Index of /rozprawy2/10832

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Informatyki. Rozprawa doktorska. Rozpoznawanie obrazów medycznych na przykładzie danych z CMUJ w Prokocimiu w oparciu o metody sztucznej inteligencji. Mgr inż. Hubert Wojtowicz. Promotor: Prof. dr hab inż. Wiesław Wajs. Kraków 2014.

(2) Spis tre´sci Streszczenie. 2. 1 Wst˛ep 1.1 Dermatoglify jako narz˛edzie diagnostyczne . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Cel pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Teza pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7 7 8 8. 2 Dermatoglify 2.1 Zespół Downa (trisomia 21) - charakterystyka . . . . . . . . . . . . . 2.2 Problemy kliniczne zespołu Downa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Indeksy diagnostyczne słuz˙ ace ˛ do klasyfikacji przypadków na podstawie dermatoglifów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Opis dermatogramu wykorzystywanego w analizie zespołu Downa .. 9 9 10. 3 System wspomagania decyzji medycznej 3.1 Architektura systemu wspomagania decyzji opartego na wiedzy dziedzinowej do rozpoznawania i klasyfikacji własno´sci dermatoglifów . 3.2 Moduł systemu ekspertowego opartego na dermatogramie . . . . . . . 3.3 Architektura bazy danych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Klasyfikacja wzorców odbitek palców dłoni 4.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji . 4.2.1 Własno´sci Poziomu 1 - wzorce kierunków pływów listewek . 4.2.2 Własno´sci Poziomu 2 - ułoz˙ enie listewek i minucji . . . . . . 4.2.3 Własno´sci Poziomu 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Problemy klasyfikacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Problemy wynikajace ˛ z jako´sci pozyskanych obrazów wzorców 4.3.2 Problemy zwiazane ˛ z metoda˛ podziału wzorców na klasy . . 4.3.3 Przetwarzanie obrazów dermatoglifów, wydobywanie własnosći i klasyfikacja wzorców metodami inteligencji obliczeniowej 4.4 Dotychczasowy stan badań dotyczacy ˛ metod przetwarzania obrazów dermatoglifów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Ogólna metodologia przetwarzania obrazów dermatoglifów . 4.4.2 Metody segmentacji obrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Metody okre´slania lokalnych kierunków pływów listewek . . 4.4.4 Metody poprawiania struktury listewek . . . . . . . . . . . . 4.5 Metoda przetwarzania obrazów zaproponowana w rozprawie . . . . .. 11 15 19 19 20 23 27 27 28 28 35 36 37 37 39 39 42 42 43 46 53 60.

(3) ´ SPIS TRESCI. 4.6 4.7. 4.8. 4.5.1 Segmentacja obrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Poprawienie kontrastu obrazu za pomoca˛ algorytmu CLAHE . 4.5.3 Poprawienie struktury listewek przy u z˙ yciu algorytmu STFT . Dotychczasowy stan badań dotyczacy ˛ metod wydobywania własno´sci i klasyfikacji wzorców . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metoda wydobywania własno´sci ze wzorców zaproponowana w rozprawie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Analiza Głównych Składowych . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Implementacja wieloskalowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klasyfikacja wzorców wyst˛epujacych ˛ na palcach dłoni . . . . . . . . 4.8.1 Dane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.2 Algorytm klasyfikacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.3 Uczenie i testowanie klasyfikatorów . . . . . . . . . . . . . . 4.8.4 Omówienie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2 61 65 66 75 80 81 84 86 89 90 91 92. 5 Klasyfikacja odbitek wzorców w polu palucha na stopach 94 5.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.2 Własno´sci odbitek wzorców w polu palucha na stopach oraz metoda ich klasyfikacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.2.1 Własno´sci Poziomu 1 - wzorce kierunków pływów listewek w polu palucha na stopach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.3 Problemy klasyfikacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3.1 Problemy wynikajace ˛ z jako´sci pozyskanych obrazów wzorców 99 5.3.2 Problemy zwiazane ˛ z metoda˛ podziału wzorców na klasy . . 99 5.4 Wst˛epne przetwarzanie obrazów i wydobywanie własno´sci wzorców w polu duz˙ ego palucha stopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.5 Klasyfikacja wzorców w polu duz˙ ego palucha stopy . . . . . . . . . 102 5.5.1 Dane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.5.2 Uczenie i testowanie klasyfikatorów . . . . . . . . . . . . . . 103 5.5.3 Omówienie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6 Wnioski 106 6.1 Podsumowanie rozprawy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.2 Moz˙ liwo´sc´ dalszych badań . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Bibliografia. 110. A Reguły systemu ekspertowego. 120. B Etapy analizy obrazów dermatoglifów. 132. Spis rysunków. 139.

(4) Streszczenie Niniejsza rozprawa doktorska dotyczy problemu wczesnego wykrywania wad genetycznych u noworodków, budowy systemu wspomagajacego ˛ prac˛e antropologa poprzez automatyczne przetwarzanie obrazów dermatoglifów oraz wykrywanie na tych obrazach cech wskazujacych ˛ na wyst˛epowanie wad genetycznych u noworodków. Rozprawa jest przedstawiona w nast˛epujacych ˛ rozdziałach: W rozdziale pierwszym przedstawiona jest charakterystyka dermatoglifów i ich roli jako narz˛edzi diagnostycznych wykorzystywanych przez specjalistów antropologów. Rozdział drugi zawiera charakterystyk˛e zespołu Downa oraz opis problemów klinicznych wyst˛epujacych ˛ u dzieci z tym zespołem. W rozdziale drugim zawarty jest takz˙ e przeglad ˛ istniejacych ˛ indeksów diagnostycznych słu z˙ acych ˛ do klasyfikacji przypadków na podstawie dermatoglifów, dokonane jest ich porównanie oraz przedstawione jest uzasadnienie wyboru nomogramu dermatoglificznego jako podstawy do konstrukcji systemu ekspertowego. Rozdział drugi zamyka si˛e opisem zasady wyznaczania warto´sci indeksu diagnostycznego w oparciu o dermatogram. Rozdział trzeci zawiera opis architektury systemu wspomagania decyzji opartego na wiedzy dziedzinowej do rozpoznawania i klasyfikacji własno´sci dermatoglifów zaproponowanej przez autora rozprawy. W rozdziale trzecim przedstawiono metod˛e implementacji modułu diagnostycznego w postaci regułowego systemu ekspertowego. Rozdział trzeci zawiera opis bazy danych medycznych zaprojektowanej przez autora słuz˙ acej ˛ do przechowywania zestawów dermatoglifów i innych danych wymaganych do funkcjonowania systemu wspomagania decyzji. Rozdział czwarty po´swi˛econy jest konstrukcji modułu klasyfikujacego ˛ odbitki wzorców palców dłoni. Przedstawiono w nim własno´sci wzorców dermatoglificznych palców dłoni oraz metod˛e ich klasyfikacji. Przedstawiono główne problemy dotyczace ˛ klasyfikacji tych wzorców. W rozdziale tym zawarty jest przeglad ˛ aktualnego stanu.

(5) ´ SPIS TRESCI. 4. badań dotyczacych ˛ metod przetwarzania obrazów dermatoglifów obejmujacy: ˛ metody segmentacji obrazu, metody okre´slania lokalnych kierunków listewek wzorców oraz metody poprawiania struktury listewek. W rozdziale tym opisana jest metoda przetwarzania odbitek wzorców zaproponowana w rozprawie. W nast˛epnej cz˛esći czwartego rozdziału dokonano przegladu ˛ dotychczasowego stanu bada n´ dotyczacych ˛ metod wydobywania włano´sci wzorców dermatoglificznych oraz ich klasyfikacji, a takz˙ e przedstawiono metod˛e wydobywania własno´sci wzorców zaproponowana˛ w rozprawie. W zakończeniu czwartego rozdziału opisany jest algorytm wykorzystany do klasyfikacji wzorców palców dłoni oraz przedstawiono opis ilo´sciowy zbioru danych i wyniki klasyfikacji wzorców zawartych w tym zbiorze. Rozdział piaty ˛ zawiera opis własno´sci wzorców w polu u podstawy duz˙ ego palucha stopy oraz metod˛e ich klasyfikacji. W rozdziale wskazano na główne problemy klasyfikacji tych wzorców. W rozdziale tym przedstawiono procedur˛e wydobywania własno´sci obrazów wykorzystywanych nast˛epnie w procesie klasyfikacji wzorców. W dalszej cz˛esći rozdziału omówiono algorytmy klasyfikacji u z˙ yte do rozwiaza˛ nia problemu rozpoznawania wzorców na obszarze dermatoglificznym stopy b˛edacym ˛ przedmiotem analizy. Przedstawiono opis ilo´sciowy zbioru danych słuz˙ acych ˛ do nauki i testowania algorytmów. Rozdział zako n´ czony jest omówieniem wyników nauki i testowania algorytmów oraz osiagni˛ ˛ etej jako´sci klasyfikacji wzorców. Rozdział szósty zawiera podsumowanie oraz wnioski wynikajace ˛ z przeprowadzonych badań. Rozdział szósty zawiera takz˙ e dyskusj˛e dotyczac ˛ a˛ moz˙ liwo´sci dalszych badań nad konstrukcja˛ systemów decyzyjnych wspomagajacych ˛ diagnozowanie wad genetycznych na podstawie danych pochodzacych ˛ z dermatoglifów, oraz innych prac zwiazanych ˛ z poprawianiem istniejacych ˛ rozwiaza´ ˛ n dotyczacych ˛ poprawiania jako´sci obrazów dermatoglifów..

(6) Spis skrótów i oznaczen´ CLAHE - adaptacyjna metoda normalizacji histogramu obrazu z ograniczem kontrastu dla lokalnych obszarów o jednolitej teksturze (ang. Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization) CV - sprawdzian krzyz˙ owy (ang. cross validation) DT - szablony decyzyjne (ang. decision templates) - metoda scalania wyników decyzji komitetu klasyfikatorów w problemie wieloklasowym ECC - kody korekcji bł˛edu (ang. error-correction codes) - metoda scalania wyników decyzji komitetu klasyfikatorów w problemie wieloklasowym FFT - szybka transformacja Fouriera (ang. Fast Fourier Transform) IFFT - odwrotna szybka transformacja Fouriera (ang. Inverse Fast Fourier Transform) MMSE - minimalny bład ˛ s´redniokwadratowy (Minimum Mean Square Error) MV - głosowanie wi˛ekszo´sciowe (ang. majority voting) - metoda scalania wyników decyzji komitetu klasyfikatorów w problemie wieloklasowym NIST-4 - baza danych Państwowego Instytutu Standardów i Technologii (National Institute of Standards and Technology Special Database 4). Baza NIST-4 zawiera 4000 odbitek palców dłoni wykonanych dla 2000 par odbitek, zgrupowanych według metody klasyfikacji Henry’ego w pi˛e c´ równolicznych klas wzorców. Baza NIST-4 wykorzystywana jest do oceny porównawczej jako´sci klasyfikatorów wzorców na palcach dłoni..

