Propuesta para Trabajo de Grado

II - MARCO TEÓRICO

En esta sección se presenta los elementos teóricos principales del trabajo de grado y las herramientas informáticas.

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Marco Teórico

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Enfermedades Cardiovasculares

Según Word Health Organization [4] las enfermedades cardiovasculares son un grupo de trastornos del corazón y los vasos sanguíneos, que son:

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  Enfermedad coronaria: enfermedad de los vasos sanguíneos que irrigan el musculo cardiaco.
  
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  Enfermedad cerebrovascular: enfermedad de los vasos sanguíneos que irrigan el cerebro.
  
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  Enfermedad arterial periférica: enfermedad de los vasos sanguíneos que irrigan los brazos y las piernas.
  
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  Enfermedad reumática del corazón: daño al musco del corazón y las válvulas cardiacas de la fiebre reumática, causada por bacterias denominadas estreptococos.
  
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  Cardiopatía congénita: malformaciones del corazón presente al nacer.
  
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  Trombosis venosa profunda y embolia pulmonar: coágulos de sangre en las venas de las piernas, que se pueden desprender y trasladarse al corazón y los pulmones.
  

La Vascular Disease Fundation define también la enfermedad cardiovascular como “Una función anormal de los vasos del corazón o de sangre. Puede causar un aumento en el riesgo de ataque cardiaco, insuficiencia cardiaca, muerte súbita, problemas del ritmo cardiaco y accidente cerebrovascular, lo que resulta en una menor calidad de vida y la esperanza de vida disminuyó. Las causas de las enfermedades vasculares gama de defectos estructurales, a la infección, la inflamación, el medio ambiente y la genética.”

Causas de las enfermedades cardiovasculares

Las enfermedades cardiovasculares tienen diferentes tipos de causas dependiendo del tipo de enfermedad vascular [2]

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  Angina: Disminución temporal de oxígeno y nutrientes al músculo cardíaco, por lo general de la enfermedad arterial.
  

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  Aterosclerosis: se cree que es la acumulación de la placa se inicia cuando el revestimiento de la arteria está dañado o herido, pero no se está seguro el por qué y cómo se convierte en la arteria dañada.
  

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  Enfermedad arterial coronaria: la aterosclerosis.
  

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  Ataque del corazón: Una arteria estrecha o bloqueada completamente coronaria que causa una disminución de oxígeno y nutrientes al corazón. Sin oxígeno y nutrientes, el músculo cardíaco muere.
  

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  Accidente cerebrovascular ACV: Ocurre cuando el tejido cerebral está dañado. Hay dos tipos principales de ictus: el ictus isquémico y los accidentes cerebrovasculares hemorrágicos. Un ataque cerebral isquémico se produce cuando existe una falta de oxígeno en la sangre o de nutrientes para una parte del cerebro. Se produce una apoplejía hemorrágica de sangrado en el cerebro. Para cada tipo de accidente cerebrovascular, las causas específicas pueden variar.
  

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  Hipertensión: No se conoce.
  

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  Insuficiencia cardiaca congestiva: Es causada por otras enfermedades o condiciones que causen o exceso de trabajo del músculo cardíaco se debilita y no es capaz de bombear la sangre tan bien como debería.
  

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  Fibrilación auricular: Tiene diversas causas la mayoría de veces es por problemas del corazón, alcohol, fumar, sustancias químicas estimulantes, cirugías y otras condiciones medicas. Además la fibrilación auricular es más común en los hombres que en las mujeres al igual es más común en los ancianos.
  

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  Fenómeno de Raynaud: No se conoce la causa exacta ya que hay una espasmódica repentina contracción de los vasos sanguíneos cuando se expone al frio. [2]
  

Mortalidad de las enfermedades vasculares

Según Word Health Organization (WHO) [4] las enfermedades vasculares son la principal causa de muerte en el mundo. Según los datos de la WHO en el 2008 se estimo que 17.3 millones de personas murieron por enfermedades vasculares, el cual el 7.3 millones se debió a la cardiopatía coronaria y 6.2 millones a accidente cerebrovascular.

Según la sociedad Colombiana de Cardiología [7], la mortalidad en Colombia afecta a 50.7 por 1000 mujeres con enfermedades cerebrovasculares y a 67.1 de 1000 mujeres con enfermedades isquémica del corazón, siendo la primera causa de muerte en este país.

