CC BY
145
ISSN 2079-0031 Вестник НТУ "ХПИ", 2015, № 32 (1141) УДК 004.415.2
О.1. ДОРОШ, ст.викл., НУ "Киево-Могилянська aKaAeMiH", Ки!в
МЕДИЧНИЙ МОБШЬНИЙ ПРИСТР1Й НА БАЗ1 ОС ANDROID
В робот! розглянуто створення медичного пристрою для систем мобшьно! медицини (m-health) з врахуванням особливостей ОС ANDROID та способу реестраци ф1зюлопчних показнигав. Запропоновано структуру та алгоритм роботи комплексно! багатор1внево!' мобшьно!' персонатзовано!' системи тривалого спостереження, анатзу та контролю ф1зюлопчних показнигав здоров'я людини з подвшним доступом для пащенпв та лжар1в. Представлено результати тестових та експериментальних дослщжень з використанням розробленого пристрою. 1л.: 2. Б1блюграф.: 10 назв.
Ключов1 слова: система мобшьно!' медицини, ОС ANDROID, медичний пристрш, мобшьна персонатзована система тривалого спостереження.
Постановка проблеми та анал1з лггератури. Сучаснi медичнi iнформацiйнi системи (М1С) в основному подiляються на професшш М1С для обслуговування великих медичних закладiв та медичнi калькулятори-програми для обчислення окремих медичних показнишв [1, 2]. Професiйнi М1С з З^вневою арх1тектурою забезпечують iнтеграцiю електронно! медично! картки з дiагностичним обладнанням та дозволяють отримати данi з лабораторних аналiзаторiв для подальшо! обробки. Концепцiя побудови таких систем орiентована лише на спецiалiстiв-професiоналiв i надае обмежений доступ до довщково! шформацп або консультацiй користувачам-пацiентам. Медичнi калькулятори можуть використовувати пересiчнi користувачi, але вони мають дуже обмеженi функцюнальш можливостi. При застосуваннi мобiльних технологш лiкарi, як правiло, отримують первшш данi про стан здоров'я пащенпв у виглядi параметрiв, графiкiв. анкет або фото-вiдео-матерiалiв через смартфони, аналiзують !х за допомогою традицшних методiв без використання мобiльних додатшв та надають on-line консультаци [3].
Актуальною задачею персонально -орiентованоl медицини е створення комбшованих iнформацiйно-комп'ютерних систем, що надають можливiсть пацiентам самостшно контролювати життево-важливi показники власного здоров'я, а лшарям - контролювати стан здоров'я сво!х пацiентiв у режимi вiддаленого доступу та проводити професiйний аналiз результатiв спостереження за допомогою спещальних мобiльних програм-додаткiв з метою своечасного та ефективного корегування л^вальних та профiлактичних заходiв [2]. Одним з перспективних напрямшв розвитку iнформацiйно-комп'ютерних та телекомунiкацiйних технологiй е розробка систем з медичними
© О.1. Дорош, 2015
гаджетами - моб№ними пристроями з вбудованими засобами для реестрацп ряду фiзiологiчних параметрiв, контролю фiзичноl активностi, якостi сну та iH. [3 - 7]. Серед них можна видiлити групу гаджепв (фiтнес-браслети, ЕКГ-монiтори, спортивнi годинники, навушники та iн.), що дозволяють з високою точшстю вимiрювати та контролювати показники, що характеризують стан серцево-судинно! системи (пульс, артерiальний тиск, ЕКГ та iн.), та вiдображати результати на екраш мобiльних пристро!в [5 - 9]. Програмне забезпечення (ПЗ) для таких пристро!в, як правило, розробляеться i безкоштовно поставляеться у якосп додатка фiрмами-виробниками i тому е вузькоспецiалiзованим. £ розробки ПЗ медичного призначення i у фiрм-виробникiв смартфонiв. Наприклад, додаток S Health для смартфошв Galaxy [8]. Програма дозволяе за допомогою датчиков та приладiв, таких як глюкометри, пульсометри, монiтори АТ та iн. вимiрювати важливi медичнi показники та через Bluetooth або USB-порт передавати !