Аннотация. В работе рассмотрен процесс медицинской диагностики с точки зрения науки о знаках – семиотики. Приведены основные идеи античной симптоматологии, а также центральные понятия семиотических теорий Ф. де Соссюра и Ч. Пирса. Обсуждается понятие знака как симптома заболевания. Показана связь диагностических экспертных систем и других методов искусственного интеллекта с медицинской семиотикой.
Ключевые слова: медицинская семиотика; нейронные сети; симптоматология; экспертные системы.
Центральным понятием в медицинской практике является диагностика. Процесс диагностики можно рассматривать с разных точек зрения. В частности, с точки зрения семиотики он может быть описан как процесс семиозиса – процесс интерпретации знаков. Знаками в данном случае выступают симптомы заболевания. Таким образом, диагноз, с точки зрения семиотики, можно рассматривать как ансамбль соматических симптомов, собранных в синтагму «болезни» [1]. Направление семиотики, посвящённое изучению моделей физиологических симптомов, называется симптоматологией или медицинской семиотикой.
Основы античной симптоматологии были заложены Гиппократом. Он сосредоточил внимание врачей на личности пациента и его жалобах как наиболее значимых аспектах диагностики. Римский медик Гален выделил три этапа медицинского обследования: анамнез, диагноз и прогноз. Таким образом, он рассматривал связь симптома с прошлым (анамнез), настоящим (диагноз) и будущим (прогноз) [6].
В античной медицинской теории было заложено понимание семиозиса как процесса, связывающего такие сферы человеческого существования как тело, сознание и культуру [1]. В процессе семиозиса тело выступает основой диагностики (источником симптоматологических знаков), а сознание и культура определяют процесс интерпретации знаков. Дальнейшее развитие семиотики отошло от симптомов заболеваний как основного предмета изучения. Внимание сместилось на изучение естественного языка как знаковой системы.
Основоположниками современной семиотики можно назвать швейцарского профессора лингвистики Фердинанда де Соссюра и американского логика Чарльза Пирса. Каждый из них разработал свою семиотическую теорию. Приведём вкратце основные понятия этих теорий, чтобы можно было проследить их связь с медицинской семиотикой. Ф. де Соссюр определили семиотику как «науку, изучающую жизнь знаков в рамках жизни общества» [5]. Предметом его семиотической теории является естественный язык как знаковая система. Центральным элементом теории является понятие знака. Соссюр определил языковой знак как двойственную сущность – единство означающего (акустического образа) и означаемого (понятия). Связь между «означающим» и «означаемым» является конвенциональной. Однако, принятая конвенция является общей для всех носителей определённого языка [4].
Медицинские симптомы и диагнозы представляют собой знаки. Например, слова «стенокардия» и «гипервентиляция». Эти слова как акустические образы или письменные знаки сами по себе не имеют смысла, они приобретают смысл во взаимосвязи с понятием болезни. Знаки также относятся к экстралингвистическим объектам, то есть к объектам физического мира. Путём обследований можно обнаружить, что симптом как знак относится к идентифицируемой физической сущности, к объекту реального мира.
Соссюр рассматривал язык как систему, независимую от внеязыковой физической реальности. Он не отвергал возможность связи языка и реальности, но, согласно его определению знака, как исключительно лингвистической сущности, он акцентирует внимание на социальных аспектах языка [6].
Согласно определению Соссюра, язык – это система взаимозависимых терминов, в которой ценность каждого из них определяется исключительно одновременным существованием всех остальных [5, с. 147]. Слова имеют ценность как знаки благодаря их одновременному отличию от остальных знаков. В слове важен не звук сам по себе, а те звуковые различия, которые позволяют отличить это слово от всех прочих [5, с. 150]. Рассматривая слова, обозначающие медицинские диагнозы, можно сказать, что они действуют как знаки благодаря тому, что позволяют отличить конкретное заболевание от всех остальных.
Чарльз Пирс определил знак как «нечто, стоящее вместо чего-то в каком-либо отношении или качестве» [7]. За этим определением Пирс пишет следующее. «Он адресован кому-то и создаёт в уме этого человека эквивалентный знак или, возможно, более продвинутый знак. Этот знак, который им порождён, я называю интерпретантом первого знака. Знак стоит вместо чего-либо, своего объекта.» [7]
В представленном определении знака есть три компоненты: исходный знак (репрезентамен), интерпретант и объект. Интерпретант описывает значение исходного знака [6]. Объект – это то, к чему относятся исходный знак и интерпретант. Это триадическое отношение (знак-объект-интерпретант) является неотъемлемой характеристикой любого знака.
