Εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης στην Τεχνολογία Λογισμικού και στην Ιατρική

Υπάρχουν μέθοδοι ανάπτυξης και συντήρησης λογισμικού που παράγουν προγράμματα τα οποία είναι οι σχεδιαστικές αποφάσεις που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή τους. Τέτοια προγράμματα ή σχέδια προγραμμάτων μπορούν εύκολα να συντηρηθούν και να χρησιμοποιηθούν για την απόδειξη ιδιοτήτων αλλά δεν είναι αποτελεσματικά. Σε αυτό το έργο θα μελετήσουμε και θα εφαρμόσουμε τεχνικές που βελτιώνουν την αποτελεσματικότητα τέτοιων προγραμμάτων. Επιπλέον, θα μελετήσουμε το θέμα του λογισμικού επαλήθευσης και στοχεύουμε στην κατασκευή ενός επαληθευτή λογικών προγραμμάτων ο οποίος θα είναι ημιαυτόματος.

Επίσης, με βάση τις τεχνικές της Τεχνητής Νοημοσύνης, θα μελετήσει παράλληλες και κατανεμημένες δομές δεδομένων και αλγορίθμους για την πιστοποίηση συστημάτων και δικτύων σε τσιπ. Οι βιβλιοθήκες θα αναπτύξουν εργαλεία για την επέκταση των υφιστάμενων πιστοποιήσεων όπως η SCV (SystemC Verification Library) και ο Testbuilder με βάση το πρότυπο μοντελοποίησης SystemC2.0.

Τέλος, σκοπεύουμε να αναπτύξουμε ένα σύστημα υποστήριξης αποφάσεων που θα βοηθά στην ταξινόμηση των επιληπτικών κρίσεων που εμφανίζονται στην παιδική ηλικία, σύμφωνα με τη διεθνή ταξινόμηση των επιληπτικών κρίσεων. Θα αναπτυχθεί μια βάση δεδομένων η οποία θα καταγράφει τα περιστατικά επιληψίας (φάκελος ασθενούς με όλα τα σχετικά δεδομένα). Η υλοποίηση και των δύο υποσυστημάτων και ο έλεγχος αυτών σε πραγματικό περιβάλλον εργασίας θα μας βοηθήσει να εξάγουμε συμπεράσματα σχετικά με τη χρησιμότητα παρόμοιων συστημάτων σε διαγνωστικές διαδικασίες νευρολόγων για τη νόσο της επιληψίας. Το πρόγραμμα Αρχιμήδης ΙΙ είναι ένα πρόγραμμα ενίσχυσης του Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Κρήτης συγχρηματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και Εθνικούς Πόρους - ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ . Το υποέργο αφορά εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης στην Τεχνολογία Λογισμικού και στην Ιατρική. Στόχος του προγράμματος είναι η ανάπτυξη συστημάτων λογισμικού που βασίζονται σε βάσεις γνώσης. Θα μελετηθούν και θα αναπτυχθούν προηγμένες τεχνικές Τεχνητής Νοημοσύνης για την ανάπτυξη των συστημάτων.

 

Στόχοι

Στόχος του έργου είναι η θεσμοθέτηση του εργαστηρίου Τ.Ε.Ι. Κρήτης για την προώθηση της επιστημονικής έρευνας σε σημαντικούς τομείς όπως η Τεχνητή Νοημοσύνη και η Τεχνολογία Λογισμικού και ειδικότερα στους τομείς του Λογικού Προγραμματισμού, της Μεθοδολογίας και Σχεδίασης Συστημάτων και Δικτύων On chip και των Ιατρικών Εφαρμογών σε συνεργασία με παγκοσμίως γνωστά Πανεπιστήμια, Ερευνητικά Κέντρα και Εταιρείες. Όλες οι δραστηριότητες του υποέργου αφορούν τα προαναφερθέντα πεδία. Ευελπιστούμε ότι το υποέργο αυτό θα βοηθήσει στην ερευνητική ανάπτυξη και ιδιαίτερα στην καλύτερη ερευνητική παρουσία, αλλά και στη θεσμοθέτηση και βελτίωση της εργαστηριακής υποδομής του Τ.Ε.Ι. Κρήτης «Τεχνητή Νοημοσύνη και Τεχνολογία Λογισμικού». Θεωρούμε ότι η συνεργασία με κορυφαία Πανεπιστήμια και κυρίως Εταιρείες θα στηρίξει την Εφαρμοσμένη Τεχνολογική Έρευνα του Τ.Ε.Ι. Κρήτης.