х на смартфон, де вони представляються у виглядi таблиць або графшв. Також е можливiсть контролювати вагу тша, пiдраховувати калори, нагадувати про необхшшсть прийняття лiкiв i т.п. Пропонуеться також мобiльний додаток для гшертоншв "Парацельс" [6], який призначений для контролю АТ. При встановленш цього додатку можна вести особистий "Щоденник гшертошка"; розраховувати основнi показники (пульсовий тиск, дельти значень САТ, ДАТ, ЧСС, вдекс маси тша (1МТ), iндекс ожирiння тiла (ЮТ), шдекс вiдношення об'ему талл до об'ему стегон (iндекс ОТ/ОС) за допомогою вбудованих медичних калькуляторiв; будувати графiки динамiки змiн параметрiв, вести зручний щоденник прийому лiкiв. Концепщя побудови програмного додатку "Парацельс" орiентована на користувача-пацiента i полягае у створенш однорiвневоl структури для реестрацп, контролю та графiчного ввдображення параметрiв АТ, ЧСС, антропометричних показник1в (первинна шформащя), розрахунку деяких iндексiв та формування щоденник1в та звiтiв. Додаток також дозволяе звертатися до лiкарiв за консультащею, але не надае програмних iнструментiв спецiалiстам для проведения професшного аналiзу первинних даних (тобто у додатку ввдсутнш рiвень комплексного професшного аналiзу).
Недолiком також е те, що для вимiрювання низки параметрiв потрiбно шдключати зовнiшнi медичш прилади, або вводити параметри вручну. Також для вимiрювань потрiбно прикладати палець до скануючо! поверхиi один або дешлька разiв, тобто вимiрювання вiдбуваються у нерiвномiрному дискретному режима 1х неможливо проводити п1д час сну, коли контролювати змши ЧСС та коливання АТ бувае життево
необхадно. У CTpyKTypi не передбачена можливють проведения скриншгових дослвджень на 6a3i анкетування.
На основi проведеного аналiтичного огляду встановлено, що iснyючi пpофесiйнi М1С не оpieнтованi на задачi персонал1зовано1 медицини. Медичнi калькулятори, гаджети та вшповвдне програмне забезпечення не е комплексними, в основному оpieнтовано на спостереження за показниками щд час фгтнесу та спорту для контролю та ошгашзацп режиму тренувань та ращонального харчування, а також для контролю piвня фiзичного навантаження у побутових умовах та не виpiшyють багатьох проблем персонал1зовано1 мобшьно! медицини. У таких системах ввдсутш програмш засоби для проведення комплексного професшного анал1зу первинних даних та анкетування.
Тому актуальною задачею е розробка спещал1зованого програмного забезпечення для мобшьних медичних систем з врахуванням особливостей моб№них опеpацiйних систем (ОС) та способу реестрацп показник1в (вбyдованi сенсори, медичш вимipювальнi прилади, ручне введення даних з клаыатури та ш.), а також програм-додатк1в, що дозволять проводити комплексний анал1з отриманих показнишв на бiльш високому пpофесiйномy piвнi з участю медичних пpацiвникiв.
Таким чином, можна забезпечити багатоpiвневy структуру з подвшним доступом: на першому piвнi коpистyвачi можуть самостiйно контролювати стан свого здоров'я та piвень фiзичноl активностi та проводити нескладш розрахунки за допомогою медичних калькyлятоpiв, а на другому piвнi, коли потpiбен комплексний аиалiз отриманих даних, доступ до професшного програмного забезпечення надаеться лшарям-спецiалiстам з метою бшьш детального дослвдження pезyльтатiв вимipювання та експpес-аналiзy даних i формування ввдповвдних pекомендацiй.