Теория Пирса может быть рассмотрена в медицинском контексте. Приведём следующий пример, описанный в [6]. Врач общей практики А принял пациента и выслушал его жалобы на «боль в груди». Рассказывая об этом своему коллеге кардиологу, врач А создает знак «боль в груди». Кардиолог B может интерпретировать этот знак как признак стенокардии. Для кардиолога теория ишемических болезней сердца наделяет знак значением «стенокардия». Таким образом, врач А представил знак «боль в груди» (репрезентамен), врач B создал на его основе эквивалентный знак «стенокардия» (интерпретант). Предмет их обсуждения С («реальное заболевание») есть объект физического мира, к которому относятся упомянутые знаки. Знаки «боль в груди» и «стенокардия» могут относиться разным объектам. Например, у пациента может быть недиагностированная опухоль, которая стала причиной боли. В этом случае опухоль будет объектом, к которому относится знак «боль в груди».
Особый интерес для медицины представляет собой связь между знаком заболевания (симптомом) и самим заболеванием, которое считается объектом знака. В зависимости от природы отношения между знаком и объектом, Пирс выделяет три категории знаков: знаки-символы, знаки-иконы и знаки-индексы.
Примером знаков-символов могут служить слова естественного языка. В данном случае связь между знаками и объектами искусственна и конвенциональна. Примером использования знаков-символов в медицине является сбор анамнеза.
Знаки-индексы определённым образом связаны с соответствующими им объектами. Например, эта связь может носить причинно-следственный характер. Так, дым означает огонь, «язык тела» имеет тесную связь со знаками-индексами [6].
Знак-икона – это знак, который подобен объекту, с которым он связан. В медицине примером знаков-икон являются рентгеновские снимки и любые другие технологические визуализации.
Различия между перечисленными типами знаков имеют условный характер. Пирс говорил, что найти абсолютный индекс или абсолютный символ (лишённый качеств индекса) сложно, если вообще возможно [6]. В области медицинской семиотики, например, эти трудности относятся к символическому и индексальному знаку «боль». Несмотря на то, что для разных болезней используется один и тот же знак «боль», существует значительная разница между пациентом, который спокойно говорит о головной боли, и пациентом, который кричит от боли. В первом случае знак «боль» можно считать знаком-символом, а во втором – знаком-индексом.
Итак, с точки зрения теории Пирса, диагноз представляет собой интерпретацию исходного знака симптома. С точки зрения теории Соссюра, диагноз – это лингвистический знак, который используется для того, чтобы обозначить, что пациент «имеет» заболевание. Подход Пирса представляется более широким, так как он учитывает связь знака с объектом реального мира, а не рассматривает знак как исключительно языковую сущность.
Диагноз не является существующим фактом, он является лишь лингвистической и когнитивной структуризацией реальности, способом интерпретации опыта и ощущений [6]. Несмотря на это научная медицина основана на предположении, что диагноз должен иметь связь с объектом реального мира. Реальность единственна независимо от того, как разные врачи её интерпретируют. Таким образом, встаёт вопрос, как определить связь между знаком (например, «боль в груди») и объектом (ситуацией в реальном мире)? К выявлению этой связи можно подойти с различных точек зрения. Рассмотрим научный и герменевтический подходы.
При научном подходе субъективное мнение отделяется от объективной ситуации. Этот подход допускает, что мнение врача может быть неверным или неполным. Таким образом, корректность или некорректность диагноза может быть проверена путём объективных обследований, которые должны следовать определённой методологии.
При герменевтическом подходе субъективный опыт и интерпретации имеют преимущество над объективными фактами [6]. Герменевтический подход включает в себя как личностные, так и межличностные аспекты интерпретации: точки зрения пациента и врача, а также их взаимодействие друг с другом. Таким образом, связь диагноза с реальностью осуществляется на ментальном уровне.