 

Ανάπτυξη

Υπάρχουν μεθοδολογίες ανάπτυξης και διατήρησης λογισμικού που κατασκευάζουν προγράμματα, τα οποία αντιπροσωπεύουν αποφάσεις σχεδιασμού που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους. Τέτοια προγράμματα ή σχέδια προγραμμάτων, μπορούν εύκολα να διατηρηθούν και να χρησιμοποιηθούν για την απόδειξη των ιδιοτήτων τους, αλλά δεν είναι αποτελεσματικά. Σε αυτό το υποέργο θα μελετήσουμε και θα αναπτύξουμε τεχνικές που βελτιώνουν την αποτελεσματικότητα αυτών των προγραμμάτων. Η επαλήθευση λογισμικού είναι ένα αρκετά δύσκολο θέμα με πολλά ανοιχτά ζητήματα. Θα μελετήσουμε το θέμα της επαλήθευσης λογισμικού και στοχεύουμε στην κατασκευή ενός ημιαυτόματου επαληθευτή για λογικά προγράμματα.

Επίσης, βασιζόμενοι σε τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης, θα μελετήσουμε παράλληλες και κατανεμημένες δομές δεδομένων και αλγορίθμους, για την επαλήθευση συστημάτων και δικτύων on chip. Οι βιβλιοθήκες που θα αναπτυχθούν θα επεκτείνουν τα υπάρχοντα εργαλεία επαλήθευσης, όπως το SCV (Βιβλιοθήκη επαλήθευσης SystemC) και Testbuilder που βασίζονται στο πρότυπο μοντελοποίησης SystemC2.0.

Επιπλέον, οι μεθοδολογίες που αναπτύσσονται στον τομέα της Τεχνητής Νοημοσύνης, μας δίνουν τη δυνατότητα να οργανώσουμε την ιατρική γνώση και να την αναπαραστήσουμε σε ένα υπολογιστικό σύστημα, να την αξιοποιήσουμε κατά την ερμηνεία κλινικών, δημογραφικών και εργαστηριακών δεδομένων, τα οποία είναι χρήσιμα στη διαδικασία της ιατρικής διάγνωσης και στην εξαγωγή σωστών αποτελεσμάτων. Σκοπεύουμε να αναπτύξουμε ένα σύστημα υποστήριξης αποφάσεων, στόχος του οποίου είναι να προσφέρει βοήθεια στην ταξινόμηση των επιληπτικών κρίσεων που εμφανίζονται στην παιδική ηλικία, σύμφωνα με τη διεθνή ταξινόμηση των επιληπτικών κρίσεων, όπως προτείνεται από τη Διεθνή Ένωση κατά της Επιληψίας. Ταυτόχρονα θα αναπτύξουμε μια βάση δεδομένων στην οποία θα καταγράφονται τα περιστατικά επιληψίας (φάκελος ασθενών με κλινικά, εργαστηριακά και δημογραφικά στοιχεία). Η εφαρμογή των δύο παραπάνω υποσυστημάτων και ο έλεγχος της λειτουργίας τους σε ένα πραγματικό περιβάλλον εργασίας , θα μας βοηθήσει να εξάγουμε συμπεράσματα σχετικά με τη χρηστικότητα των αντίστοιχων συστημάτων στις διαγνωστικές διαδικασίες των νευρολόγων για την πάθηση της επιληψίας.