(7) ´ SPIS TRESCI. 6. OVA - odmiana strategii rozkładu problemu wieloklasowego na kilka problemów dwuklasowych dla algorytmu SVM o nazwie jeden przeciw wszystkim (ang. one vs all) OVO - odmiana strategii rozkładu problemu wieloklasowego na kilka problemów dwuklasowych dla algorytmu SVM o nazwie jeden przeciw jednemu (ang. one vs one) PCA - analiza głównych składowych (ang. Principal Component Analysis) RBF - radialna funkcja bazowa (ang. Radial Basis Function) STFT - krótkoczasowa transformacja Fouriera (ang. Short Time Fourier Transform) SVD - rozkład warto´sci szczególnych (ang. Singular Value Decomposition) SVM - maszyny wektorów wspierajacych (ang. Support Vector Machines) WTA - zwyci˛ezca bierze wszystko (ang. winner takes all) - metoda scalania wyników decyzji komitetu klasyfikatorów w problemie wieloklasowym.

(8) 7. Rozdział 1 Wst˛ep 1.1 Dermatoglify jako narz˛edzie diagnostyczne Okre´slone zespoły wad genetycznych charakteryzuja˛ si˛e nietypowymi kombinacjami wzorców dermatoglifów. Fakt ten pomocny jest w diagnostyce zespołu Downa (trisomii 21), co opisał Reed (1974) [69] oraz zespołu Turnera, co przedstawiono w pracy Tornjova-Randelova (1990) [80]. Na długo przed pojawieniem si˛e opisu defektu chromosomalnego wyst˛epujacego ˛ w zespole Downa w pracy Cummings (1939) [13] zostały przedstawione charakterystyczne róz˙ nice w cz˛estotliwo´sciach wyst˛epowania okre´slonych konfiguracji dermatoglificznych pomi˛edzy dziećmi zdrowymi i dziećmi z zespołem Downa. Do rozpoznawania zespołu Downa opracowano indeks diagnostyczny o nazwie dermatogramu opisany w pracy Reed et al (1970) [70]. Istnieje takz˙ e indeks diagnostyczny opisany w pracy Preuss (1976) [66] wykorzystywany w badaniach przesiewowych na obecno´sc´ zespołu Turnera. Indeksy te opieraja˛ si˛e na poprawnym rozpoznaniu wzorców dermatoglificznych przez specjalist˛e antropologa. W celu okre´slenia obecno´sci wady genetycznej analizowane sa˛ obszary dermatoglificzne odbitek palców obu dłoni, pól dłoni oraz odbitki stóp. Odbitki wykorzystywane w tej metodzie przybieraja˛ ostateczny kształt pomi˛edzy trzecim, a czwartym miesiacem ˛ rozwoju płodu ludzkiego. Czynniki zaburzajace ˛ prawidłowy rozwój zarodka moga˛ wpływać równiez˙ na kształt i struktur˛e powstajacych ˛ w tym okresie listewek skórnych. Jak zauwaz˙ ył Reed (1974) [69] obecno´sc´ pojedynczego wzorca typowego dla danej wady genetycznej na którym´s z rozwaz˙ anych obszarów nie s´wiadczy o wyst˛epowaniu zespołu Downa. Wi˛ekszo´sc´ z tych własno´sci moz˙ e wystapi´ ˛ c takz˙ e u zdrowych noworodków. Dopiero obecno´sc´ kilku lub wszystkich własno´sci typowych dla.

(9) 1.2 Cel pracy. 8. danej wady genetycznej razem, wskazuje na jej wystapienie. ˛ Analiza dermatoglificzna pozwala na szybkie okre´slenie prawdopodobieństwa wystapienia ˛ u dziecka zaburzeń chromosomowych przez co wspomaga dokonanie wyboru i rozpocz˛ecie odpowiedniej terapii. Jest to metoda tania i nieinwazyjna.. 1.2 Cel pracy Celem prowadzonych badań jest opracowanie automatycznego systemu komputerowego, który w oparciu o zgromadzone dane oraz wiedz˛e dziedzinowa˛ opisana˛ w literaturze fachowej b˛edzie wspomagał proces diagnozy i wykrywania wad genetycznych u noworodków, na nast˛epujace ˛ sposoby: 1. Na podstawie dermatoglifów system b˛edzie rozpoznawał charakterystyczne kombinacje konkretnych zaburzeń w budowie linii papilarnych na dłoniach, stopach oraz palcach dłoni i na ich podstawie wnioskował o wyst˛epowaniu wady genetycznej. Oczekuje si˛e, z˙ e dzi˛eki zastosowaniu tego systemu mo z˙ na b˛edzie poprawić efektowno´sc´ leczenia,np. zmniejszy si˛e liczba powikłan´ spowodowanych leczeniem w dalszym z˙ yciu noworodka. 2. System b˛edzie wspomagał prac˛e lekarza poprzez analiz˛e duz˙ ych grup pacjentów i zmniejszał moz˙ liwo´sc´ popełnienia pomyłki podczas z˙ mudnych analiz biometrycznych takich jak zliczanie ilo´sci listewek, wyznaczanie szeroko´sci listewek, czy tez˙ wyznaczanie kata ˛ ATD.. 1.3 Teza pracy Istnieje moz˙ liwo´sc´ automatycznego rozpoznawania wad genetycznych wyst˛epujacych ˛ u noworodków z zespołem Downa na podstawie obrazów dermatoglificznych dłoni i stóp, metodami inteligencji obliczeniowej (ang. computational intelligence). Obrazy w postaci cyfrowej sa˛ wst˛epnie przetwarzane przed procesem klasyfikacji w celu zmniejszenia ilo´sci informacji. Informacja o obrazach b˛edzie zapisywana w postaci wektorów wej´sciowych wykorzystywanych przez algorytmy klasyfikujace. ˛.

(10) Rozdział 2 Dermatoglify 2.1 Zespół Downa (trisomia 21) - charakterystyka Zespół Downa jest najcz˛esćiej wyst˛epujac ˛ a˛ wada˛ genetyczna˛ u ludzi i przyczyna˛ opó´znienia w rozwoju [25]. Zespół Downa jest wynikiem przekazania przez jednego z rodziców dodatkowego 24 chromosomu (normalnie przekazywane jest 23 chromosomy). Dodatkowym chromosomem przekazanym w zespole Downa jest chromosom oznaczony numerem 21, dlatego zespół Downa nazywany jest tak z˙ e trisomia˛ 21. Przekazanie nieprawidłowej liczby chromosomów zdarza si˛e w 95% przypadków wysta˛ pienia zespołu Downa i nazywane jest wła´sciwym zespołem Downa. W około 1% 2% przypadków komórki osoby z zespołem Downa zawieraja˛ wła´sciwa˛ liczb˛e 23 par chromosomów. Problem wyst˛epuje na krótko po zapłodnieniu w fazie gwałtownego podziału komórek. Niektóre z komórek dziela˛ si˛e nieprawidłowo tworzac ˛ lini˛e komórek zawierajacych ˛ dodatkowa˛ kopi˛e chromosomu 21. Osoba z ta˛ odmiana˛ zespołu Downa posiada komórki zawierajace ˛ 46 chromosomów (prawidłowa liczba) oraz 47 chromosomów (tak jak w zespole Downa). Ta odmiana wady genetycznej jest nazywana mozaikowym zespołem Downa. Osoby z ta˛ odmiana˛ wady wykazuja˛ łagodniejsze oznaki zespołu Downa. Inna˛ rzadka˛ genetyczna˛ nieprawidłowo´scia˛ prowadzac ˛ a˛ do wystapienia ˛ zespołu Downa jest przesuni˛ecie (ang. translocation). Podczas podziału komórki chromosom 21 rozłamuje si˛e na cz˛e sći. Odłamana cz˛esć´ chromosomu 21 zostaje nast˛epnie przyłaczona ˛ do innego chromosomu. Ka z˙ da z komórek posiada prawidłowa˛ liczb˛e 23 chromosomów ale odłamana dodatkowa cz˛e sć´ chromosomu 21 powoduje wystapienie ˛ objawów zespołu Downa. Translokacja wyst˛epuje w 3% - 4% przypadków zespołu Downa..

(11) 2.2 Problemy kliniczne zespołu Downa. 10. Zestawy dermatoglifów wykorzystane w rozprawie do budowy modułów systemu wspomagania decyzji pochodza˛ od dzieci z pełna˛ odmiana˛ zespołu Downa. Przypadki mozaikowych odmian zespołu Downa posiadaja˛ odmienna˛ charakterystyk˛e cz˛estotliwo´sci wyst˛epowania poszczególnych odmian wzorców na konkretnych obszarach dermatoglificznych. Wykonanie poprawnej diagnozy dla przypadku dermatoglifów osoby z odmiana˛ mozaikowa˛ zespołu Downa za pomoca˛ istniejacych ˛ indeksów diagnostycznych jest obarczone duz˙ a˛ niepewno´scia.˛ Niepewno´sc´ ta wynika z faktu istnienia mniejszych róz˙ nic pomi˛edzy cz˛estotliwo´sciami wyst˛epowania okre´slonych wzorców na analizowanych obszarach dermatoglificznych pomi˛edzy grupami przypadków z mozaikowym zespołem Downa i przypadkami osób zdrowych, w porównaniu do róz˙ nic w cz˛estotliwo´sci wyst˛epowania wzorców na okre´slonych obszarach dermatoglificznych dla grupy przypadków z pełna˛ odmiana˛ zespołu Downa i przypadkami osób zdrowych. Porównanie cz˛estotliwo´sci wyst˛epowania wzorców na palcach dłoni dla tych trzech grup zostało wykonane w pracy Loesch, 1975 [50]. Charakterystyka dermatoglifów dla przypadków zespołu Downa z translokacja˛ jest opisana w pracy Soltan i Clearwater, 1965 [77]. 2.2 Problemy kliniczne zespołu Downa W okresie noworodkowym i niemowl˛ecym nale z˙ y jednoznacznie ustalić fakt rozpoznania zespołu oraz okre´slić rodzaj wad wrodzonych u danego dziecka ze stwierdzonym zespołem Downa [65]. Najbardziej istotnym elementem diagnozy jest rozpoznanie wad wrodzonych, które bezpo´srednio zagraz˙ aja˛ z˙ yciu noworodka i wymagaja˛ wczesnej interwencji chirurgicznej. Do tej grupy nalez˙ a˛ wady przewodu pokarmowego, które wyst˛epuja˛ u około 12% dzieci z zespołem Downa. W grupie tych wad do najcz˛estszych nalez˙ a˛ zaro´sni˛ecie dwunastnicy (2-5%) (ang. duodenal atresia), choroba Hirschsprunga (2%) (ang. Hirschprungñs disease) oraz przetoki tchawiczo-przełykowe (ang. tracheo esophageal fistula), przerostowe zw˛e z˙ enie od´zwiernika (ang. hyperthropic pyloric stenosis), trzustka obraczkowata ˛ (ang. annular pancreas) oraz zaro´sni˛ecie odbytu (ang. anal atresia) i(lub) odbytnicy (ang. rectal atresia). Wszystkie te wady wymagaja˛ szybkiej korekcji chirurgicznej. U 40-50% dzieci z zespołem Downa wyst˛epuja˛ takz˙ e wady wrodzone serca. Do najcz˛esćiej wyst˛epujacych ˛ anomalii nalez˙ a˛ wady poduszeczek wsierdziowych (ang. endocardial cushion defect) (kanał przedsionkowo-komorowy (ang. (atrioventricular canal)), ubytki.