Один и тот же симптом, в зависимости от выбранного подхода, может быть интерпретирован по-разному. Для интерпретации симптома требуется набор «кодов». Врач выбирает «код» с учётом своего опыта и знаний. Одному симптому может соответствовать несколько «кодов», и все они имеют определённый смысл, рассматривая симптом с различных точек зрения. Выбирая «код», врачи являются «создателями смысла», и диагнозы приобретают свою ценность как знаки, наделённые смыслом, только при взаимодействии врача с пациентом.
Пирс утверждал, что вся жизнь человека – это процесс бесконечного семиозиса. Мышление, как один из важнейших аспектов жизни человека, также является частью этого процесса. Эта идея сыграла значительную роль в развитии такого научного направления как искусственный интеллект, основной задачей которого является создание программно-аппаратных средств для моделирования тех видов человеческой деятельности, которые традиционно считаются интеллектуальными. Мышление, безусловно, относится к таким видам деятельности.
В рамках искусственного интеллекта выделяют семиотический (символьный) подход, который основан на предположении о том, что любая система, проявляющая интеллект, должна действовать по принципу манипулирования структурами данных, состоящими из символов [3, с. 57]. Это предположение носит название гипотезы Ньюэлла-Саймона. В рамках семиотического подхода был разработан класс систем, оперирующих знаниями в символьной форме для решения прикладных задач в определённой предметной области. Такие системы получили название экспертных систем (ЭС).
Первые крупные успехи в разработке экспертных систем были достигнуты в сфере медицины, а именно в 70-х годах прошлого века в Стэнфордском университете была разработана система MYCIN. Эта экспертная система была предназначена для диагностики и лечения заболеваний крови. В её функции входило определение типа микроорганизма, который вызвал заражение, и выработка рекомендаций по лечению.
Результат интерпретации симптомов (диагноз) определяется опытом и знаниями врача. Диагностические экспертные системы призваны помочь врачу в интерпретации симптомов. Они позволяют преодолеть ограниченность знаний отдельных врачей и предоставляют возможность объединить знания ведущих экспертов в определённой области и предоставить их в качестве инструмента широкому кругу специалистов. Это повышает точность и обоснованность устанавливаемых диагнозов.
Экспертные системы требуют, чтобы знания экспертов были представлены в формализованном виде. Для этого используются различные формальные модели представления знаний (продукционная модель, фреймовая модель, семантические сети). Модель представления знаний определяет способы их извлечения для решения конкретной задачи. Так, например, для продукционной модели определяется механизм логического вывода, который на основании исходных фактов и правил, хранящихся в базе знаний, строит цепочку вывода. По ней можно понять, каким образом ЭС выводит заключение. Перечисленные модели оперируют знаниями в символьной форме. Так, например, они не подходят для работы с визуальными образами (которые можно рассматривать как знаки-иконы с точки зрения семиотики).
В искусственном интеллекте также выделяют бионическое направление, в рамках которого предпринимаются попытки смоделировать деятельность мозга. Одним из классов моделей, разработанных в рамках этого направления, являются искусственные нейронные сети (ИНС). Они представляют собой системы, которые могут обучаться на основании прецедентов. В нейронных сетях, в отличие от экспертных систем, знания представлены в неявном виде. Они закодированы в значениях синаптических весов, которые настраиваются в процессе обучения сети. Таким образом, нейронная сеть извлекает знания из представленных данных самостоятельно. Такой подход, с одной стороны, позволяет решать задачи, которые нельзя сформулировать в терминах символьного подхода (например, задача распознавания образов), но, с другой стороны, возникает проблема объяснения полученного решения.
В качестве примера использования искусственных нейронных сетей в медицине можно привести задачу обнаружения патологии на рентгеновских снимках или МРТ-снимках. Интерпретация МРТ-снимков – сложный и трудоёмкий процесс, требующий высокой квалификации врача. Сложность этого процесса состоит в том, что зачастую область с патологией имеет смутные очертания, а также в том, что врачу приходится анализировать не один снимок, а сразу серию снимков. ИНС позволяют определять область с патологией на снимках. Такая автоматизация значительно ускоряет процесс интерпретации. В некоторых случаях ИНС распознаёт патологию не хуже врачей [8]. Однако, на данный момент преимущество остаётся на стороне врачей, так как их заключение основано не только на визуальных данных, но и на истории болезни.