Αποτελέσματα

1. Η κατασκευή ενός αυτόματου ή [ημι-αυτόματου] εργαλείου που θα μετατρέπει τα πολύ δομημένα προγράμματα σε αντίστοιχα πιο συμπαγή (μικρότερος κώδικας) και πιο αποτελεσματικά προγράμματα. 2) Ανάπτυξη ενός διαλογικού (επαληθευτή) που θα αποδεικνύει την ορθότητα των κατασκευασμένων προγραμμάτων. Επιπλέον, θα μελετηθεί η σχέση που θα μπορούσε να υπάρχει με τη δομή των κατασκευασμένων προγραμμάτων και με τη δομή της απόδειξης της ορθότητάς τους . Η αναποτελεσματικότητα των προγραμμάτων που κατασκευάζονται με τη μέθοδο [Μαρακάκης94, Μαρακάκης97] μπορεί να οφείλεται στην πολύ δομημένη μορφή τους. Η αναποτελεσματικότητα αυτών των προγραμμάτων μπορεί να διορθωθεί με την εφαρμογή κανόνων μετασχηματισμού λογικών προγραμμάτων όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Ο στόχος αυτών των μετασχηματισμών είναι να αφαιρεθεί από τα προγράμματα το επίπεδο σχεδιασμού, να μειωθεί το μέγεθός τους και να γίνουν πιο αποτελεσματικά.
2. Θα μελετήσουμε ένα φιλικό προς το χρήστη περιβάλλον επαλήθευσης, σχεδιάζοντας και υλοποιώντας ένα παράλληλο ή κατανεμημένο εργαλείο στατικής και δυναμικής ανάλυσης, το οποίο θα δίνει δυνατότητες επαλήθευσης των ιδιοτήτων του συστήματος με βάση τις απαιτήσεις του χρήστη. Αυτό το εργαλείο, που βασίζεται στη θεωρία γραφημάτων και σε συνδυαστικές μεθόδους (συνδυαστική), θα μπορούσε επίσης να επιβεβαιώσει συνθήκες πραγματικού χρόνου σε πολύπλοκα, πιθανώς ασύγχρονα μοντέλα συστημάτων, με τη χρήση εφικτών πινάκων (πίνακες προσπελασιμότητας), ή με υπολογισμούς αξιοπιστίας.
3. Κατασκευή ενός συστήματος για την υποστήριξη της διάγνωσης της παιδικής επιληψίας , το οποίο θα βοηθήσει τον γιατρό να κατατάξει ένα περιστατικό επιληπτικής κρίσης σε συγκεκριμένη κατηγορία της διεθνούς ταξινόμησης [ILAE81, ILAE89] και κατά συνέπεια να συμβάλει σημαντικά στη διαγνωστική διαδικασία, που συνήθως ακολουθεί ο γιατρός σε περιπτώσεις επιληψίας. Παράλληλα, η δυνατότητα αναζήτησης παρόμοιων περιστατικών από τη βάση δεδομένων (αρχείο ασθενούς) θα του δώσει την ευκαιρία να εξετάσει ανάλογες καταστάσεις, μελετώντας τις αντίστοιχες διαγνωστικές διαδικασίες και τις θεραπευτικές μεθοδολογίες που εφαρμόστηκαν.

Επίδραση

1. Το λογισμικό που θα κατασκευαστεί καθώς και η μέθοδος κατασκευής λογικών προγραμμάτων [Μαρακάκης94, Μαρακάκης97] θα χρησιμοποιηθούν σε μαθήματα σχετικά με την ανάπτυξη λογισμικού (Προγραμματισμός ΙΙ, Τεχνολογία Λογισμικού). Επιπλέον, θα αναπτυχθούν προηγμένες τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης. Θα χρησιμοποιηθούν εκπαιδευτικά στο μάθημα Τεχνητή Νοημοσύνη. Στόχος μας είναι να έρθουμε σε επαφή με εταιρείες ανάπτυξης λογισμικού που θα αξιοποιήσουν περισσότερο τα αποτελέσματα αυτής της δραστηριότητας.

Για το Λογισμικό Μετασχηματισμού Προγραμμάτων και για το Λογισμικό Επαλήθευσης ενδιαφέρεται η εταιρεία πληροφορικής «DataCreta» που αναπτύσσει και υποστηρίζει εμπορικό λογισμικό, Ηράκλειο Κρήτης. Πρβλ. συνημμένη επιστολή εκδήλωσης ενδιαφέροντος της εταιρείας «DataCreta».

1. Τα περισσότερα σφάλματα που ανακαλύπτονται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης θα μπορούσαν να ανακαλυφθούν νωρίτερα, με μικρότερο κόστος, χρησιμοποιώντας τεχνικές υψηλού επιπέδου ανάλυσης και προσομοίωσης.Το προγραμματιστικό περιβάλλον που θα κατασκευαστεί θα χρησιμοποιηθεί επίσης σε αντίστοιχα μαθήματα επιλογής του ΤΕΙ, προκειμένου να αξιοποιηθούν συνδυαστικές εφευρετικές τεχνικές (συνδυαστική, ευρετική) και να βελτιωθεί η αποδοτικότητα του συστήματος με νέους, αποδοτικότερους αλγορίθμους. Επίσης ελπίζουμε σε συνεργασία με τη βιομηχανία για την κατάλληλη αξιοποίησή του.