(12) 2.3 Indeksy diagnostyczne słuz˙ ace ˛ do klasyfikacji przypadków na podstawie dermatoglifów. 11. przegrody mi˛edzykomorowej (ang. ventricular septal defect), tetralogia Fallota (ang. tetralogy of Fallot) oraz przetrwały przewód t˛etniczy (ang. patent ductus arteriosus). Wady serca wymagaja˛ wczesnego rozpoznania ze wzgl˛edu na ryzyko wystapienia ˛ zastoinowej niewydolno´sci serca (ang. congestive heart failure) lub nadci´snienia płucnego (ang. pulmonary hypertension). Nierozpoznana wada serca mo z˙ e prowadzić do upo´sledzenia rozwoju fizycznego, dlatego u kaz˙ dego dziecka z zespołem Downa nalez˙ y przeprowadzić pełna,˛ specjalistyczna˛ diagnostyk˛e układu kra˛z˙ enia z uwzgl˛ednieniem: EKG, RTG klatki piersiowej i echokardiografii. Do wad mogacych ˛ wystapi ˛ c´ u dziecka z zespołem Downa nalez˙ y tez˙ zaćma (ang. cataract). Wrodzona zaćma (ang. congenital cataract), która wyst˛epuje u około 3% dzieci z zespołem Downa, moz˙ e w istotny sposób ograniczyć prawidłowa˛ stymulacj˛e siatkówki. Wczesne rozpoznanie i usuni˛ecie zmiany z pó´zniejsza˛ korekta˛ za pomoca˛ szkieł moz˙ e zabezpieczyć przed znacznym upo´sledzeniem lub utrata˛ wzroku. Wst˛epne rozpoznanie kliniczne zespołu Downa dokonywane jest na podstawie stwierdzenia zestawu typowych "małych wad" zlokalizowanych przede wszystkim w obr˛ebie twarzy, dłoni i stóp. W postawieniu wst˛epnej diagnozy moz˙ e pomóc analiza wzorców listewek i bruzd zgi˛eciowych na dłoniach i stopach (dermatoglify) wykonywana przez antropologa [69]. Jest to metoda nieinwazyjna, bardzo czuła i wysoce swoista, ale wymaga od osoby diagnozujacej ˛ duz˙ ego do´swiadczenia. Liczba osób dotkni˛etych zespołem Downa w Polsce jest szacowana na ponad 60000. Stad ˛ wynika znaczenie specjalistycznych badań przesiewowych tanimi metodami nieinwazyjnymi ze znacznym ograniczeniem liczby kosztownych bada n´ genetycznych. Opracowanie i wdroz˙ enie zaproponowanego w rozprawie systemu telemedycznego moz˙ e doprowadzić do rozszerzenia badań na inne schorzenia, na przykład zespołu Edwardsa, zespołu Turnera, a takz˙ e w dalszej perspektywie na inne wzorce tkanek.. 2.3 Indeksy diagnostyczne słu˙zace ˛ do klasyfikacji przypadków na podstawie dermatoglifów Pierwszy indeks diagnostyczny dla zespołu Downa został opisany w pracy Walker, 1957 [83]. Indeks ten oparty jest na cz˛estotliwo´sciach wyst˛epowania wzorców dermatoglificznych w grupach przypadków osób z zespołem Downa i przypadków osób zdrowych przy załoz˙ eniu niezalez˙ no´sci wyst˛epowania konkretnych rodzajów wzorców.

(13) 2.3 Indeksy diagnostyczne słuz˙ ace ˛ do klasyfikacji przypadków na podstawie dermatoglifów. 12. na róz˙ nych obszarach dermatoglificznych. Warto´sc´ tego indeksu jest okre´slana poprzez wyznaczenie wspólnego logarytmu stosunków wyst˛epowania konkretnych własno´sci dla 16 obszarów dermatoglificznych, a nast˛epnie okre´sleniu warto´sci indeksu diagnostycznego dla danego przypadku na podstawie sumowania warto´sci z rozpoznań i pomiarów na wszystkich 16 analizowanych obszarach. W pracy Beckman et al., 1965 [5] empirycznie okre´slane warto´sci punktowe dla obszarów dermatoglificznych dłoni sa˛ podstawa˛ diagnozy. Ilo´sc´ punktów równa 12 lub wi˛ecej oznacza w tym podej´sciu rozpoznanie u pacjenta zespołu Downa. Zbiór danych, na których oparta była konstrukcja tej metody nie został potwierdzony przez badania kariotypowe. Opracowano kilka indeksów diagnostycznych opartych na analizie dyskryminacyjnej, w których uwzgl˛ednione sa˛ wzajemne współzalez˙ no´sci pomi˛edzy obszarami dermatoglificznymi. W pracy Greyerz-Gloor, et al., 1969 [29] zaprojektowano indeks wykorzystujacy ˛ rozpoznania z 24 obszarów dermatoglificznych. Skuteczno´sc´ indeksu opisanego w tej pracy na podstawie wyboru siedmiu warto´sci rozpoznań wynosi 100%, ale jest ona wynikiem mało reprezentatywnej grupy danych u z˙ ytych do konstrukcji tego indeksu, w której warto´sci katów ˛ ATD w grupach przypadków osób z zespołem Downa i przypadków osób zdrowych nie nakładaja˛ si˛e na siebie. W nomogramie dermatoglificznym opisanym w pracy Reed et al., 1970 [70] u z˙ yto logarytmicznych warto´sci okre´slajacych ˛ ryzyko stwierdzenia u danego przypadku zespołu Downa, które zostały zaproponowane w pracy Borgaonkar et al., 1971 [9]. W pracy Borgaonkar et al., 1971 [9] opisany jest indeks, który opiera si˛e na zało z˙ eniu niezalez˙ no´sci wyst˛epowania konkretnych rodzajów wzorców na róz˙ nych obszarach dermatoglificznych. Metoda opisana w tej pracy nosi nazw˛e indeksu Hopkinsa od nazwy instytucji, w której została opracowana. Indeks Hopkinsa jest wyznaczany poprzez sumowanie logarytmicznych warto´sci ryzyka dla 30 obszarów dermatoglificznych. Logarytmiczna warto´sc´ ryzyka wg. Borgaonkar et al., 1971 [9] jest to róz˙ nica pomi˛edzy dwoma logarytmami naturalnymi stosunku prawdopodobie n´ stwa testu statystycznego. Pierwszy z tych logarytmów posiadajacy ˛ dodatnia˛ warto´sc´ testuje hipotez˛e zerowa,˛ z˙ e nieznany przypadek nalez˙ y do grupy osób z zespołem Downa wobec alternatywnej bardziej ogólnej hipotezy, z˙ e nalez˙ y on do własnej odr˛ebnej grupy. Drugi logarytm naturalny posiadajacy ˛ warto´sc´ ujemna˛ testuje hipotez˛e zerowa,˛ z˙ e nieznany przypadek nalez˙ y do grupy kontrolnej wobec alternatywnej bardziej ogólnej hipotezy, z˙ e nalez˙ y on do własnej odr˛ebnej grupy. Duz˙ a warto´sc´ dodatnia indeksu oznacza duz˙ e prawdopodobieństwo, z˙ e diagnozowany zestaw dermatoglifów nalez˙ y do przypadku z zespołem.

(14) 2.3 Indeksy diagnostyczne słuz˙ ace ˛ do klasyfikacji przypadków na podstawie dermatoglifów. 13. Downa. Badania wykonane przez autorów pracy [9] na dost˛epnym dla nich zbiorze danych pozwoliły sklasyfikować poprawnie 96.6% wszystkich przypadków. Poprawiona wersja indeksu diagnostycznego Hopkinsa jest opisana w pracy Bolling et al., 1971 [8]. W poprawionej wersji indeksu rozpoznania z obszarów dermatoglificznych nalez˙ acych ˛ do lewej i prawej anatomicznej strony ciała sa˛ połaczone ˛ w jednym indeksie. Poprawiony indeks Hopkinsa uz˙ ywa mniejszej ilo´sci obszarów dermatoglificznych do przeprowadzenia diagnozy przez co jest prostszy do zastosowania. Rozpoznania pochodzace ˛ z symetrycznie połoz˙ onych po obu anatomicznych stronach ciała obszarów dermatoglificznych sa˛ w tym indeksie zapisywane parami, tworzac ˛ kody rozpozna n´ składajace ˛ si˛e z dwóch warto´sci i okre´slane sa˛ mianem kodów złoz˙ onych. Zastosowanie kodów złoz˙ onych w poprawionej wersji indeksu Hopkinsa zmniejszyło bład ˛ dyskryminacji analizowanych przypadków i pozwoliło osiagn ˛ a˛c´ wysoka˛ skuteczno´sc´ klasyfikacji na poziomie 97.7%. W badaniach opisanych w pracach Deckers et al., 1973 [17], Deckers et al., 1973 [18] oraz Deckers et al., 1973 [19] dokonano oszacowania własno´sci dyskryminacyjnych poszczególnych obszarów dermatoglificznych, porównania poprzednio opracowanych indeksów diagnostycznych na danych zebranych przez autorów oraz opracowano na podstawie analizy własno´sci dyskryminacyjnych wybranych podzbiorów obszarów dermatoglificznych nowy indeks diagnostyczny, który oparty jest na warto´sciach rozpoznań i pomiarów pochodzacych ˛ z o´smiu obszarów dermatoglificznych (cztery pary zmiennych dermatoglificznych z pochodzacych ˛ z lewych i prawych anatomicznych stron ciała), którymi sa: ˛ obszar u podstawy duz˙ ego palucha stopy (ang. hallucal area), obszar kł˛ebu pierwszego palca dłoni (ang. thenar area), obszar drugiego palca dłoni oraz bruzda poprzeczna dłoni (ang. transverse crease). Zaproponowany w tych pracach indeks nosi nazw˛e indeksu Radboud. W pracy Reed i Christian, 1976 [68] dokonano porównania jako´sci diagnozy wykonanej za pomoca˛ dermatogramu z jako´scia˛ diagnoz wykonanych przy uz˙ yciu trzech innych indeksów, którymi były: poprawiony indeks Hopkinsa, indeks Radboud oraz indeks N. Walker. Podstawa˛ porównania indeksów był zbiór danych 185 dermatoglifów potwierdzonych przypadków zespołu Downa. Porównanie jako´sci indeksów zostało dokonane na dwa sposoby. W pierwszym te´scie dla wszystkich czterech indeksów oszacowano górne i dolne warto´sci przedziałów niepewno´sci. Jez˙ eli wyznaczona warto´sc´ danego indeksu znajduje si˛e wewnatrz ˛ wyznaczonego dla tego indeksu przedziału niepewno´sci to diagnoza jest traktowana jako obarczona niepewno´scia.˛ Indeksy.