Такий пiдхiд також е дощльним при вибоpi лжарських пpепаpатiв, !х дозyваннi та оптимiзацil часу прийому (наприклад, на основi тривалого монiтоpингy ЧСС пiд час прийому призначених л1к1в). Контроль ЧСС або АТ можливий також шд час сну. На мобiльнi пристро! можна безпосередньо встановлювати pозшиpенi програмш додатки для лiкаpiв або !х бiблiотекy з оpганiзацiею доступу до серверно! частини мобiльного комплексу.
Важливою задачею також е розробка мобшьних програм-додатшв для проведення скpинiнгових дослщжень [9] за допомогою анкетування (наприклад, для ощнювання стpесостiйкостi). Це надасть можливiсть поpiвнювати сyб'ективнi оцiнки стану здоров'я (по результатах опитування) з об'ективними результатами вимipювання фiзiологiчних
napaMeTpiB за допомогою медичних датчиков або np^aAiB та опти]шзувати процес лiкувaння або щдтримки здоров'я.
Мета роботи - розробка структури та алгоритму роботи бaгaторiвнево! комплексно! моб№но! персонaлiзовaно! системи для тривалого спостереження, aнaлiзу та контролю фiзiологiчних покaзникiв здоров'я людини; створення програмного забезпечення для таких систем на основi ОС Android з використанням iнтегровaного середовища розробки Android studio [10]; проведения тестових та експериментальних дослвджень з використанням розроблених програм та сучасних медичних гаджепв (типу смaрт-брaслетiв MioFuse [7]).
Розробка структури та алгоритму роботи мобшьноТ персоналiзованоl■ медичноТ системи. Для реaлiзaцi! поставлено! зaдaчi було запропоновано концепцiю створення бaгaторiвнево! комплексно! моб№но! персонaлiзовaио! системи з кл1ент-серверною архитектурою. Структурна оргaнiзaцiя клieнт-серверно! частини тако! системи для задач персонaлiзовaно! медицини передбачае, що на рiвнi ктентсько! частини виконуються процедури iдентифiкaцi! користувaчiв; передача даних вiд медичних датчиков, прилaдiв або внесення даних вимiрювaиь з клaвiaтури; формування локально! бази даних, модуля локальних обчислень, опитувань, експрес-aиaлiзу та вiдобрaжения результaтiв. На серверi формуеться глобальна база даних та проводиться комплексний анал1з (наприклад, вaрiaбельностi серцевого ритму), результати якого використовуються при формуванш корегуючих рекомендацш. У блоцi рекомендaцiй передбачено декшька модулiв, що дозволяють контролювати прийом л1карських препaрaтiв, рiвень фiзично! активносп, рaцiон харчування та iн., а також проводити адаптацш до потреб конкретного користувача На рис. 1 приведено структурну оргашзащю тако! системи.
Даш експрес-анал1зу характеризують поточний стан здоров'я користувача та шформують його про небезпечш для здоров'я змши фiзiологiчних показник1в оргaиiзму. Комплексний aнaлiз проводиться професiйними медиками з метою раннього виявлення можливих пaтaлогiй. Спектральний aнaлiз вaрiaбельностi серцевого ритму (ВСР) е важливим iнструментом дослвдження функционального стану оргaнiзму людини. Розробка узагальненого алгоритму швидких спектральних перетворень у рiзних ортогональних базисах функцiй та вщповвдного програмного забезпечення надасть можливють вибору оптимального з точки зору шформативносп та швидкостi обчислень базису функцш та покращить рiвень дiaгностичних та профiлaктичних зaходiв.