Για την επαλήθευση του συστήματος για συστήματα On chip και δίκτυα επικοινωνίας, υπάρχει ενδιαφέρον από το εργαστήριο της ST Microelectronics, «AST Advanced System Technology», Grenoble, Γαλλία. Αυτό προκύπτει από τις δημοσιεύσεις και την παρουσία της εταιρείας ST Microelectronics ως κύριου συνεργάτη σε λογισμικό ανοικτού κώδικα για δίκτυα επικοινωνιών σε τσιπ (http://www.occn.sourceforge.net) το οποίο υποστηρίζεται μέχρι σήμερα από τον κύριο ερευνητή Δρ Μ. Γραμματικάκη.

1. Οι αυξανόμενες ανάγκες παροχής ποιοτικών υπηρεσιών υγείας, αλλά και οι ταχύτατοι ρυθμοί ανανέωσης των ιατρικών γνώσεων, απαιτούν από τον γιατρό να αφιερώνει πολύ χρόνο σε κάθε περίπτωση που εξετάζει. Στην πράξη όμως οι περισσότερες ιατρικές αποφάσεις πρέπει να λαμβάνονται σε περιορισμένο χρόνο και συνήθως βασίζονται στη γνώση που υπάρχει εκείνη τη στιγμή στον εγκέφαλο του γιατρού. Έτσι, στην πλειονότητά τους οι ιατρικές αποφάσεις είναι αποτελέσματα βιαστικών αποφάσεων, επειδή ο γιατρός σπάνια έχει την ευκαιρία, λόγω έλλειψης χρόνου κυρίως, να απευθυνθεί σε κάποιο εγχειρίδιο/βοήθημα, να προχωρήσει σε αναζήτηση σχετικής βιβλιογραφίας ή να κάνει εκτεταμένες έρευνες προκειμένου να μελετήσει αναλυτικά κάποιο γνωστικό αντικείμενο που αφορά την περίπτωση του ασθενούς που εξετάζει.

Η χρήση υπολογιστικών συστημάτων για την υποστήριξη ιατρικών αποφάσεων, είναι δυνατόν να αποδειχθεί πολύ χρήσιμη στην πράξη. Τα συστήματα της πληροφορικής τεχνολογίας μπορούν να προσφέρουν σημαντική βοήθεια σε διάφορες φάσεις της διαγνωστικής διαδικασίας, ιδίως όταν η γνώση είναι δυνατόν να δομηθεί και να χαρακτηριστεί από τον αντικειμενικό της χαρακτήρα. Το προτεινόμενο σύστημα με την εφαρμογή τεχνολογιών Τεχνητής Νοημοσύνης και Βάσεων Δεδομένων θα αναπτυχθεί στα προαναφερθέντα πλαίσια και αναμένεται να αποτελέσει σημαντικό βοήθημα στη διάγνωση της παιδικής επιληψίας ,ιδιαίτερα για τα νεαρά άτομα και για τους εξειδικευμένους παιδονευρολόγους. Παράλληλα θα θέσει τις βάσεις για τη δημιουργία αντίστοιχης ερευνητικής υποδομής στο ΤΕΙ Κρήτης, η οποία στο μέλλον θα βελτιωθεί υπό ανάπτυξη συστήματος με τη χρήση πρόσθετων τεχνολογιών Πληροφορικής και Τηλεπληροφορικής και πιθανότατα θα αναπτύξει αντίστοιχα νέα συστήματα και σε άλλους τομείς της Ιατρικής, όπου υπάρχει ανάγκη τέτοιων εργαλείων και εκτεταμένο πεδίο έρευνας.

Για το σύστημα υποστήριξης της διάγνωσης της παιδικής επιληψίας ενδιαφέρεται το «Βενιζέλειο Νοσοκομείο», Ηράκλειο Κρήτης. Αυτό προκύπτει από τις δημοσιεύσεις του κ. Σ. Βασιλάκη και από την παρουσία του κ. Π. Μπουτουγιαννάκη, παιδονευρολόγου του Βενιζέλειου Νοσοκομείου, ως συνεργάτη της εργασίας.