(15) 2.3 Indeksy diagnostyczne słuz˙ ace ˛ do klasyfikacji przypadków na podstawie dermatoglifów. 14. N. Walker i dermatogram uwzgl˛edniaja˛ w swojej konstrukcji poj˛ecie przedziału niepewno´sci. W celu porównania tych dwóch indeksów z poprawionym indeksem Hopkinsa i indeksem Radboud za pomoca˛ tej samej metody, wyznaczono tak z˙ e dla tych dwóch indeksów ich przedziały niepewno´sci. W drugim te´scie dla wszystkich czterech indeksów wyznaczono konkretne warto´sci punktów dyskryminujacych ˛ pomi˛edzy diagnoza˛ pozytywna˛ i negatywna˛ bez uwzgl˛edniania przedziałów niepewno´sci. W takim podej´sciu cz˛esć´ przypadków zostaje sklasyfikowana niepoprawnie. W pierwszym te´scie indeks Radboud wykorzystujacy ˛ osiem zmiennych dermatoglificznych do wyznaczenia warto´sci diagnozy, osiagn ˛ ał ˛ najlepsza˛ jako´sc´ poprawnej klasyfikacji, która wynosiła 87% oraz najniz˙ szy procent przypadków, dla których wyznaczona warto´sc´ indeksu znajdowała si˛e wewnatrz ˛ przedziału niepewno´sci. Dermatogram wykorzystujacy ˛ cztery zmienne dermatoglificzne do wyznaczenia diagnozy osiagn ˛ ał ˛ jako´sc´ poprawnej klasyfikacji na poziomie 79% natomiast dla pozostałych 21% przypadków wyznaczone warto´sci indeksu znajdowały si˛e wewnatrz ˛ przedziału niepewno´sci. Indeks Hopkinsa wykorzystujacy ˛ trzydzie´sci zmiennych dermatoglificznych, osiagn ˛ ał ˛ jako´sc´ poprawnej klasyfikacji na poziomie 81%, dla 16% danych wyznaczone warto´sci indeksu znajdowały si˛e w przedziale niepewno´sci, a dla 4% przypadków wyznaczone warto´sci indeksu znajdowały si˛e poni z˙ ej przedziału niepewno´sci, co dla analizowanego zestawu danych oznacza bł˛edna˛ klasyfikacj˛e. Indeks N. Walker wykorzystujacy ˛ 16 zmiennych dermatoglificznych osiagn ˛ ał ˛ jako´sc´ poprawnej klasyfikacji na poziomie 71%, a w wyznaczonym dla tego indeksu przedziale niepewno´sci znalazło si˛e 29% przypadków. W drugim te´scie opartym na uz˙ yciu w kaz˙ dym z indeksów konkretnych warto´sci punktów dyskryminujacych ˛ pomi˛edzy klasami osób z zespołem Downa i osób zdrowych z grupy kontrolnej poszczególne indeksy osiagn˛ ˛ eły nast˛epujace ˛ warto´sci poprawnej klasyfikacji: indeks Radboud 95%, dermatogram 92%, indeks Hopkinsa 96%, a indeks N. Walker 97%. Wybór indeksu, który został odwzorowany w postaci modułu diagnostycznego b˛edacego ˛ cz˛esćia˛ architektury automatycznego systemu wspomogania decyzji, został dokonany na podstawie kilku kryteriów. Pierwszym kryterium jest stopie n´ poprawnej klasyfikacji przypadków osiagany ˛ przez poszczególne indeksy diagnostyczne. Ograniczajac ˛ si˛e tylko do tego kryterium jako podstaw˛e systemu diagnostycznego powinien zostać wybrany indeks Radboud osiagaj ˛ acy ˛ najwyz˙ szy stopień poprawnej klasyfikacji. Kolejnym waz˙ nym i oczywistym kryterium jest ilo´sc´ własno´sci dermatoglificznych wykorzystywanych do wyznaczenia warto´sci indeksu. Biorac ˛ pod uwag˛e to.

(16) 2.4 Opis dermatogramu wykorzystywanego w analizie zespołu Downa. 15. kryterium to najlepszym indeksem jest dermatogram, który wykorzystuje tylko cztery cechy dermatoglificzne do wyznaczenia warto´sci diagnostycznej. Waz˙ nym kryterium jest fakt uwzgl˛edniania przez indeks pewnej miary niepewno´sci w kwalifikowaniu przypadków do grupy z zespołem Downa lub do grupy kontrolnej. Przyj˛ecie pojedynczej warto´sci okre´slajacej ˛ granic˛e dyskryminacji pomi˛edzy klasami oznacza, z˙ e mała cz˛esć´ przypadków zostanie zawsze bł˛ednie zaklasyfikowana. Uwzgl˛ednienie istnienia przedziału niepewno´sci dla wyznaczonych warto´sci indeksu umoz˙ liwia poradzenie sobie z problemem bł˛ednego klasyfikowania przypadków za pomoca˛ wygenerowania przez system sugestii dotyczacej ˛ konieczno´sci wykonania dla danego przypadku dodatkowych badań kariotypowych. Biorac ˛ pod uwag˛e powyz˙ sze kryterium indeksy N. Walker i dermatogram stanowia˛ lepsze rozwiazanie ˛ od poprawionego indeksu Hopkinsa i indeksu Radboud. Ostatnim rozwa z˙ anym kryterium jest stopie n´ złoz˙ ono´sci algorytmów koniecznych do rozpoznania wzorców lub pomiaru własno´sci obrazów na danym obszarze dermatoglificznym. W przypadku indeksu Radboud identyfikacja małpiej bruzdy typowej dla zespołu Downa jest bardzo trudnym zadaniem, ze wzgl˛edu na wyst˛epowanie kilku podtypów tej bruzdy oraz mo z˙ liwo´sci okre´slenia róz˙ nych warto´sci diagnostycznych dla tej samej bruzdy podczas bezpo´sredniej analizy dłoni i analizy odbitki dermatoglificznej, w zalez˙ no´sci od ułoz˙ enia dłoni w trakcie procesu pobierania odbitki. Kolejnym zło z˙ onym zadaniem koniecznym do wyznaczenia warto´sci indeksu Radboud jest okre´slenie rodzaju wzorca na obszarze kł˛ebu pierwszego palca dłoni, który dla przypadków z zespołem Downa cz˛esto cechuje si˛e zła˛ jako´scia˛ wynikajac ˛ a˛ z wyst˛epowania na tym obszarze duz˙ ej liczby drobnych bruzd znacznie zaburzajacych ˛ struktur˛e wzorca. Biorac ˛ pod uwag˛e wszystkie powyz˙ sze kryteria autor rozprawy zdecydował si˛e na wybranie indeksu dermatogramu nomograficznego jako podstawy modułu diagnostycznego dla automatycznego systemu wspomagania decyzji.. 2.4 Opis dermatogramu wykorzystywanego w analizie zespołu Downa Metoda wyznaczania prawdopodobieństwa wyst˛epowania zespołu Downa w oparciu o dermatoglify została opracowana w pracy Reed et al., 1970 [70] przy uz˙ yciu analizy dyskryminacyjnej. Badania statystyczne zostały oparte na zbiorze danych zawierajacym ˛ 250 zestawów dermatoglifów osób z pełna˛ odmiana˛ trisomii 21 oraz 332.

(17) 2.4 Opis dermatogramu wykorzystywanego w analizie zespołu Downa. 16. osób zdrowych nalez˙ acych ˛ do grupy kontrolnej. Analiza dyskryminacyjna tego zbioru danych pozwoliła na uwzgl˛ednienie wzajemnych współzale z˙ no´sci dla wyst˛epowania odpowiednich rodzajów wzorców pomi˛edzy róz˙ nymi obszarami dermatoglificznymi. W metodzie tej w pierwszym kroku wyznaczono cz˛estotliwo´sci wyst˛epowania kaz˙ dego z rodzajów wzorców na wszystkich obszarach dermatoglificznych dla grupy osób ze stwierdzonym zespołem Downa oraz dla grupy osób zdrowych. Na podstawie wyznaczonych cz˛estotliwo´sci wyst˛epowania wzorców obliczono logarytmiczne warto´sci ryzyka stwierdzenia u danego przypadku zespołu Downa, które traktowane sa˛ jako warto´sci prawdopodobieństw [9]. Na podstawie tych warto´sci przypisano konkretne warto´sci wag dla kaz˙ dego rodzaju wzorca na skali, której warto´sci dodatnie sa˛ przypisane do wzorców charakterystycznych dla zespołu Downa, a warto´sci ujemne dla wzorców typowych dla zdrowych dzieci z grupy kontrolnej. Nast˛epnie przeprowadzono analiz˛e dyskryminacyjna˛ metoda˛ krok po kroku, która˛ wykonano dla 32 obszarów dermatoglificznych zawierajacych ˛ wzorce, dla których w pierwszym kroku wyznaczono warto´sci wag. Analiza wykonana w drugim kroku pozwoliła na wyznaczenie funkcji czterech zmiennych, za pomoca˛ której wyznacza si˛e warto´sc´ indeksu diagnostycznego oraz na opracowanie graficznej metody wyznaczania warto´sci tego indeksu zwanej dermatogramem. W dermatogramie ustalenie diagnozy dokonuje si˛e za pomoca˛ graficznego wyznaczenia warto´sci indeksu, która okre´slana jest na podstawie analizy czterech obszarów dermatoglificznych, zawierajacych ˛ cztery cechy dermatoglificzne wybrane do analizy ze wzgl˛edu na ich wysoka˛ warto´sc´ dyskryminacyjna. ˛ Cechy te to: typy wzorców na palcach wskazujacych ˛ prawej i lewej dłoni, typ wzorca w polu duz˙ ego palucha na prawej stopie oraz warto´sc´ kata ˛ ATD prawej dłoni. Wyodr˛ebnienie z grupy wszystkich moz˙ liwych cech wskazujacych ˛ na wyst˛epowania zespołu Downa czterech najbardziej znaczacych ˛ cech za pomoca˛ badań statystycznych na duz˙ ej grupie danych umoz˙ liwa wiarygodne diagnozowanie prawdopodobien´ stwa wyst˛epowania zespołu Downa u noworodków. Szablon dermatogramu (Rys. 2.1) składa si˛e z nast˛epujacych ˛ elementów: • Linia indeksu diagnostycznego (ang. Diagnostic Index Line), • Linia A, • Linia B, • Linia z podziałka˛ dla warto´sci kata ˛ ATD prawej dłoni (ang. Right ATD Angle),.