Рис. 1. Структура мобшьно! персон^зовано! системи ан^зу та контролю фiзiологiчних показниюв здоров'я людини
Алгоритм узагальненого спектрального аналiзу ВСР у рiзних ортогональних базисах з активним використанням пауз. Один з фундаментальних методiв комплексного аналiзу ВСР заснований на реалiзацil швидких спектральних перетворень (ШСП) у рiзних ортогональних базисах функцiй (Фур'е (ШПФ), Уолша (ШПУ), Хаара (ШПХ) та iн.). Так1 алгоритми вiдрiзняються органiзацieю обчислень, послiдовнiстю слiдування спектральних коефiцieнтiв та iншими параметрами, але в той же час структура таких ШСП мае едину основу, що дозволяе побудувати узагальнену схему !х реалiзацil програмними методами. При побудовi алгоритму за основу було вибрано алгоритм Гуда iз замщенням. Базова операщя ШСП з прорщжуванням за частотою описуеться виразом:
X (j) = [X,_1(j)+x+k)]- s, j,
X (j+k)=X -j xi_1(j+k)]- s, у+k,
де Xi(j) - значення результатiв промiжних обчислень на кожнш i-й ггерацп; i =1, 2, ..., log N - номер ггерацп; j = 0, 1,..., N - 1 - поточний номер вхвдно! вибiрки або промiжного результату; Sy - ваговi коефiцiенти у базовiй операци; k = 21-1. При використаннi ШСП з прорiджуванням по часу у базовш операцп спочатку виконуеться
оперaцiя множення промiжного результату на ваговий коефщент, а попм оперaцiя додавання /ввдшмання:
xt (j) = [X,-1(J) ■ S,-1, J + X^ij-+k )■ j], Xt ij + k) = [Xi_1 ij) ■ j - X,_! (j + k) J+k ].
Значення вагових коефiцiентiв для кожного з базиав можна обчислити наступним чином:
Для базиса Уолша: SW = 1, для базиса Хаара:
SH = ak, a = 42, i = 1, 2, ...,logN , j = 2-1 ^2p + 5), p = 0,1, ...,(n/2i)-1, k = ilogN - ,)■ s , 5 = 0,1.
Для шших значень параметра j вaговi коефiцiенти у бaзiсi Хаара дорiвнюють нулю, тому структура алгоритму е розрвдженою.
Розглянутий узагальнений алгоритм швидких спектральних перетворень у рiзних базисах функцiй дозволяе реал1зувати !х у виглядi окремих щдпрограм. Враховуюч^ що для початку обчислень у запропонованш структурi необхвдно поступлення перших двох ввдлМв вхiдного сигналу, можна сумютити процес обробки даних з !х поступленням, а час паузи активно використовувати для виконання промiжних обчислень. Алгоритм швидкого перетворення з активним використанням пауз (ШПУА-П) може бути реaлiзовaно на бaзi швидкого перетворення Уолша-Адамара, який мае iтерaцiйну структуру. Перех1д на кожну наступну iтерaцiю вiдбувaеться у тому випадку, коли пройдено два вщповвдних блока оперaцiй на попереднш гтерацп, а якщо умова не виконуеться, то ввдбуваеться повернення на першу гтеращю. Таким чином, обробка даних вщбуваеться вiдрaзу на дешлькох iтерaцiях i до моменту, коли прийде остання пара вибiрок дослвджуваного сигналу, бiльшу частину алгоритму буде вже пройдено.
Результати тестових та експериментальних дослщжень. Для
написання программ для мобшьних пристро!в на основi ОС Android можна використовувати штегроване середовище розробки Android studio [10]. Одним з тестових приклaдiв розробленого программного забезпечення для m-health систем е програма "Your nervus" для смартфошв та плaншетiв з OC Android. Вона мютить 3 складових частини: файл activity_main.xml - задае вигляд екрану, файл strings.xml -формуе список тестових питань, Файл MainActivity.java - призначений для обробки результапв (рахуе кiлькiсть вiдповiдей "так" або "т" згiдно
шаблону-ключу. У простому випадку кожна вщповщь "так" зб№шуе кшьшсть набраних балiв, а при вщповщ "нi" додаеться 0 балiв). В залежностi ввд набрано! шлькосп балiв формуеться вiдповiдь-результат.