Morbilidad de las enfermedades vasculares

Con base a los registros individuales de prestación de servicios (RIPS) de la base de datos del Ministerio de la Protección Social, en el 2006 se atendieron en Bogotá 376.424 consultas por enfermedad vascular, por hipertensión arterial se presentaron 265.725 consultas (70.6% del total por enfermedad vascular).

Otra fuente de datos de la morbilidad la constituye los antecedentes mórbidos de la causa básica de la muerte registrados en el certificado de defunción [5].

Diagnóstico de las enfermedades vasculares

Para el diagnóstico de las enfermedades vasculares se realiza una serie de pruebas aparte del historial médico del paciente como son [6]:

• 
  Electrocardiograma: Este método amplifican los impulsos eléctricos del corazón. El electrocardiograma (ECG) permite analizar el marcapasos que inicia cada latido del corazón, las vías nerviosas de conducción de los estímulos, la frecuencia y el ritmo cardiaco.
  

Ilustración : Electrocardiograma

• 
  Test de esfuerzo: Se realiza pruebas de resistencia al ejercicio el cual proporciona información acerca de la existencia y gravedad de la enfermedad arterial coronaria. La prueba de tolerancia al esfuerzo permite controlar el ECG y la presión arterial durante la misma, puede poner de manifiesto problemas que no aparecería cuando la persona se encuentra en reposo.
  

El procedimiento de esta prueba consiste en pedalear en una bicicleta o caminar sobre una caminadora a un determinado ritmo que se aumenta gradualmente. El ECG controla de forma continua la presión arterial que se va midiendo en intervalos de tiempo. La prueba de tolerancia a esfuerzo se continúa hasta que la frecuencia cardiaca alcanza entre 80% y 90% del máximo valor posible de acuerdo con la edad y el sexo. [2]



Ilustración : Test de esfuerzo

• 
  Exploración electrofisiológica: Se usan para evaluar anomalías graves en el ritmo. A través de las venas o a través de las arterias, se inserta pequeños electrodos directamente dentro de las cavidades cardiacas para registral el ECG e identificar las vías por donde circulan las descargas eléctricas.[6]
  

• 
  Ecocardiograma: Es una de las técnicas más utilizadas para el diagnóstico de las enfermedades cardiovasvulares, ya que no es invasiva y no utiliza rayos X.[2]
  

Ilustración : Eco cardiograma

• 
  Cateterismo cardiaco: Es la introducción de un pequeño catéter en una arteria o una vena, que se desliza hacia los vasos principales y las cavidades del corazón. Los catéteres se introducen en el corazón tanto para fines diagnósticos.[6]
  

Ilustración : Cateterismo cardiaco

Sistemas Expertos

En la literatura se puede encontrar muchas definiciones de sistema experto. Por ejemplo, Stevens (1984), página 40, define el sistema experto como:

“Máquinas que piensan y razonan como un experto lo haría en una cierta especialidad o campo. Por ejemplo, un sistema experto en diagnóstico médico requeriría como datos los síntomas del paciente, los resultados de análisis clínicos y otros hechos relevantes, y, utilizando éstos, buscaría en una base de datos la información necesaria para poder identificar la correspondiente enfermedad.”

Aunque la anterior definición fue una de las primeras que apareció en la literatura, desde entonces han surgido otras definiciones que han tenido en cuenta el desarrollo tecnológico que al pasar el tiempo ha crecido rápidamente el cual se ve reflejado en la siguiente definición dada por los autores Castillo y Alvarez (1991) y Durkin (1994)): Un sistema experto puede definirse como un sistema informático (hardware y software) que simula a los expertos humanos en un área de especialización dad.

Con las definiciones anteriores de sistema experto se puede decir que el sistema experto debería ser capaz de procesar y memorizar información, aprender y razonar en situaciones deterministas e inciertas, poderse comunicar con los hombres y/u otros sistemas expertos, poder tomar decisiones apropiadas y explicar por qué se han tomado tales decisiones para esto se tendría que tener dos sistemas expertos. También se pensó que el sistema experto puede ser un consultor que pueda suministrar ayuda a los expertos humanos con un nivel de fiabilidad alto y razonable.