(18) 2.4 Opis dermatogramu wykorzystywanego w analizie zespołu Downa. 17. Rys. 2.1. Szablon nomogramu opracowanego na podstawie wyników bada n´ statystycznych przeprowadzonych na Uniwersytecie Indiana. • Typy wzorców w polu u podstawy du z˙ ego palucha prawej stopy (ang. Right Hallucal Area), • Typy wzorców na palcu wskazujacym ˛ prawej dłoni (ang. Right Index Finger), • Typy wzorców na palcu wskazujacym ˛ lewej dłoni (ang. Left Index Finger). Rysunek 2.2 przedstawia przykładowy wypełniony dermatogram. W celu wyznaczenia warto´sci indeksu diagnostycznego wykre´slane sa˛ trzy linie: 1. Linia 1 jest rysowana poprzez połaczenie ˛ odpowiednich punktów na osi ATD do punktu oznaczonego odpowiednim symbolem wzorca w polu palucha prawej stopy. 2. Linia 2 łaczy ˛ odpowiednie punkty dla typów wzorców lewego i prawego polca wskazujacego ˛ prawej dłoni..

(19) 2.4 Opis dermatogramu wykorzystywanego w analizie zespołu Downa. 18. Rys. 2.2. Przykładowy dermatogram. Skróty: TbA - łuk tibialny; SDL - mała p˛etla dystalna; LDL - duz˙ a p˛etla dystalna; FL - p˛etla fibularna; W - wir; UL - p˛etla ulnarna; A - łuk prosty; TA - łuk namiotowy; RL - p˛etla radialna. 3. Linia 3 łaczy ˛ punkty przeci˛ecia si˛e linii 1 i linii 2 odpowiednio z linia˛ A i z linia˛ B. Punkt w którym linia 3 przecina lini˛e indeksu diagnostycznego okre´sla czy badane dziecko ma konfiguracj˛e dermatoglificzna˛ wskazujac ˛ a˛ na wyst˛epowanie zespołu Downa, konfiguracj˛e zdrowego dziecka, czy tez˙ pasuje do obszaru pomi˛edzy tymi dwiema grupami. W przypadku pacjenta, którego wynik jest przedstawiony na rysunku linia 3 przecina lini˛e indeksu diagnostycznego w obszarze, który wskazuje na wyst˛epowanie zespołu Downa..

(20) Rozdział 3 System wspomagania decyzji medycznej 3.1 Architektura systemu wspomagania decyzji opartego na wiedzy dziedzinowej do rozpoznawania i klasyfikacji własno´sci dermatoglifów Projekt systemu wspomagania decyzji ma charakter interdyscyplinarny, gdy z˙ łaczy ˛ osiagni˛ ˛ ecia współczesnej wiedzy z dziedzin inteligencji obliczeniowej, cyfrowego przetwarzania obrazów, rozpoznawania wzorców oraz projektowania systemów ekspertowych z wiedza˛ medyczna˛ [89]. Proponowane przez autora rozwiazanie ˛ zakłada modułowa˛ budow˛e systemu diagnostycznego [91]. Bazujac ˛ na konstrukcji dermatogramu system składa si˛e z czterech zasadniczych modułów. Wyróz˙ nić moz˙ na trzy moduły realizujace ˛ zadania rozpoznawania wzorców z obrazów medycznych oraz moduł nadrz˛edny b˛edacy ˛ systemem ekspertowym. Moduł systemu ekspertowego, na podstawie wyników rozpoznan´ pochodzacych ˛ z modułów rozpoznawania wzorców na poszczególnych obszarach dermatoglificznych, dokonuje automatycznej diagnozy decydujacej ˛ o zakwalifikowaniu badanego dziecka do grupy dzieci zdrowych, bad´ ˛ z do grupy dzieci z zespołem Downa..

(21) 3.2 Moduł systemu ekspertowego opartego na dermatogramie. 20. 3.2 Moduł systemu ekspertowego opartego na dermatogramie Na podstawie dermatogramu zaimplementowano moduł diagnostyczny w postaci systemu ekspertowego wnioskujacy ˛ o wyst˛epowaniu zespołu Downa. Przesłankami w regułach systemu ekspertowego sa˛ rozpoznane rodzaje wzorców na obszarach dermatoglificznych zawierajacych ˛ te cechy, którymi sa: ˛ wzorce palców wskazujacych ˛ obu dłoni, wzorce obszaru u podstawy duz˙ ego palucha prawej stopy oraz oraz odpowiednie przedziały warto´sci katów ˛ ATD prawej dłoni. Warto´sci przesłanek odpowiadaja˛ okres´lonym warto´sciom wag na liniach diagnostycznych A i B oraz lini diagnostycznej kata ˛ ATD dermatogramu. Wnioskami w regułach systemu ekspertowego sa˛ warto´sci diagnostyczne wyznaczone dla kryteriów diagnostycznych dermatogramu wynikaja˛ cych z rodzajów wzorców dermatoglificznych i warto´sci kata ˛ ATD.. Rys. 3.1. Zakresy moz˙ liwych rozwiaza´ ˛ n dermatogramu wyznaczone dla przypadku wyst˛epowania kombinacji wzorców UL UL TbA oraz odpowiednich zakresów wartosći kata ˛ ATD..

(22) 3.2 Moduł systemu ekspertowego opartego na dermatogramie. 21. Tabela 3.1. Cz˛esćiowy zestaw reguł systemu ekspertowego obejmujacy ˛ przypadek wystapienia ˛ kombinacji rozpoznan´ wzorców UL UL TbA oraz odpowiadajacych ˛ tej kombinacji rozpoznań moz˙ liwych przedziałów warto´sci katów ˛ ATD Right Index Left Index Right Hallucal Right ATD Diagnostic Combination Finger Finger Area Angle Line Index 1 UL UL LDL 15;28 Normal UL UL LDL (28;78 OVLP UL UL LDL (78;120 Down 2 UL UL Other 15;37 Normal UL UL Other (37;88 OVLP UL UL Other (88;120 Down 3 UL UL SDL Normal UL UL SDL 15;58 OVLP UL UL SDL (58;120 Down 4 UL UL TbA Normal UL UL TbA 15;31 OVLP UL UL TbA (31;120 Down 5 UL UL W or FL 15;34 Normal UL UL W or FL (34;85 OVLP UL UL W or FL (85;120 Down Kombinacja warto´sci tych kryteriów diagnostycznych okre´sla warto´sc´ indeksu diagnostycznego dermatogramu oraz fakt wyst˛epowania zespołu Downa u noworodka. Na podstawie ilo´sci rodzajów wzorców wyst˛epujacych ˛ na trzech obszarach dermatoglificznych branych pod uwag˛e przy wyznaczaniu trzech zmiennych dermatogramu moz˙ na okre´slić liczb˛e moz˙ liwych kombinacji tych wzorców. Zbiór mo z˙ liwych kombinacji wzorców dla pierwszych trzech zmiennych składa si˛e ze 125 kombinacji. Ka z˙ da z tych kombinacji zawiera trzy reguły, które powstaja˛ poprzez okre´slenie trzech przedziałów moz˙ liwych warto´sci kata ˛ ATD, który jest czwarta˛ własno´scia˛ brana˛ pod uwag˛e przy konstrukcji dermatogramu. Odpowiednie przedziały warto´sci katów ˛ ATD w połaczeniu ˛ z rozpoznaniami konkretnych wzorców na pozostałych obszarach dermatoglificznych okre´slaja,˛ przez który z trzech moz˙ liwych przedziałów na Linii Indeksu Diagnostycznego b˛edzie przebiegać Linia 3. Rysunek 3.1 przedstawia moz˙ liwe rozwiazania ˛ dermatogramu wyznaczone dla przypadku wyst˛epowania kombinacji wzorców o oznaczeniach symbolicznych UL UL TbA (tzn. rozpoznanie wzorców typu p˛etla ulnarna na palcach wskazujacych ˛ prawej i lewej dłoni oraz rozpoznanie wzorca typu łuk tibialny na obszarze u podstawy.

(23) 3.2 Moduł systemu ekspertowego opartego na dermatogramie. 22. duz˙ ego palucha prawej stopy) oraz dla wszystkich moz˙ liwych warto´sci kata ˛ ATD. Tabela 3.1 zawiera cz˛esćiowy zestaw reguł systemu ekspertowego obejumuja˛ cy przypadek wystapienia ˛ kombinacji rozpoznan´ wzorców UL UL TbA, odpowiadajacych ˛ tej kombinacji rozpoznań moz˙ liwych przedziałów warto´sci katów ˛ ATD oraz wniosków diagnozy dla odpowiednich kombinacji przesłanek. Oznaczenia rodzajów wzorców i linii diagnostycznych w Tabeli 3.1 dla zachowania zgodno´sci opisów sa˛ takie same jak oznaczenia wyst˛epujace ˛ na dermatogramie. Moz˙ liwe warto´sci kata ˛ ◦ ◦ ATD zawieraja˛ si˛e w przedziale od 15 do 120 , wynikiem czego jest fakt, z˙ e dla niektórych kombinacji przesłanek nie istnieja˛ wszystkie trzy mo z˙ liwe wyniki wniosków. Dla przykładu w przypadku wystapienia ˛ kombinacji wzorców UL UL TbA, która jest opisana jako kombinacja nr 3 w Tabeli 3.1 wszystkie mo z˙ liwe rozpoznania wpadaja˛ w przedział niepewno´sci lub w przedział Zespołu Downa. Wystapienie ˛ tej kombinacji wzorców wyklucza moz˙ liwo´sc´ rozpoznania przypadku jako dziecka zdrowego z grupy kontrolnej w całym przedziale moz˙ liwych warto´sci katów ˛ ATD zawartych pomi˛edzy 15◦ , a 120◦ . Wszystkie takie przypadki sa˛ oznaczone w tabeli reguł systemu ekspertowego poprzez wstawienie znaku "-" w polu warto´sci kata ˛ ATD. Reguły w postaci predykatów dla kombinacji przesłanek i odpowiadajacym ˛ im wniosków zawartych w Tabeli 3.1 maja˛ nast˛epujac ˛ a˛ postać: 1. – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = LDL i kat ˛ ATD ∈< 15; 28 > Wówczas diagnoza = Normal – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = LDL i kat ˛ ATD ∈ (28; 78 > Wówczas diagnoza = OVLP – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = LDL i kat ˛ ATD ∈ (78; 120 > Wówczas diagnoza = Down. 2. – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = Other i kat ˛ ATD ∈< 15; 37 > Wówczas diagnoza = Normal – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = Other i kat ˛ ATD ∈ (37; 88 > Wówczas diagnoza = OVLP – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = Other i kat ˛ ATD ∈ (88; 120 > Wówczas diagnoza = Down. 3. – Przedział nie istnieje..