Для систем персоналiзованоl медицини важливою задачею також е розробка програмованих мобшьних пристро1в з багатоконтурною адаптацiею, яш дозволять тривалий час контролювати життево-важливi фiзiологiчнi показники здоров'я людини (пульс, тиск, ВСР та ш.), збертати 1х у пам'ятi мобiльного пристрою або у базi даних для подальшого аналiзу та формування вдивщуальних рекомендацiй щодо корекцп стану здоров'я. Тестування цього програмного забезпечення дозволило убедиться в його працеди.
При роботi з медичними гаджетами з вбудованими датчиками пульсу (практично було використано фггнес -браслет МюБше) на екраш смартфону можна отримати шформацш про максимальне та середне значення ЧСС, дистанцш, задати дiапазон для кардюзон та отримати графiчне зображення змiни ЧСС у часi (рис. 2).
в'I'll I ts » [Kl 19:07
< Back B-ZONE Save I
■'¡¿МАХ HB BPM
ZONE 5
Maximum
ZONE 4
laid
81 ZONE 3 100
Moderate
61 ZONE 2 30
Light
51 ZONE 1 60
very Lighl
30 REST so
Тар Н и target zone to change it
RESET ZONE DFFAÜLTS
< Back Walking
63 10:00:00 4,92
AVG HR TIME DISTANCE(km)
О
Statistics AVG MAX/BEST
Ç^) Heart Rate (7) Speed(km/h) Pace
Рис. 2. Дослщження ЧСС з фiтнес-браслетом MioFuse
В експериментi контроль (рис. 2) ЧСС проводився протягом 10 годин. Пройдено дистанщю 5 км з помiрною швидк1стю. Максимальне значення ЧСС - 135 уд./хв. Середне значення ЧСС-63 уд./хв. Як видно з графжа, шд час експерименту спостер^ались значнi коливання серцевого ритму, що викликае необхiднiсть додаткового комплексного аналiзу варiабельностi серцевого ритму.
Враховуюч^ що тд час експерименту дослвдник вживав лiкaрськi препарати, доцiльно провести також додaтковi aнaлiтичнi досл1дження по впливу лiкiв на стан серцевого ритму з метою вибору оптимально! дози та часу прийому препарату. Для проведення потрiбних досл1джень дaнi передаються на сервер для комплексного анал1зу на основi узагальненого алгоритму швидких спектральних перетворень з активним використанням пауз або використовуеться програмний додаток "Анал1з ВСР". Доступ до ресурсiв надаеться за допомогою зручного iнтерфейсу. Вш дозволяе вибрати тип aнaлiзу, задати потрiбнi характеристики, розмiрнiсть та отримати результати.
Висновки. Зaпропоновaио концепцш створення бaгaторiвнево! комплексно! мобiльно! персонaлiзовaно! системи з ктент-серверною aрхiтектурою та подвшним доступом (для користувaчiв-лiкaрiв та пащенпв). Показано методику створення aлгоритмiчно! бази для спектрального aнaлiзу ВСР на бaзi дослвдження ЧСС з використанням смарт-браслета MioFuse та розробки спещал1зованого ПЗ для реестрацп ЧСС, АТ та анкетування (для пaцiентiв) з використанням штегрованого середовища розробки Android studio. Результати проведення тестових та експериментальних дослвджень з використанням розроблених програм та сучасних медичних гаджепв довели ефективнiсть концепцй' та необхщшсть продовження розробки ПЗ - сервер для лiкaрiв з метою проведення комплексного анал1зу ВСР на бaзi запропонованого узагальненого алгоритму швидких спектральних перетворень у рiзних ортогональних базисах функцш з активним використанням пауз.
