The usefulness of pattern recognition methods and artificial neural networks in occupational medicine

• Autorzy: Kolarzyk E. , Kwiatkowski J. , Helbin J. , Pietrzycka A.

Warianty tytułu

PL

Przydatność zastosowania analizy składowych głównych oraz sztucznych sieci neuronowych w medycynie pracy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

OBJECTIVE: Environmental exposition in the workplace of welders to free radicals and Reactive Oxygen Species (ROS) is multifactor and the response of their organisms to this exposition may be complex. This is why a wide range of clinical, biochemical and spirometrical measurements are performed to reveal early abnormalities in welders’ health status. In order to estimate the relations between obtained results of examinations and to reduce the dimensionality of the relatively large set of data, two methods have been used: 1. Pattern recognition methods: principal components analysis (PCA) and mutual contributions analysis (MCA). 2. Artificial Neural Networks (ANNs). METHODS: There were 94 welders employed in Huta Sendzimira in Kraków, Poland (men only, aged 29–57, all active smokers) occupationally exposed to O3 and NOx under examination. They underwent biochemical measurements including: Total Antioxidant Status (TAS) and anti-oxidative defense enzymes level: Superoxide Dismutase (SOD) and Catalase (CT); biomineral levels: Fe, Cu, Zn, Mg in blood serum and in hair, the concentrations of albumins, bilirubin and uric acid in blood. The determination of respiratory efficiency was based on a “flow-volume” curve and spirometry. The dependent variables for ANNs were: TAS, SOD, and CT. RESULTS: Both methods were useful for reduction of the dimensionality and were suitable for complex analysis and relatively large set of parameters when it was unknown which of these parameters were related. PCA showed that the most relevant parameters were: FEV1, MEF50, bilirubine, Fe, Zn, Cu (all elements in blood, not in hair) TAS and SOD. Only the relations of MEF50, Cu and TAS were statistically valid. ANNs found statistically valid relationship between TAS and Zn and Cu in blood and two pulmonary parameters: FEV 1 and MEF 25/75. CONCLUSIONS: Both methods proved the existence of less known relation between antioxidant defense and the efficiency of the respiratory tract in smoking welders. This relation is important for occupational medicine.

PL

Źródło ekspozycji na wolne rodniki i reaktywne pochodne tlenu w środowisku pracy spawaczy jest wieloczynnikowe, a odpowiedź organizmu na tę ekspozycję może być ogólnoustrojowa. W związku z tym dla określenia charakteru i stopnia natężenia tej odpowiedzi wykonywany jest szeroki zakres badań klinicznych, biochemicznych i laboratoryjnych. Uzyskane z badań diagnostycznych wyniki wykazują różny stopień wzajemnych zależności. W celu uściślenia relacji między nimi oraz wyselekcjonowania parametrów istotnie ze sobą powiązanych zastosowane mogą być 2 metody: 1. PCA (Principal Components Analysis) – Analiza Składowych Głównych i MCA (Mutual Contributions Analysis) – Analiza Wzajemnych Udziałów. 2. Sztuczne Sieci Neuronowe (ANNs). Badaniami objęto 94 spawaczy w wieku 29-57 lat zatrudnionych w Hucie im. T. Sendzimira w Krakowie. Wszyscy badani mężczyźni byli palaczami papierosów, a w miejscu pracy byli wystawieni na działanie ozonu i tlenków azotu w stężeniu przekraczającym NDS. W ramach badań okresowych mieli wykonane pomiary równowagi oksydacyjno- antyoksydacyjnej, obejmujące całkowitą wydolność antyoksydacyjną (TAS) i aktywność enzymów: dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) i katalazy (CT); oznaczenia stężeń składników mineralnych: Fe, Cu, Zn, Mg w krwi i we włosach oraz oznaczenia stężeń albuminy, bilirubiny i kwasu moczowego we krwi. Oznaczono również parametry określające wydolność układu oddechowego, które uzyskano z krzywej „Przepływ- objętość ” i spirometrii. Zmiennymi zależnymi dla ANNs były TAS, SOD, CT. Obie metody okazały się użyteczne w redukcji rozproszenia rezultatów uzyskanych z badań diagnostycznych. Były również przydatne w kompleksowej analizie dużej liczby wyników, a jednocześnie w uściśleniu tych relacji, które są ważne z medycznego punktu widzenia. Metoda PCA wykazała, że najistotniejszymi parametrami były: TAS i SOD, bilirubina, Fe, Zn, Cu (oznaczane we krwi, a nie we włosach) oraz FEV1, MEF50. Tylko relacja między MEF50, Cu i TAS była istotna statystycznie. Metodą sieci neuronowych uzyskano istotny związek między TAS oraz Zn i Cu we krwi i dwoma parametrami wentylacyjnymi: FEV1 i MEF25/75. Przy użyciu obu metod udowodniono mniej znany związek między wydolnością antyoksydacyjną i sprawnością wentylacyjną układu oddechowego spawaczy będących czynnymi palaczami tytoniu. Znajomość tych relacji jest ważna dla lekarzy medycyny przemysłowej.

Słowa kluczowe

EN

pattern recognition methods; principal components; analysis; mutual contributions analysis; artificial neural networks; respiratory tract; total antioxidant status

PL

analiza składowych głównych; analiza wzajemnych udziałów; sztuczne sieci neuronowe; układ oddechowy; wydolność antyoksydacyjna

• Wydawca: Uniwersytet Jagielloński - Collegium Medicum ; Index Copernicus Sp. z o.o.
• Czasopismo: Bio-Algorithms and Med-Systems
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 1, no. 1/2
• Strony: 21--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kolarzyk E.

• Zakład Higieny i Ekologii, Wydział Lekarski Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego 31-034 Kraków, ul. Kopernika 7

autor

Kwiatkowski J.

• Zakład Higieny i Ekologii, Wydział Lekarski Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego 31-034 Kraków, ul. Kopernika 7

autor

Helbin J.

• Zakład Higieny i Ekologii, Wydział Lekarski Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego 31-034 Kraków, ul. Kopernika 7

autor

Pietrzycka A.

• Samodzielna Pracownia Radioligandów, Wydział Farmaceutyczny, Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego, 30-688 Kraków, ul. Medyczna 9/119

Bibliografia

• 1. Wolf C., Pirich C., Valic E., Waldhoer T.: Pulmonary function and symptoms of welders, Int Arch Occup Environ Health, 69: 350-3, 1997.
• 2. Sobaszek A., Edme JL., Boulenguez C., Shirali P., Mereau M., Robin H., at al.: Respiratory symptoms and pulmonary function among stainless steel welders, J Occup Environ Med, 40: 223-9, 1998.
• 3. Abrashitova N. F.: Indices of lipid peroxidation and antioxidants in workers of ecologically unfavorable productions Aviakosm, Ekol. Med, 33: 71-74, 1999.
• 4. MacNee W.: Oxidants/Antioxidants and COPD, Chest 117, 303S-317S, 2000.
• 5. Wold S.: Principal component analysis, Chemokkjmed. Intel. Lab. Systems,2: 37-52, 1987.
• 6. Baxt S., William G.: Application of artificial neural networks to clinical medicine, Lancet, 364: 1135-1138, 1995.
• 7. Bilski J.: The back propagation learning with logarithmic transfer function, Proceedings of the 5th Conference Neural Networks and Soft Computing, 71, Zakopane 2000.
• 8. Bourquin J., Shmidli H., van Hoogevest P., Leuenberger H.: Advantages of artificial neural networks (ANNs) as alternative modelling technique for data sets showing non-linear relationship using data from a galenical study on a solid dosage form. Eur. J Pharmac., Science 7: 5-16, 1998.
• 9. Tadeusiewicz T.: Elementary introduction to neural networks technique with exemplary programme, pp. 1-51, PLJ Warszawa 1999.
• 10. Yager R. R., Filev D. P.: Polish edition of: Essentials of fuzzy modelling and control, John Wiley & Sons, Inc. WNT Warszawa 1994.
• 11. Hertz J., Krogh A., Palmer R. G.: Introduction to neural calculations theory. 2nd ed. Warszawa, WNT 1995.
• 12. European Community for Coal and Steel. Standardisation of lung function tests. Bulletin of European Physiopathology and Respiration, 19, suppl 5, 1989.
• 13. Stępniewski M., Kolarzyk E., Pietrzyka A., Kitliński M., Helbin J., Brzyszczan K.: Antioxidant enzymes and pulmonary function of welders employed in steel mill. A simple description. Int. J Occup. Med. Environ. Health, 16: 41-47, 2003.
• 14. Stępniewski M., Kolarzyk E., Zagrodzki P., Solarska K., Pietrzyka A., Kitliński M., Schlegel-Zawadzka M., Batko B.: Pattern Recognition Methods in evaluation of the structure of the laboratory data biominerals, antioxidant enzymes, selected biochemical parameters, and pulmonary function of welders, Biol. Trace Elem, Res., 93: 39-46, 2003.