使用。 技術(shù)關(guān)鍵和技術(shù)指標(biāo)： ①建立使用CsA治療腎移植患者的臨床用藥信息數(shù)據(jù)庫 ②確定合理的建模因子，選擇合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及優(yōu)化算法 ③選擇合適的系統(tǒng)開發(fā)工具
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 傳統(tǒng)的CsA給藥方案是臨床醫(yī)生根據(jù)CsA血藥濃度監(jiān)測結(jié)果并結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)而成，由于該方法要求頻繁測量病人CsA的血藥濃度水平，同時(shí)監(jiān)護(hù)肝腎功能，因而可能延誤治療和浪費(fèi)藥物資源，讓病人面臨毒性和排斥的風(fēng)險(xiǎn)。目前大部分國內(nèi)外學(xué)者主要依據(jù)群體藥動(dòng)力學(xué)原理和方法，通過對(duì)腎移植術(shù)后患者CsA的血藥濃度進(jìn)行監(jiān)測，期望實(shí)現(xiàn)腎移植術(shù)后患者個(gè)體化給藥。但是藥物的體內(nèi)過程是極其復(fù)雜的，應(yīng)用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法很難理想地確定藥物動(dòng)力學(xué)變量、藥物輸入與藥效之間的定量關(guān)系，預(yù)測效果不甚理想。 本系統(tǒng)結(jié)合群體藥代動(dòng)力學(xué)原理和方法，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法技術(shù)構(gòu)建CsA血藥濃度和用量預(yù)測模型，從而優(yōu)化CsA個(gè)體化給藥方案。其不但無須假設(shè)藥物行為模型，避免了模型誤差，且無需復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作，因而簡單易用，界面友好，易于為臨床醫(yī)生和藥師接受。該系統(tǒng)已經(jīng)在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院進(jìn)行試用，目前CsA的劑量預(yù)測準(zhǔn)確度大多數(shù)可以達(dá)到90%，CsA的血藥濃度的預(yù)測精度大多數(shù)可以達(dá)到80%，符合臨床要求。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 論文《Prediction of cyclosporine A blood concentration by genetic algorithm and BP neural network》獲得2008年校 “創(chuàng)新一等獎(jiǎng)”；發(fā)表于2008年第二屆生物醫(yī)學(xué)工程與生物信息學(xué)國際會(huì)議論文集，并且被EI compendex收錄。
作品所處階段
- 系統(tǒng)試用階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫未轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、磁盤、現(xiàn)場演示、圖片
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明：將病例數(shù)據(jù)按一定的格式錄入臨床用藥數(shù)據(jù)庫。然后導(dǎo)入數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，便得到血藥濃度預(yù)測或用量計(jì)算的最優(yōu)模型。將預(yù)監(jiān)測病人的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)錄入后，通過使用上述模型，便可得到血藥濃度預(yù)測值或用藥量。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：1、系統(tǒng)具有CsA血藥濃度預(yù)測、用藥量計(jì)算功能。目前環(huán)孢素A的劑量預(yù)測精度大多數(shù)可以達(dá)到90%，血藥濃度的預(yù)測精度大多數(shù)可以達(dá)到80%，符合臨床要求。可以推廣應(yīng)用到需要開展TDM的各種藥物的個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)；2、系統(tǒng)具有圖形輸出功能，能夠直觀描述預(yù)測結(jié)果與實(shí)際值的吻合程度；3、采用Microsoft Excel表建立臨床用藥數(shù)據(jù)庫，該Excel表為臨床醫(yī)生所熟悉，因而有利于臨床用藥數(shù)據(jù)的管理和統(tǒng)計(jì)分析；4、系統(tǒng)界面友好，操作簡單，功能齊全，醫(yī)生易于掌握。 適應(yīng)范圍、推廣前景：此系統(tǒng)可以推廣到需要開展TDM的各種相關(guān)藥物。該系統(tǒng)對(duì)降低嚴(yán)重不良反應(yīng)的發(fā)生率具有重要臨床意義；對(duì)減輕病人痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)具有現(xiàn)實(shí)意義，能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
同類課題研究水平概述
- 目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)注意到此項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，并進(jìn)行了相關(guān)綜述介紹和探索。中國藥科大學(xué)劉曉東教授承擔(dān)了“用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究中藥復(fù)方藥代動(dòng)力學(xué)與藥效動(dòng)力學(xué)”課題(項(xiàng)目編號(hào)39970903)，相秉仁等提出了一種以遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的抗腫瘤藥物不良反應(yīng)診斷系統(tǒng)，得到了較好的預(yù)測結(jié)果。Veng-Pedersen介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于不同藥物動(dòng)力學(xué)及藥效學(xué)模型的推算過程指出了理論上的可行性。Beier使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用較少的藥動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)得到較好的結(jié)果?？梢娚窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)在合理用藥方面有一定的理論基礎(chǔ)。Gustavo 和Maton使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)腎移植病人的CsA劑量進(jìn)行預(yù)測，并與相關(guān)的時(shí)間序列數(shù)學(xué)模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比較，表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常有效的工具。JoseD教授認(rèn)同此觀點(diǎn)。但是筆者經(jīng)文獻(xiàn)查詢發(fā)現(xiàn)把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于CsA個(gè)體化給藥方案設(shè)計(jì)的研究國內(nèi)尚未見同類報(bào)道。Gustavo Camps-Valls等人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型、算法、優(yōu)化手段、收斂速度等還不十分理想，有待改進(jìn)和提高。另外，CsA有效血藥濃度的數(shù)據(jù)大部分參考國外文獻(xiàn)。為更進(jìn)一步確保病人的用藥安全與合理，建立一個(gè)適合于國人的相對(duì)個(gè)體化給藥方案是非常必要的。 本人在前期工作中開展過對(duì)CsA血藥濃度的預(yù)測研究，并取得了一定的研究成果。課題通過結(jié)合群體藥代動(dòng)力學(xué)原理和方法，充分分析CsA血藥濃度或用量的影響因素，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立CsA血藥濃度時(shí)間序列預(yù)測模型。為避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷入局部極小的缺陷，利用了具有良好的全局搜索能力的遺傳算法改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出一種將遺傳算法和BP算法相結(jié)合的學(xué)習(xí)算法(GA-BP)來訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。最終，利用醫(yī)院的臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型取得了良好的預(yù)測效果。