Список л1тератури: 1. Вуйцж В. Реестращя, обробка та контроль бюмедичних електрограф1чних сигнатв / В. Вуйцк, З.Ю. Готра, О.З. Готра. - Льв1в: Лша-Прес, 2009. -308 с. 2. Дорош О.1. Методи створення шдивщуальних штерактивно-аналгтичних систем для тривалого контролю та анатзу бюмедичних показниюв / О.1. Дорош., Г.Л. Кучшй, Н.В. Дорош // Вюник НТУ "Харгавський полгтехшчний шститут". Сер1я: 1нформатика та моделювання. - Харюв: НТУ "ХП1", 2011. - № 36. - С. 71-77. 3. Heart Monitor. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://alivecor.com/. 4. Медичш гаджети .[Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://gadgets-world.com/category_30.html. 5. Blood Pressure Monitor. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.withings.com/ru. 6. Мобшьний додаток "Парацельс". [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://paracelsus.dp.ua/?q=uk/node/20. 7. MioFuse. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.http://mioglobal.com/apps/. 8. Додаток S Health на Galaxy S5. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.samsung.com/ua/ support/skp/faq/1048909. 9. Boyko O. Porownanie nawykov zywieniowych studentow na Ukrainie s v Polsce.Czesc I. Badania ankietowe / O. Boyko, N. Dorosh, E. Kleszczewska, M. Andyszczyk, K. Logwiniuk // HYGEIA PUBLIC HEALTH. - 2013. - 48 (4) - S. 526-531. 10. 1нтегроване середовище розробки Android studio [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://developer.android.com/tools/ studio/index.html.
Bibliography (transliterated): 1. Vujcik V. Reestracija, obrobka ta kontrol' biomedichnih elektrografichnih signaliv / V. Vujcik, Z.Ju. Gotra, O.Z. Gotra. - L'viv: Liga-Pres, 2009. - 308 s. 2. Dorosh O.I. Metodi stvorennja individual'nih interaktivno-analitichnih sistem dlja trivalogo kontrolju ta analizu biomedichnih pokaznikiv / O.I. Dorosh., G.L. Kuchmij, N.V. Dorosh // Visnik NTU "Harkivs'kij politehnichnij institut". Zbirnik naukovih prac'. Serija: Informatika ta modeljuvannja. - Harkiv: NTU "HPI", 2011. - № 36. - S. 71-77. 3. Heart Monitor. [Elektronnij resurs]. - Rezhim dostupu: http://alivecor.com/. 4. Medichni gadzheti .[Elektronnij resurs]. -Rezhim dostupu: http://gadgets-world.com/category_30.html. 5. Blood Pressure Monitor. [Elektronnij resurs]. - Rezhim dostupu: http://www.withings.com/ru. 6. Mobil'nij dodatok "Paracel's". [Elektronnij resurs].- Rezhim dostupu: http://paracelsus.dp.ua/?q=uk/node/20.
7. MioFuse. [Elektronnij resurs]. - Rezhim dostupu: http://www.http://mioglobal.com/apps/.
8. Dodatok S Health na Galaxy S5. [Elektronnij resurs]. - Rezhim dostupu: http://www.samsung.com/ua/ support/skp/faq/1048909. 9. Boyko O. Porownanie nawykov zywieniowych studentow na Ukrainie s v Polsce.Czesc I. Badania ankietowe / O. Boyko, N. Dorosh, E. Kleszczewska, M. Andyszczyk, K. Logwiniuk // HYGEIA PUBLIC HEALTH. -2013. - N° 48 (4). - S. 526-531. 10. Integrovane seredovishhe rozrobki Android studio [Elektronnij resurs]. - Rezhim dostupu: http://developer.android.com/tools/studio/index.html.
НадШшла (received) 20.04 2015 Повторно 12.05.2015
Статью представил д-р техн. наук, проф. НТУ "ХПИ" Леонов С.Ю.
Dorosh Oleg, senior Lecturer
National University "Kyev-Mohyla Academy"
Str. Skovorodu, 2, Kiev, Ukraine, 03680
Tel.: (096) 9104223, e-mail: nvdorosh54@mail.ru