Al pasar los años en la década de los 90s los sistemas expertos tomaron un gran auge lo que hizo que hubiera desarrollos muy rápidos de numerosas aplicaciones en diferentes campos; Quinlan (1987, 1989)). Durkin (1994) examina unos 2,500 sistemas expertos y los clasifica por criterios, tales como áreas de aplicación, tareas realizadas, etc. A continuación se muestra una ilustración en donde se puede ver que los campos ha realizado sistemas expertos y cuales con los que tienen más de ellos.



Ilustración : Campos de aplicación de los sistemas expertos. Adaptado de Durkin (1994) y Castillo, Gutiérrez y Haidi (1995a)

¿Por qué los Sistemas Expertos?

Los sistemas expertos por lo general han sido caros en su desarrollo, pero el mantenimiento ha sido relativamente bajo. Por otro lado, la ganancia, el tiempo y su precisión al dar resultados han sido muy altos. Aunque antes de tomar la decisión del desarrollo de un sistema experto es bueno realizar un análisis de factibilidad y de costo-beneficio. Además se puede mirar las ventajas que tiene un sistema experto que se muestran a continuación:

1. 
   Con la ayuda de un sistema experto, las personas con poca experiencia puede resolver problemas ya definidos, el cual requieren un conocimiento de un experto. Este factor es importante cuando no se tiene pocos expertos del tema, lo que ayudará a que haya mayor número de personas con acceso al conocimiento con el uso del los sistemas expertos.
   
2. 
   El sistema experto se vuelve más completo y más fiable, cuando se tiene la combinación del conocimiento varios expertos humanos.
   
3. 
   Los sistemas expertos pueden responder a preguntas ya definidas y resolver problemas mucho más rápidamente que un experto humano. Por ello, los sistemas expertos son valiosos cuando los tiempos de respuesta son críticos.
   
4. 
   Los sistemas expertos se pueden utilizar cuando las operaciones son monótonas aburridas y puede que tengan algún peligro para los seres humanos. Un ejemplo claro de que los sistemas expertos que puede ayudar a que no se arriesgue la vida de un ser humano es la creación de aviones o capsulas espaciales dirigidas por sistemas expertos.
   

Los factores que se tienen en cuenta para la creación de un sistema experto son las siguientes:

• 
  Cuando el conocimiento es difícil de adquirir o se basa en reglas que sólo pueden ser aprendidas por medio de la experiencia.
  
• 
  Cuando la mejora del conocimiento es primordial y/o cuando el problema está sujeto a reglas o códigos que constantemente está cambiando.
  
• 
  Cuando los expertos humanos son escasos o son caros.
  
• 
  Cuando el conocimiento del tema es limitado.
  

Componentes de un Sistemas Expertos

Para la creación de un sistema experto es necesario entender los componentes básicos que lo componen, continuación se muestra y se describe cada uno de los componentes del sistema experto: [8]



Ilustración : Componentes típicos de un Sistema experto, tomado de Sistemas expertos: principios y programación de Giarratano y Riley

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1. Componente humana:

El sistema experto es el resultado de la colaboración de uno o varios expertos humanos especialistas en el tema del problema que se quiere resolver, además se necesita los ingenieros de conocimiento y los usuarios que van a ser los que van a tener interacción directa con el sistema experto.

Los expertos humanos son aquellos que ayudan a suministran el conocimiento básico en el tema, los ingenieros del conocimiento trasladan este conocimiento dado por el experto humano a un lenguaje que el sistema experto entiende. La colaboración de los expertos humanos, los ingenieros del conocimiento y los usuarios es un elemento importante ya que es lo necesario para el desarrollo del sistema experto.

2. Base de Conocimiento

La base de conocimiento es toda la información necesaria para la realización del sistema experto para ello el especialista es el responsable de suministrarle al ingeniero de conocimiento una base del conocimiento ordenada y estructurada, con un conjunto de relaciones definidas y explicadas. El cual son todas afirmaciones de validez como son las reglas.

3. Subsistema de Adquisición de Conocimiento

Este subsistema es el encargado de controlar el flujo del nuevo conocimiento del experto humano a la base de datos.

4. Control de la coherencia

Este componente controla la consistencia de la base de datos y evita que haya unidades de conocimiento inconsistentes en la misma

5. Motor de Inferencia

El motor de inferencia es el centro del sistema experto. El cual saca las conclusiones aplicando el conocimiento de los datos. Las conclusiones que el motor de inferencia saca se basan en el conocimiento determinista o en conocimiento.