В данной работе рассмотрен процесс медицинской диагностики с точки зрения науки о знаках – семиотики. Прослеживается развитие научной мысли в области медицинской семиотики, начиная от античной симптоматологии и заканчивая современными автоматизированными диагностическими системами.
В заключение, можно сделать вывод, что семиотическая интерпретация помещает медицинскую науку в более широкий контекст, связывая процесс диагностики и мыслительные процессы. Это позволяет строить автоматизированные диагностические системы, моделирующие процесс размышлений врача при постановке диагноза. Такие системы предоставляют новые инструменты для исследования взаимосвязи между симптомом и заболеванием, а также преображают клиническую практику, являясь мощным двигателем социального прогресса.
From ancient symptomatology to modern diagnostic expert systems and technologies
Kruzhalov A.S.,
Graduate student Moscow Polytechnic University, Moscow
Annotation.This article discusses the process of medical diagnostic from semiotic point of view. The main ideas of ancient symptomatology and the main concepts of Saussure's and Peirce's semiotics theories are presented. The concept of sign as a disease symptom is discussed. The connection of medical semiotics with diagnostic expert systems and other artificial intelligence methods is showed.
Keywords: medical semiotics; neural networks; symptomatology; expert systems.
- Найман Е.А. Античная медицинская симптоматология и современная семиотическая теория // Schole, СХОЛЭ. 2014. №2. C. 473-479.
- Пирс Ч.С. Что такое знак? // Вестник Томского государственного университета. 2009. T. 7. № 3. C. 88-95.
- Рассел C., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход, 2-е изд.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. 1408 с.
- Федотова М.Г. Понятие «означивание» в семиотических теориях Ф. де Соссюра и Ч.С. Пирса // Известия ПГУ им. В.Г. Белинского. 2012. № 27. C. 417-421.
- Ф. де Соссюр Курс общей лингвистики / Редакция Ш. Балли и А. Сеше; Пер. с франц. А. Сухотина. Де Мауро Т. Биографические и критические заметки о Ф. де Соссюре; Примечания / Пер. с франц. С. В. Чистяковой. Под общ. ред. М. Э. Рут. Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 1999. 432 с.
- Nessa J. About signs and symptoms: Can semiotics expand the view of clinical medicine? // Theor. Med. 1996. vol. 17. № 4. Page 363-377.
- Peirce C. S. The Collected Papers of Charles Sanders Peirce, Vol. II: Elements of Logic, edited by Charles Hartshorne, Paul Weiss, Arthur W. Burks – Cambridge: Harvard University Press, 1932.
- Rajpurkar P., Irvin J., et al. CheXNet: Radiologist-Level Pneumonia Detection on Chest X-Rays with Deep Learning // CoRR. 2017. vol. Abs / 1711.0.
- Nayman E. A. Ancient medical symptomatology and modern semiotic theory // Schole. 2014. № 2. Page 473-479.
- Peirce C.S. What is a sign? // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. 2009. vol. 7. № 3. Page 88-95.
- Russell S., Norvig P. Artificial Intelligence: A Modern Approach, 2nd Edition Per. s angl. M.: Izdatel'skiy dom «Vil'yams», 2006. 1408 pages.
- Fedotova M.G. The concept of «signification» in the semiotic theories of F. de Saussure and C. S. Peirce // Izvestiya PGU im. V.G. Belinskogo. 2012. № 27. Page 417-421.
- F. de Saussure. Course in general linguistics/ Redaktsiya Sh. Balli i A. Seshe; Per. s frants. A. Sukhotina. De Mauro T. Biographical and critical notes about F. de Saussure; Notes / Per. with french S.V. Chistyakova. Pod obshch. reya. M. E. Rut. Ekaterinburg: Izd-vo Ural. Un-ta, 1999. 432 pages.
- Nessa J. About signs and symptoms: Can semiotics expand the view of clinical medicine? // Theor. Med. 1996. vol. 17. № 4. Page 363-377.
- Peirce C. S. The Collected Papers of Charles Sanders Peirce, Vol. II: Elements of Logic, edited by Charles Hartshorne, Paul Weiss, Arthur W. Burks – Cambridge: Harvard University Press, 1932.
- Rajpurkar P., Irvin J., et al. CheXNet: Radiologist-Level Pneumonia Detection on Chest X-Rays with Deep Learning // CoRR. 2017. vol. Abs / 1711.0.