(24) 3.3 Architektura bazy danych. 23. – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = SDL i kat ˛ ATD ∈< 15; 58 > Wówczas diagnoza = OVLP – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = SDL i kat ˛ ATD ∈ (58; 120 > Wówczas diagnoza = Down 4. – Przedział nie istnieje. – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = TbA i kat ˛ ATD ∈< 15; 31 > Wówczas diagnoza = OVLP – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = TbA i kat ˛ ATD ∈ (31; 120 > Wówczas diagnoza = Down. 5. – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = W or FL i kat ˛ ATD ∈< 15; 34 > Wówczas diagnoza = Normal – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = W or FL i kat ˛ ATD ∈ (34; 85 > Wówczas diagnoza = OVLP – Jez˙ eli Right Index Finger = UL i Left Index Finger = UL i Right Hallucal Area = W or FL i kat ˛ ATD ∈ (85; 120 > Wówczas diagnoza = Down. W konstrukcji reguł systemu ekspertowego zdecydowano si˛e na zachowanie we wnioskach reguł orginalnych nazw przedziałów warto´sci indeksu diagnostycznego pochodzacych ˛ z j˛ezyka angielskiego. Okre´slenie "Normal" odpowiada przedziałowi warto´sci typowych dla przypadków zdrowych z grupy kontrolnej. Okre´slenie "OVLP" jest skrótem angielskiego słowa "overlap" i odpowiada przedziałowi, dla którego wyznaczone warto´sci indeksu diagnostycznego nie daja˛ pewno´sci co do zakwalifikowania przypadku do grupy kontrolnej lub do grupy z zespołem Downa. Okre´slenie "Down" odpowiada przedziałowi warto´sci indeksu diagnostycznego, które sa˛ typowe dla przypadków z zespołem Downa. Tabela zawierajaca ˛ zestawienie wszystkich reguł systemu ekspertowego niezb˛ednych do wygenerowania diagnozy dla znanych przesłanek jest zamieszczona w Dodatku 1 rozprawy.. 3.3 Architektura bazy danych Baza danych medycznych została zaprojektowana przy uz˙ yciu systemu bazodanowego PostgreSQL. W bazie zawarto dane dotyczace ˛ pacjentów ze schorzeniami genetycz-.

(25) 3.3 Architektura bazy danych. 24. nymi. Dane opisujace ˛ konkretny przypadek składaja˛ si˛e z kolekcji obrazów zawierajacych ˛ dermatoglify obszarów palców, pól dłoni oraz stóp, a tak z˙ e opisy diagnoz wykonanych przez specjalistów antropologów oraz opisy w j˛ezyku naturalnym wygenerowane przez moduł wyja´sniajacy ˛ na podstawie wyników przekazanych do niego przez automatyczny system wspomagania diagnozy. Zdj˛ecia obszarów dermatoglificznych sa˛ wyposaz˙ one w metadane zgromadzone manualnie i automatycznie. Dane manualne wprowadzane sa˛ przez specjalistów antropologów w formie zdań polskiego j˛ezyka naturalnego. Dotycza˛ one cech dermatoglificznych, tj.: rodzaj wzorca, ilo´sc´ i grubo´sc´ listewek, obecno´sc´ , kierunek i rodzaj bruzd oraz wyst˛epowanie zaburzeń lokalnej struktury listewek, a tak z˙ e wyznaczone na podstawie tych obserwacji warto´sci wska´zników dermatoglificznych. Opis zawiera równiez˙ informacje o anatomicznej przynalez˙ no´sci obszarów dermatoglificznych. Dane wprowadzane manualnie pami˛etane sa˛ w tabeli DIAGNOSIS w kolumnie DESCRIPTION_DIAGNOSIS_DOCTOR zob. Rys. 3.2.. Rys. 3.2. Schemat bazy danych w postaci diagramu encji. Dane gromadzone automatycznie sa˛ produkowane przez system wspomagania dia-.

(26) 3.3 Architektura bazy danych. 25. gnozy odpowiedzialny za analiz˛e poszczególnych zdj˛ec´ pacjentów. Dostarcza on informacji szczegółowych o rodzajach wzorców analizowanych obszarów dermatoglificznych, pomiarów warto´sci katów ˛ wyznaczonych przez połoz˙ enie punktów charakterystycznych dłoni. Na podstawie tej wiedzy system dokonuje wnioskowania o prawdopodobieństwie wystapienia ˛ wady genetycznej u noworodka. Dane dostarczone przez system wspomagania diagnozy pami˛etane sa˛ w tabeli IMAGE_DATA w postaci parametrycznej. Na podstawie tych danych moduł wyja´sniajacy ˛ generuje końcowa,˛ opisowa˛ formuł˛e diagnostyczna,˛ w postaci tekstu j˛ezyka naturalnego. Zawiera ona opis szczegółowy cech i wzorców poszczególnych obszarów dermatoglificznych oraz wygenerowany na ich podstawie tekst diagnozy. Baza danych składa si˛e z nast˛epujacych ˛ encji: PATIENT, DOCTOR, IMAGE_DATA, DIAGNOSIS, GENETIC_DISORDED, DERMATOGLYPHIC_AREA, BODY_PART, SIDE. Tabela PATIENT zawiera dane osobowe pacjenta, tj. imi˛e, nazwisko, płeć, dat˛e urodzenia oraz identyfikator wady genetycznej stwierdzonej u pacjenta (w szczególnym przypadku jest to osoba zdrowa, nalez˙ aca ˛ do tzw. grupy kontrolnej). Tabela DOCTOR zawiera informacje identyfikujace ˛ specjalist˛e korzystajacego ˛ ze systemu. Tabela IMAGE_DATA zawiera dane obrazów dermatoglifów w postaci zdj˛ec´ . Pami˛etane sa˛ trzy wersj˛e obrazu: surowa, opisana manualnie przez antropologa oraz wersja przetworzona przez algorytmy poprawiania jako´sci obrazu. Dodatkowo w tabeli tej pami˛etane sa˛ metadane opisujace ˛ charakterystyk˛e danego obrazu, tj.: data pozyskania obrazu, opis obrazu wykonany przez antropologa (DESCRIPTION_DOCTOR), opis obrazu wygenerowany przez moduł wyja´sniajacy, ˛ wynik rozpoznania wzorca przez antropologa, wynik rozpoznawania wzorca przez jeden z modułów klasyfikujacych ˛ systemu wspomagania decyzji, warto´sc´ kata ˛ ATD wyznaczona˛ manualnie przez antropologa (ATD_ANGLE_VALUE_DOCTOR) oraz wyznaczona˛ w sposób automatyczny przez system (ATD_ANGLE_VALUE_SYSTEM). Tabela zawiera klucze obce okre´slajace: ˛ do jakiego pacjenta nalez˙ y zdj˛ecie (ID_PATIENT), identyfikator diagnozy, która została wykonana na podstawie kolekcji, do których nalez˙ y dany obraz (ID_DIAGNOSIS), identyfikator odbitki obszaru dermatoglificznego (ID_DERMATOGLYPHIC_AREA), identyfikator anatomicznej cz˛esći ciała, z której pochodzi zdj˛ecie (ID_BODY_PART), identyfikator anatomicznej strony ciała, z której pochodzi zdj˛ecie (ID_SIDE). Pacjent moz˙ e posiadać wiele diagnoz wykonanych w róz˙ nych momentach czasu przez róz˙ nych specjalistów. Tabela DIAGNOSIS przechowuje pojedyncza˛ diagnoz˛e.

(27) 3.3 Architektura bazy danych. 26. pacjenta w dwóch postaciach manualnej (DESCRIPTION_DIAGNOSIS_DOCTOR) i automatycznej (DESCRIPTION_DIAGNOSIS_SYSTEM) w formie opisu polskoj˛ezycznego. Pami˛etane sa˛ równiez˙ daty wykonania opisu manualnego (DATE_DIAGNOSIS_DOCTOR) i automatycznego (DATE_DIAGNOSIS_SYSTEM). Tabela wyposaz˙ ona jest równiez˙ w klucz obcy okre´slajacy ˛ pacjenta, którego dotyczy diagnoza (ID_PATIENT) oraz klucz obcy identyfikujacy ˛ specjalist˛e wykonujacego ˛ i wprowadzajacego ˛ opis (ID_DOCTOR). Baza danych wyposaz˙ ona jest takz˙ e w tabele przechowujace ˛ metadane. Tabela DERMATOGLYPHIC_AREA zawiera list˛e obszarów dermatoglificznych wraz opisem ich nazw (NAME_DERMATOGLYPHIC_AREA) oraz topograficznym opisem tego obszaru (DESCRIPTION_DERMATOGLYPHIC_AREA). Tabela BODY_PART okre´sla przynalez˙ no´sc´ anatomiczna˛ obszaru dermatoglificznego - nazw˛e cz˛esći ciała (NAME_BODY_PART). Tabela SIDE okre´sla anatomiczna˛ stron˛e ciała pacjenta. Taka ziarnisto´sc´ (struktury) metatabel w bazie danych została zaprojektowana w celu uelastycznienia procesu przeszukiwania bazy danych. Ułatwi to specjali´scie przegladaj ˛ acemu ˛ dane otrzymać kolekcj˛e obrazów odpowiadajacych ˛ konkretnym kryteriom, takim jak np. obrazy zawierajace ˛ konkretne wzorce, obrazy z konkretnych anatomicznych cz˛esći ciała etc..

(28) Rozdział 4 Klasyfikacja wzorców odbitek palców dłoni 4.1 Wprowadzenie Klasyfikacja wzorców odbitek palców dłoni jest jednym z zada n´ analizy dermatoglificznej. Pierwsza˛ z metod klasyfikacji wzorców palców oparta˛ na obecno´sci i połoz˙ eniu trójpromieni na mapie pływów listewek wzorca opracował Sir Francis Galton w pó´znych latach 1880. Opierajac ˛ si˛e na tej pierwszej metodzie Edward Henry zidentyfikował rodzaje wzorców pływów listewek, które stały si˛e podstawa˛ stosowanej do dnia dzisiejszego standardowej metody klasyfikacji wzorców odbitek palców dłoni. Ta metoda klasyfikacji wykorzystywana jest tak z˙ e w analizie dermatoglificznej i nosi nazw˛e metody Henry’ego. Obecnie istnieje wiele innych metod klasyfikacji odbitek palców. Wybór metody klasyfikacji ma wpływ na podział odbitek palców na okre´slona˛ liczb˛e klas charakteryzujacych ˛ si˛e podobieństwem topologicznym wzorców. W rozprawie zaimplementowano model klasyfikacji oparty na metodzie Henry’ego z uwagi na fakt, z˙ e jest on uz˙ yty w dermatogramie Reeda, który jest z kolei modelem dla systemu ekspertowego słuz˙ acego ˛ do automatycznego wspomagania decyzji medycznej..

(29) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. 28. 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji Wyróz˙ niamy trzy grupy własno´sci analizowanych w problemie klasyfikacji wzorców odbitek palców dłoni: 1. Własno´sci Poziomu 1 - Wzorce pływów listewek na całkowitym obszarze odbitki palca. 2. Własno´sci Poziomu 2 - Informacja w wyz˙ szej skali dokładno´sci w stosunku do Poziomu 1 dotyczaca ˛ wzajemnego połoz˙ enia i zmienno´sci poszczególnych listewek. Informacja Poziomu 2 dotyczy miejsc połacze ˛ n´ oraz zakończeń listewek. Punkty połacze´ ˛ n (rozgał˛ezień) okre´slane sa˛ terminem bifurkacji. Łacznie ˛ punkty połacze´ ˛ n oraz zakończeń okre´slane sa˛ terminem minucji. 3. Własno´sci Poziomu 3 - Informacja dotyczaca ˛ dokładnej struktury poszczególnych listewek. Pozyskanie tej informacji jest trudne lub cz˛esto niemo z˙ liwe na podstawie obrazów pobieranych typowymi metodami w praktyce klinicznej. Pozyskanie informacji o własno´sciach Poziomu 3 wymaga rejestracji odbitki palca dłoni w duz˙ o wyz˙ szej rozdzielczo´sci niz˙ w przypadku własno´sci Poziomu 1 i Poziomu 2.. 4.2.1 Własno´sci Poziomu 1 - wzorce kierunków pływów listewek Penrose [64] opisał w jaki sposób system linii (takich jak listewki epidermalne na palcach dłoni), które sa˛ wzgl˛edem siebie lokalnie równoległe, ale moga˛ si˛e stopniowo zakrzywiać, podlega okre´slonym ograniczeniom topologicznym. We wzorcu dermatoglificznym moga˛ pojawić si˛e takz˙ e dwa rodzaje charakterystycznych lokalnych obszarów, które stanowia˛ wewn˛etrzne własno´sci wzorca: • Trójpromien´ - jest punktem, w którym stykaja˛ si˛e trzy przeciwstawne systemy listewek. W typowym wzorcu wiru lub p˛etli punkty te znajduja˛ si˛e na styku trzech obszarów topograficznych: obszaru wzorca, poprzecznego systemu dystalnego oraz poprzecznego systemu proksymalnego. Termin delta jest cz˛esto uz˙ ywany jako synonim trójpromienia, ale istnieje mi˛edzy nimi ró z˙ nica okre´slana na podstawie ułoz˙ enia minucji. Delta w sćisłym sensie jest obszarem styku.

(30) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. 29. trzech listewek, podczas gdy trójpromien´ jest okre´slony przez listewki stanowia˛ ce jego granic˛e. We wzorcu moz˙ na wyróz˙ nić trójpromień, nawet jez˙ eli nie ma na nim delty w sćisłym sensie tworzonej przez trzy listewki wychodzace ˛ z jednego wspólnego punktu. W metodzie klasyfikacji wzorców opisanej poni z˙ ej nie rozróz˙ nia si˛e pomi˛edzy terminem delta i trójpromie n´ , a poniewaz˙ trójpromienie wyst˛epuja˛ we wzorcu nawet jez˙ eli nie ma na nim delty w sćisłym sensie to w dalszym ciagu ˛ do opisu systemu klasyfikacji u z˙ ywać si˛e b˛edzie okre´slenia trójpromień. Trójpromień ma podwójne znaczenie w analizie odbitek palców. Po pierwsze linie wychodzace ˛ z niego sa˛ promieniami, tzn. liniami typów, i sa˛ one pomocne w okre´sleniu rodzaju wzorca poniewaz˙ stanowia˛ szkielet wzorca. Inna˛ waz˙ na˛ własno´scia˛ trójpromienia jest to, z˙ e stanowi on punkt odniesienia do zliczania listewek i kierunku ich pływu. Wszystkie trójpromienie sa˛ powia˛ zane z trzema systemami listewek płynacymi ˛ w ró z˙ nych kierunkach. Ułoz˙ enie elementów listewek stanowiacych ˛ trójpromie n´ jest zmienne. Jeden z bardziej typowych rodzajów ułoz˙ enia jest przedstawiony na Rys. 4.1 A - C poniz˙ ej, gdzie trzy listewki wychodza˛ z jednego wspólnego punktu, a katy ˛ pomi˛edzy listewkami sa˛ prawie takie same. Inne rodzaje ułoz˙ enia listewek sa˛ przedstawione na Rys. 4.1 D - H. • Centrum - jest punktem zwrotnym przepływu najbardziej wewn˛etrznej listewki lokalnego pola równoległych listewek, w którym krzywizna przepływu tej listewki jest najwi˛eksza. W typowym wzorcu wiru, centrum lub pie n´ otaczaja˛ cego systemu, moz˙ e pojawić si˛e jako wysepka, krótka prosta listewka, listewka zakrzywiona w postaci haka lub spinacza, albo jako okr˛egu lub elipsy. Niektóre wiry maja˛ podwójne centra. W typowej p˛etli centrum mo z˙ e być pojedyncza˛ prosta˛ listewka˛ (pr˛etem - ang. rod), seria˛ dwóch do kilkunastu takich pr˛etów lub listewka˛ o kształcie przypominajacym ˛ spink˛e do włosów (zszywk˛e). Punkt centrum jest punktem odniesienia dla operacji zliczania listewek. Nie stanowi on cało´sci centrum ale jest tylko centralnie usytuowanym punktem w centrum, wyznaczanym na podstawie czasami arbitralnej definicji. W klasyfikacji Henry’ego wyst˛epuja˛ cztery główne rodzaje wzorców: łuki, p˛etle, wiry prawdziwe (ang. true whorls) oraz wzorce złoz˙ one, które w standardowych zastosowaniach sa˛ kwalifikowane do jednej z pozostałych grup. Metoda klasyfikacji Henry’ego wykorzystywana m.in. w analizie dermatoglificznej dzieli wzorce wyst˛epujace ˛ na odbitkach palców dłoni na pi˛ec´ klas: p˛etla lewa (ang. LL - left loop), p˛etla.

(31) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. 30. Rys. 4.1. Przykłady trójpromieni. prawa (ang. RR - right loop), wir (ang. W - whorl), łuk prosty (ang. A - arch lub PA plain arch) oraz łuk namiotowy (ang. TA - tented arch) Rys. 4.2. • Wir - jest wzorcem, który w swojej typowej postaci charakteryzuje si˛e koncentryczna˛ budowa.˛ Wi˛ekszo´sc´ listewek w tym wzorcu tworzy zamkni˛ete krzywe dookoła centrum, który jest osiowym punktem le z˙ acym ˛ wewnatrz ˛ wzorca. Wir na Rys. 4.3 jest całkowicie i ciagle ˛ otoczony przez linie typów, pogrubione na rysunku w celu łatwiejszej identyfikacji. Linie typów rozchodza˛ si˛e promienisćie od dwóch trójpromieni. Obszar znajdujacy ˛ si˛e wewnatrz ˛ obwodu wyznaczonego przez te linie nazywany jest obszarem wzorca. Linie typu okre´slane sa˛ takz˙ e nazwa˛ szkieletu wzorca. O rodzaju i cechach wzorca moz˙ na wnioskować na podstawie kształtu jego szkieletu. Obszar wzorca stanowi tylko cz˛e sć´ odbitki palca. Obszar znajdujacy ˛ si˛e w połoz˙ eniu dystalnym do obszaru wzoru ma nazw˛e poprzecznego systemu dystalnego (ang. distal transverse system), obszar znajdujacy ˛ si˛e w połoz˙ eniu proksymalnym do obszaru wzorca ma nazw˛e poprzecznego systemu proksymalnego (ang. proximal transverse system). Prawdziwe wiry zazwyczaj posiadaja˛ dwa trójpromienie i sa˛ skonstruowane w ten sposób, z˙ e listewki w charakterystyczny sposób kra˛z˙ a˛ po okr˛egach do-.

(32) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. 31. Rys. 4.2. Przykłady odbitek palców nalez˙ acych ˛ do klasy: (a) p˛etla lewa; (b) p˛etla prawa; (c) wir; (d) łuk prosty; (e) łuk namiotowy. okoła centrum. Cz˛esta˛ konfiguracja˛ jest seria okr˛egów lub elips (wzorzec 1, 5 na Rys. 4.4). Inna˛ cz˛esto wyst˛epujac ˛ a˛ konfiguracja˛ sa˛ listewki kra˛z˙ ace ˛ po spirali (wzorzec 2 na Rys. 4.4). Ciagło´ ˛ sc´ i rozmiar spirali w odniesieniu do obszaru wzorca sa˛ zmienne, a kierunek spirali moz˙ e być zgodny jak i przeciwny ze wskazówkami zegara. W niektórych wirach cz˛esć´ obszaru wzorca moz˙ e być koncentryczna, a pozostała cz˛esć´ wzorca spiralna. Kształt obszaru wzorca moz˙ e być albo całkowicie koncentryczny albo spiralny. Obrzez˙ a wiru decyduja˛ o generalnym kształcie obszaru wzorca. Kształt centralnej cz˛esći wiru moz˙ e być róz˙ ny, tak z˙ e zgrupowanie listewek biegnacych ˛ po okr˛egach w bezpo´srednim sasiedztwie ˛ centrum moz˙ e być powiazane ˛ z eliptycznym obrzez˙ em. Moz˙ e takz˙ e wystapi´ ˛ c sytuacja przeciwna. Centra w wirze moga˛ mieć postać: wysepki, krótkiej prostej listewki, małego okr˛egu lub elipsy, dwóch splecionych wzajemnie listewek zakrzywionych w kształcie haka lub zszywki lub innych mniej.

(33) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. 32. Rys. 4.3. Odbitki palców z nałoz˙ onymi liniami typów. typowych form. • P˛etla jest prostsza w budowie niz˙ wir. Posiada tylko jeden trójpromien´ . Odmiennie niz˙ w przypadku wiru, p˛etle listewek nie zamykaja˛ si˛e dookoła centrum, ale zakrzywiaja˛ si˛e dookoła jednego punktu b˛edacego ˛ ekstremum wzorca, tworzac ˛ czoło p˛etli. Z przeciwległej strony wzorca listewki płyna˛ w kierunku brzegu wzorca; ta strona wzorca moz˙ e być okre´slona jako otwarta. Jez˙ eli p˛etla otwiera si˛e w kierunku strony ulnarnej to ma nazw˛e p˛etli ulnarnej, je z˙ eli otwiera si˛e w kierunku strony radialnej to ma nazw˛e p˛etli radialnej. W literaturze do przedstawiania i interpretacji wzorców dermatoglifów u z˙ ywane jest nazewnictwo wzorców odnoszace ˛ si˛e do anatomii dłoni [13]. Terminy kierunków anatomicznych (proksymalny, dystalny, radialny i ulnarny) sa˛ u z˙ ywane do opisywania połoz˙ eń własno´sci wzorców i do wskazywania kierunków do odpowiednich brzegów wzorca. Wzorzec palca dłoni okre´slany potocznie le-.

(34) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. Rys. 4.4. Rodzina wzorców odbitek palców dłoni.. 33.

(35) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. 34. wa˛ p˛etla˛ jest nazywany p˛etla˛ ulnarna˛ jez˙ eli znajduje si˛e na jednym z palców lewej dłoni, a w przypadku gdy znajduje si˛e na jednym z palców prawej dłoni nazywany jest p˛etla˛ radialna.˛ Wzorzec palca dłoni okre´slany potocznie p˛etla˛ prawa˛ jest nazywany p˛etla˛ radialna˛ jez˙ eli znajduje si˛e na jednym z palców lewej dłoni, a w przypadku gdy znajduj˛e si˛e na jednym z palców prawej dłoni nazywany jest p˛etla˛ ulnarna.˛ Najbardziej typowa˛ odmiana˛ p˛etli jest p˛etla prosta (plain loop), która nie posiada z˙ adnych zaburzeń w konfiguracji wskazujacych ˛ na jej powiazanie ˛ ze wzorami złoz˙ onymi. P˛etla prosta (wzorzec 23 i 29 na Rys. 4.4) składa si˛e z grupy listewek regularnie płynacych ˛ wzdłuz˙ p˛etli. P˛etle przej´sciowe posiadaja˛ s´ladowe obszary o charakterystykach bardziej złoz˙ onych wzorców. Przykładowo wzorzec 17 na Rys. 4.4 jest p˛etla˛ z obszarami nalez˙ acymi ˛ do towarzyszacej ˛ jej drugiej zdegenerowanej p˛etli. Gdyby ta zdegenerowana p˛etla została uzupełniona to cały wzorzec nalez˙ ałoby zaklasyfikować jako bli´zniacze p˛etle. Podobnego typu konfiguracje pokazujace ˛ zdegenerowana˛ lateralna˛ p˛etle kieszeniowa˛ sa˛ przedstawione na wzorcach 20 i 21 na Rys. 4.4. Centralna kieszeń (wzorzec 15 na Rys. 4.4) po usuni˛eciu z niej zakrzywionych listewek pomi˛edzy trójpromieniem, a centrum zostałaby przekształcona do przej´sciowej formy p˛etli (wzorzec 22 na Rys. 4.4). ˛ ich rozmiaru wyznaczanego za P˛etle moga˛ być takz˙ e klasyfikowane pod katem pomoca˛ zliczania listewek, konstrukcji centrów oraz formy, jaka˛ przybiera obszar wzorca. Niektóre p˛etle sa˛ waskie ˛ w odniesieniu do ich wysoko´sci, podczas gdy inne sa˛ szerokie. Połoz˙ enie centrum w odniesieniu do trójpromieni i linii typów jest zmienne, zmienno´sc´ ta jest niezalez˙ na od wielko´sci obszaru wzorca. Inklinacja wzorca w odniesieniu do osi odbitki jest tak z˙ e zmienna. P˛etle moga˛ być proste, lez˙ ace ˛ symetrycznie na osi odbitki, lub uło z˙ one uko´snie, a nawet poprzecznie w stosunku do osi odbitki - warto´sc´ kata ˛ nachylenia wzorca moz˙ e ◦ wynosić nawet 90 . • Łuk prosty jest najprostszym wzorcem wyst˛epujacym ˛ na palcu (wzorzec 39 na Rys. 4.4). Chociaz˙ potocznie okre´sla si˛e prosty łuk mianem wzorca to faktycznie jest to brak wzorca na palcu. Listewki płyna˛ w poprzek z jednego ko n´ ca odbitki na drugi koniec z łagodnym zakrzywieniem w kierunku dystalnym. We wzorcu tym nie ma trójpromieni i nie da si˛e wyznaczyć obszarów topograficz-.

(36) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. 35. nych. • Łuk namiotowy posiada jeden trójpromień usytuowany w okolicy s´ród-osi wzorca odbitki (wzorce 30, 31 na Rys. 4.4). Wyprostowany radiant dystalny jest powiazany ˛ z gwałtownym wzniesieniem poprzecznie płynacych ˛ listewek i tworzy ’namiot’. Obydwa radianty proksymalne przechodza˛ bezpo´srednio do kraw˛edzi odbitki, podczas gdy radiant dystalny ko n´ czy si˛e krótkim prostym odcinkiem, czasami koniec zagina si˛e ostro jak spinka. Istnieja˛ tak z˙ e inne rodzaje łuków posiadajace ˛ trójpromienie, np. łuki przypominajace ˛ miniaturowe p˛etle (wzorce 32, 36 na Rys. 4.4) lub bardzo zredukowane wiry (wzorzec 34 na Rys. 4.4).. 4.2.2 Własno´sci Poziomu 2 - uło˙zenie listewek i minucji Listewki epidermalne charakteryzuja˛ si˛e nieregularno´sciami kierunków, nieciagło´ ˛ sciami oraz rozgał˛ezieniami. Takie cechy sa˛ okre´slane zbiorowym terminem minucji lub charakterystyk listewek. Sporadyczne, zaczatkowe, ˛ rudymentarne lub powstajace ˛ listewki, chociaz˙ nie sa˛ zaliczane do grupy minucji to maja˛ logiczne miejsce w rozwa z˙ aniach na temat charakterystyk listewek. Zaczatkowe ˛ listewki znajduja˛ si˛e w bruzdach, sa˛ bardzo waskie ˛ i cz˛esto poprzerywane. Przykład listewek tego typu jest widoczny na Rys. 4.5 przedstawiajacym ˛ powi˛ekszenie obszaru centrum obrazu dermatoglifu. Listewki te róz˙ nia˛ si˛e od typowych listewek epidermalnych brakiem otworków potowych, a takz˙ e ułoz˙ eniem i morfologia.˛ Moz˙ na wyróz˙ nić kilka standardowych typów minucji stanowiacych ˛ własno´sci Poziomu 2. Przykłady tych klas własno´sci sa˛ widoczne na Rys. 4.5. Wysepka jest najkrótsza˛ moz˙ liwa˛ forma˛ listewki posiadajac ˛ a˛ pojedynczy otworek potowy. Struktura składajaca ˛ si˛e z dwóch, trzech lub wi˛ecej takich jednostkowych listewek była poczatkowo ˛ takz˙ e okre´slana mianem wysepki przez Galtona, chociaz˙ bardziej poprawne jest okre´slenie takiej struktury jako krótkiej listewki i zarezerwowanie terminu wysepka dla podstawowej struktury jednostkowej, z których składa si˛e krótka listewka. Nagłe zatrzymanie biegu listewki okre´slane jest mianem zakończenia. Sporadycznie listewka moz˙ e si˛e rozgał˛ezić tworzac ˛ bifurkacj˛e lub rozwidlenie. Jez˙ eli dwie ˛ z przeciwnych kierunków moga˛ być opisane jako listewki sa˛ uznawane jako płynace złaczenie, ˛ ale przyj˛eta metoda opisu wzorców jest oparta na fakcie rozdzielania si˛e listewki niz˙ na łaczeniu ˛ si˛e listewek. Dwie gał˛ezie listewki moga˛ si˛e połaczy´ ˛ c ponow-.

(37) 4.2 Własno´sci wzorców odbitek palców dłoni i metoda ich klasyfikacji. 36. Rys. 4.5. Minucje. nie w pewnej odległo´sci od miejsca rozwidlenia tworzac ˛ lokalna˛ zamkni˛eta˛ struktur˛e o nazwie oczka. Wszystkie z opisanych powyz˙ ej klas własno´sci moga˛ być uwaz˙ ane za kombinacj˛e tylko dwóch podstawowych własno´sci, którymi sa˛ zakończenia oraz rozwidlenia listewek.. 4.2.3 Własno´sci Poziomu 3 Szczegóły zewn˛etrznej budowy pojedynczych listewek, okre´slane mianem własno´sci Poziomu 3, sa˛ zbyt małe by moz˙ na je analizować gołym okiem. Powi˛ekszenie optyczne pozwala na dostrzez˙ enie na szczytach listewek otworów wyj´sciowych kanałów gruczołów potowych. Kaz˙ da listewka posiada pojedynczy rzad ˛ takich otworów rozmieszczonych wzgl˛edem siebie w regularnych odst˛epach. Listewki cz˛esto posiadaja˛ poprzeczne przew˛ez˙ enia, sugerujace ˛ segmentacj˛e listewki na jednostki, z których ka z˙ da jest powiazana ˛ z pojedycznym otworem potowym. Takie pojedyczne segmenty sa˛ czasami całkowicie rozdzielone tworzac ˛ tzw. wysepki. Odległo´sci pomi˛edzy kolejnymi otworami potowymi listewki sa˛ w przybli z˙ eniu równe szeroko´sci listewki. Zmienno´sc´ parametrów opisujacych ˛ otwory potowe sprawiła, z˙ e były one przedmiotem badań, które miały okre´slić ich przydatno´sc´ do celów identyfikacji osobistej oraz zmian o charakterze zaburzeń w lokalnej strukturze ułoz˙ enia otworów wskazujacych ˛ na wyst˛epowanie wad genetycznych. Badano ilo´sc´ otworów na jednostk˛e powierzchni, wzorce ułoz˙ eń otworów, odległo´sci pomi˛edzy kolejnymi otworami, połoz˙ enie otworów w odniesieniu do osi listewki oraz zgodno´sc´ konturów tworzonych przez zbiory otworów z odpowiadajacymi ˛ im liniami pływów listewek. Charakterystyki otworów potowych sa˛ tak samo ró z˙ norodne i skomplikowane jak charakterystyki.