6. Subsistema de adquirían de Conocimiento

Este subsistema se utiliza cuando el conocimiento inicial es muy limitado y no se pueden sacar conclusiones; el motor de inferencia utiliza este subsistema para obtener el conocimiento necesario y continuar con el proceso de inferencia hasta que se saque conclusiones.

7. Interface de Usuario

Esta interface es el enlace que se tiene entre el sistema experto y el usuario final. Por ello, para que el sistema experto sea una herramienta sea efectiva, se debe incorporar mecanismos que sean fáciles y agradables para el usuario final.

8. Subsistema de Ejecución de Ordenes

Este subsistema permite al sistema experto iniciar acciones. Estas acciones se basan en las conclusiones que el motor de inferencia saco.

9. El Subsistema de Explicación

Cuando el usuario pide explicación de las conclusiones sacadas por el sistema experto es necesario un subsistema que haga la explicación de la conclusión; este subsistema por lo general es un nuevo motor de inferencia.

10. Subsistema de Aprendizaje

El subsistema de aprendizaje es aquel en donde el sistema experto va tener la característica de aprender. Este aprendizaje pude se estructural o paramétrico. El aprendizaje estructural hace referencia a algunos aspectos relacionados con la estructura de conocimiento como lo es las reglas o las distribuciones probabilísticas. El aprendizaje paramétrico es el que estima los parámetros necesarios para construir la base de conocimiento.

Desarrollo de un Sistema Experto

En la siguiente imagen se muestra como se debe desarrollar un sistema experto:

Ilustración : Etapas en el desarrollo de un sistema experto [8]

• 
  Planteamiento del problema: Es la primera etapa en la cual se define cual va ser el problema que va resolver el sistema experto. Si este planteamiento se define mal el sistema experto va a dar conclusiones erróneas.
  
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  Encontrar expertos humanos: Esta etapa es la más importante cuando se quiere realizar una sistema experto ya que ellos son los que van ayudar a resolver el problema.
  
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  Diseño de un sistema experto: En esta etapa se realiza el diseño de la estructura para almacenar el conocimiento, el motor de inferencia, interface de usuario, etc.
  
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  Elección de la herramienta de desarrollo: En esta etapa se decide que lenguaje de desarrollo se va realizar el sistema experto.
  
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  Desarrollo y prueba de un prototipo: Esta etapa consiste en el desarrollo del prototipo, cuando ya se haya terminado el prototipo se puede realizar la pruebas requeridas. Si no pasa las pruebas se tiene que realizar las modificaciones necearías hasta que las el prototipo pase las pruebas y sea satisfactorio.
  
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  Refinamiento y generalización: En esta etapa se corrigen los fallos y se pude incluir nuevas posibilidades que no fueron incorporadas en el diseño inicial.
  
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  Mantenimiento y puesta al día: Esta etapa el usuario final plantea problemas o defectos del prototipo; el cual se corrige errores, se actualiza el producto.
  

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Sistema Basado en Reglas

Ilustración : Sistema basado en reglas
En la siguiente ilustración se muestra en qué consiste y cuál es la estructura de un sistema basado en reglas:

Aplicaciones para PC

Actualmente no se encuentra aplicaciones que diagnostique la aterosclerosis, pero se encuentra aplicaciones que ayuda al médico a detectar enfermedades cardiovasculares. A continuación se explica aplicaciones conocidas que ayuda a solucionar este problema:

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   Cardio Analysis Tool (SW)
   

Esta herramienta divide primero los vasos sanguíneos en segmentos e identifica luego las modificaciones en su diámetro. Como resultado le ayuda al médico a realizar un análisis con la imagen de la arteria que se encuentra marcada con diversos colores los estrechamientos, las calcificaciones y los lugares critico. [9]



Ilustración : Imagen proporcionada por el software Cardio Analysis Tool donde se ven los lugares críticos marcados con colores.

1. 
   Software para el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares
   

Este software fue desarrollado por la ingeniera Marcela Hernández Hoyos de la universidad de los Andes con asociación al Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas (INSA) de Lyon, con el laboratorio Creatis. El fin de este software es que con imágenes diagnósticas de las arterias carótidas y coronarias que arrojan la resonancia magnética y el TAC realizar el diagnóstico de las enfermedades cardiovasculares [10].



Ilustración : Imagen del software para el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares