Научная статья на тему 'Носимые устройства микроэлектроники как основа биологической обратной связи системы «ЦифроМед» в авиации и космонавтике'

Носимые устройства микроэлектроники как основа биологической обратной связи системы «ЦифроМед» в авиации и космонавтике Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
232
64
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦИФРОВАЯ МЕДИЦИНА (ЦМ) / ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА (ИС) / ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОРТАЛ (ИП) / БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ (БОС) / НОСИМЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ (НУМ) / DIGITAL HEALTH / DH / INFORMATION SYSTEM / BIOFEEDBACK / BFB / TSIFROMED / WEARABLE DEVICES OF MICROELECTRONICS / WDM

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Кухтичев А.А., Клёнов Е.А.

В работе представлен системный подход к созданию web-сервисов цифровой медицины в авиации и космонавтике на основе методов и технологий биологической обратной связи (БОС), а также рассматриваются исторические предпосылки БОС-технологий. Основное внимание в данной работе направлено на описание архитектуры информационной системы «ЦифроМед», которая после её реализации позволит в режиме реального времени контролировать состояние здоровья лётных экипажей и авиадиспетчеров (т. е. именно тех пользователей системы, от которых зависит безопасность полётов).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Wearable devices of microelectronics as the basis of biofeedback system «TsifroMed» in aviation and aerospace

This article presents a systematic approach to the creation of web-services digital health system in the aviation and aerospace based on methods and techniques of biofeedback (BFB), and discusses the historical background of biofeedback technologies. The focus of this work is aimed at the architecture of information system «TsifroMed» which after its implementation will enable the real-time monitor the health of flight crews and air traffic controllers (ie, it is the users of the system, on which depends the safety of flight).

Текст научной работы на тему «Носимые устройства микроэлектроники как основа биологической обратной связи системы «ЦифроМед» в авиации и космонавтике»

ИТ и диагностические системы www.idmz.ru ._

2015, № 3 ^

А. А. КУХТИЧЕВ,

аспирант, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), г. Москва

Е. А. клёнов,

аспирант, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), г. Москва

НОСИМЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ КАК ОСНОВА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ СИСТЕМЫ «ЦИФРОМЕД» В АВИАЦИИ И КОСМОНАВТИКЕ

УДК 60::004.3

Кухтичев А.А., Клёнов Е. А. Носимые устройства микроэлектроники как основа биологической обратной связи системы «ЦифроМед» в авиации и космонавтике (Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), г. Москва)

Аннотация. В работе представлен системный подход к созданию web-сервисов цифровой медицины в авиации и космонавтике на основе методов и технологий биологической обратной связи (БОС), а также рассматриваются исторические предпосылки БОС-технологий. Основное внимание в данной работе направлено на описание архитектуры информационной системы «ЦифроМед», которая после её реализации позволит в режиме реального времени контролировать состояние здоровья лётных экипажей и авиадиспетчеров (т.е. именно тех пользователей системы, от которых зависит безопасность полётов).

Ключевые слова: Цифровая медицина (ЦМ), информационная система (ИС), информационный портал (ИП), биологическая обратная связь (БОС), носимые устройства микроэлектроники (НУМ).

UDC 60::004.3

Kukhtichev A. А., Klenov E. А. Wearable devices of microelectronics as the basis of biofeedback system «TsifroMed» in aviation and aerospace (Moscow aviation institute (national research university), Moscow) Abstract. This article presents a systematic approach to the creation of web-services digital health system in the aviation and aerospace based on methods and techniques of biofeedback (BFB), and discusses the historical background of biofeedback technologies. The focus of this work is aimed at the architecture of information system «TsifroMed» which after its implementation will enable the real-time monitor the health of flight crews and air traffic controllers (ie, it is the users of the system, on which depends the safety of flight).

Keywords: digital health, DH, information system, biofeedback, BFB, TsifroMed, wearable devices of microelectronics, WDM.

L_

Введение

В данном исследовании речь идет о перспективе использования носимых устройств микроэлектроники (НУМ) и методов биологической обратной связи (БОС) в авиации и космонавтике при помощи информационной системы «ЦифроМед» щ для контроля состояния здоровья космонавтов, пилотов, штурма-

нов и других авиаспециалистов, а также - для оказания квалифицированной медицинской помощи в экстренных ситуациях.

В основе технологий цифровой медицины (ЦМ) как нового направления развития здравоохранения в XXI веке лежат методы БОС с человеком как биологическим объектом управления на

>

и информационные

технологии

основе измерения его параметров жизнедеятельности (частоты сердечных сокращений, артериального давления, мышечной силы и др.). Научной основой для создания методов БОС стали фундаментальные исследования механизмов регуляции физиологических процессов у человека и животных [1—9].

Благодаря развитию инфокоммуникаци-онных технологий (ИКТ) появилась возможность предоставлять пользователям обратную связь не только в виде графиков и звуковых сигналов, но и создавать полноценные пользовательские интерфейсы (GUI), в том числе игровые сюжеты, управление которыми также основано на технологиях БОС.

Одно из главных направлений развития технологий БОС в рамках цифровой медицины связано с биосенсорами, датчиками первичной информации, реализуемыми в виде НУМ.

Области применения носимых устройств микроэлектроники

Технологии БОС известны уже более полувека, однако изготовление медицинских приборов с использованием возможностей технологии биологической обратной связи стало возможным только с развитием электроники и появлением современных ИКТ.

Сегодня на мировом рынке представлено множество различных устройств, называемых гаджетами (см. англ. gadget - устройство, де-вайс, приспособление), которые условно относятся к классу носимых устройств микроэлектроники. Можно выделить несколько областей применения НУМ, реализуемых в виде специальных браслетов, часов, повязок, элементов «умной одежды» и др. (см. рис. 1). Заметим, что НУМ используются повсеместно; в современном мире они широко применяются во многих областях. Однако для применения в авиации и космонавтике необходимо разрабатывать специальные носимые устройства микроэлектроники - т.е. приборы медицинского контроля состояния здоровья летных экипажей.

Умные часы и браслеты отслеживают каждое движение, а также самочувствие пользователя, напоминают о необходимости движения, когда он слишком долго не проявлял физической активности, обеспечивают мониторинг состояния организма во время сна, контролируют соотношение быстрой и глубокой фазы сна и времени пробуждения (актуально при нахождении в космосе).

Умная одежда уже сейчас позволяет осуществлять контроль над физической подготовкой космонавтов и пилотов (см. напр., проект Athos [10]), а в перспективе позволит диагно-

Рис. 1. области применения носимых устройств микроэлектроники.

2015, № 3

Рис. 2. Главная страница портала цифровой медицины «Цифромед».

стировать состояние мышечных групп, а также обеспечивать их стимуляцию при длительном нахождении на борту космической станции.

Умные очки могут обеспечивать дополненную реальность пилота (например, для отслеживания маршрута или получения информации о погодных условиях), а также возможность записи высококачественного фото и видеоконтента, поддерживают функцию голосового управления [11].

Основными пользователями системы «Циф-роМед» должны стать космонавты, пилоты, штурманы и др. авиаспециалисты. Для контроля показателей жизнедеятельности человека требуются новые решения в области разработки и использования приборов нового поколения, какими являются НУМ. На рис. 2 представлена главная страница портала «ЦифроМед».

Архитектура информационной системы цифровой медицины в авиации и космонавтике

В настоящее время Московский авиационный институт (МАИ) выполняет комплексную

программу исследований «Цифровая медицина в авиации и космонавтике», включающую в себя взаимодействие творческих групп студентов, аспирантов и преподавателей факультетов («Аэрокосмического», «Систем управления, информатики и электроэнергетики», «Прикладной математики и физики») по созданию информационной системы цифровой медицины «ЦифроМед» на основе технологий БОС. Система «ЦифроМед» в перспективе позволит космонавтам и пилотам контролировать показатели их жизнедеятельности, а также пересылать результаты измерений на виртуальную машину в центре обработки данных (ЦОД), эксперту и/или личному врачу в режиме реального времени.

Информационная система «ЦифроМед» должна выполнять следующие функции:

1. Измерение и контроль показателей жизнедеятельности пользователей, «цифрори-зация» пользователей (космонавтов, пилотов, штурманов и др. авиаспециалистов).

2. Привязка пользователя к врачу или группе медицинских специалистов (МС), кото-

■ал :

и информационные

технологии

рые должны следить за показателями здоровья пользователей системы.

3. Диагностика на ранних этапах и мониторинг процесса оперативного лечения.

4. Проведение консультаций и семинаров для специалистов.

Система «ЦифроМед» состоит из нескольких подсистем, которые представлены на рис:. 3:

1. Специалисты медицинских учреждений: врачи, научные работники, тренеры и др.

2. Специалисты отрасли авиации и космонавтики: пилоты, штурманы, диспетчеры, инженеры, взлётно-подъёмный состав.

3. Государственные органы управления здравоохранением: больницы, госпитали, поликлиники, санатории, родильные дома, хосписы и др.

4. Со стороны МАИ: разработчики системы «ЦифроМед» - руководитель проекта,

администраторы, программисты, дизайнеры, тестировщики и др.

5. Электронная медицинская карта.

6. Электронный паспорт здоровья.

7. Медицинская электронная служба.

8. Средства связи: носимые устройства микроэлектроники, мобильные телефоны и планшеты, медицинский хаб и прочие.

9. В перспективе пользователями ЦМ могут стать все жители Российской Федерации.

Схема базы данных системы «ЦифроМед» показана на рис. 4. Здесь представлены основные классы-модели, которые реализуются на web-портале «ЦифроМед». В качестве основных разделов ЭМК приняты разделы, предложенные Министерством здравоохранения Российской Федерации в документе «Основные разделы Электронной медицинской карты» [12].

Рис. 3. Подсистемы проекта цифровой медицины «Цифромед».

Обследования

РК ID обследования

Ю лечащего врача

Время обследования

Показания к обследованию

Комментарий

Место обследования

Результаты

Цель

Примечание

10 профиля пользователя Ю профиля врача

Профили пользователей РК ID профиля пользователя

ID пользователя Имя

Фамилия Отчество

Паспортные данные Телефон Дата рождения Резус-фактор Семейное положение

эмк

РК Ю ЭМК

FK1 Ю пользователя Наследственность Прививки Семейный анамнез Акушерский анамнез Непереносимость препаратов

Метрика пациента

РК Ю метрики

FK1 Окружность головы Окружность груди Окружность талии Рост Вес Индекс массы тела Ю пользователя

1 Г

Пользователи

РК ID пользователя

FK1 Логин Пароль Тип пользователя Дата регистрации Активен Удален ID медицинского учреждения

НУМ

РК ID НУМ

FK1 ID пользователя Тип НУМ Название

I

Статистика НУМ

РК ID Статистики НУМ

FK3 FK1 FK2 ID пользователя ID НУМ ID показателя НУМ Значение

i г

Показатели НУМ

РК ID показателя НУМ

Название

Паспорт здоровья

РК ID паспорта

FK1 ID пользователя

2015, № 3

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Медицинское учреждение

РК ID медицинского учреждения

Название Адрес Город Тип учреждения

Профили врачей

РК ID профиля врача

FK1 ID пользователя

Имя

Фамилия

Отчество

Специальность

Опыт работы

Телефон

Дата рождения

Паспортные данные

Медицинские услуги

РК ID медицинской услуги

FK1 FK2 Название Описание Противопоказания ID диагноза ID медицинского учреждения

Статьи

РК ID статьи

FK1 ID пользователя

Название

Текст

Изображение

Удалена

Ссылка

Дата создания

Дата изменения

Диагнозы

РК ID диагноза

FK1 ID пользователя Название диагноза Описание диагноза

Семинары/вебинары

РК ID семинара

Название

Описание

Ссылка

Дата проведения

FK1 ID пользователя

к

Медикаменты

РК 10 медикамента

FK1 10 диагноза Название Описание Показания к применению Побочные эффекты Способ применения

Страницы

РК ID страницы

Название Текст

Рис. 4. Схема базы данных системы «ЦифроМед».

Для оптимизации базы данных и уменьшения количества операций JOIN схема БД выстроена вокруг центрального элемента -пользователя.

Таблица пользователей предусматривает определение типа пользователя, в зависи-

мости от которого подключается либо профиль пользователя, либо профиль лечащего врача.

С таблицей пользователя также связана таблица «Медицинское учреждение» (в зависимости от типа пользователя - либо

>

и информационные

технологии

это место работы, либо - место обследований/лечения). Медицинское учреждение предполагает наличие «Медицинских услуг», которые в свою очередь относятся к определенному «Диагнозу». Для каждого диагноза, помимо медицинских услуг, существует набор медикаментов из соответствующей таблицы.

К пользователю с типом профиля «пациент» привязана таблица «ЭМК», а также таблицы «НУМ», «Показатели НУМ» и статистика «НУМ», работающие с данными, полученными от носимых устройств микроэлектроники.

Также пользователи с типом профиля «Лечащий врач» могут писать статьи и организовывать семинары или вебинары. В системе

Рис. 5. Архитектура информационной системы «Цифромед».

также предусмотрена таблица для создания статических страниц портала.

В основе системы «ЦифроМед» лежит трехуровневая архитектура, представленная на рис. 5 - архитектурная модель, предполагающая наличие в нем трех компонентов: клиента (слой клиента - пользовательский интерфейс), сервера приложений (слой логики -программные модули и обработчик данных) и сервера базы данных (слой данных - хранилище большого объема данных).

Пользовательский интерфейс предназначен для обмена данными с основным пользователем системы и его лечащим врачом, а также для получения и передачи данных посредством специального API от НУМ и результатов проведения компьютерной томографии. Слой логики обеспечивает все вычислительные процессы, подготовку и обработку данных. Хранение больших объемов данных обеспечивается при помощи хранилища данных. Взаимодействие между модулями и архитектурными слоями обеспечивается обработчиком данных.

Рассмотрим слой логики детально:

1. Модуль анализа показателей НУС анализирует показатели НУС, если они превышают норму, передает информацию модулю оповещения;

2. Модуль оповещения передает сигнал на НУМ в виде вибрации или звонка, а также данные о проанализированных показателях пользовательскому интерфейсу;

3. Модуль управления пользователями обеспечивает логику регистрации, входа, разграничивает области доступа для разных типов пользователей, а также организует информацию для личного кабинета;

4. Модуль управления ЭМК организует логику внутри ЭМК;

5. Модуль диагностики управляет статистикой показаний, статистикой данных с НУМ, паспортом здоровья;

6. Информационный модуль систематизирует информацию, разбивает ее по рубри-

2015, № 3

кам, а также отвечает за механизм публикаций, редактирования и удаления различных материалов портала;

7. Поисковый модуль обеспечивает корректную выдачу результатов поиска.

Портал цифровой медицины «ЦифроМед»

Информационная архитектура (ИА) системы относится к слою клиента и проектируется до создания GUI - пользовательского интерфейса, поскольку сам интерфейс лишь обеспечивает взаимодействие между пользователем и БОС-системой (человеком и информацией). На основе полученной информации пользователь портала «ЦифроМед» сможет принимать решения.

Результатом проектирования ИА становится такая архитектура, которая позволяет пользователю максимально эффективно находить полезную для себя информацию. Проблема поиска релевантной информации для принятия решений особенно остра, когда речь идет о коммерческих проектах, то есть когда от этого напрямую зависит прибыль организации. Однако, эта проблема не менее остро встаёт перед разработчиками БОС-системы, когда речь идёт о здоровье и человеческих жизнях.

При проектировании ИА особое внимание уделяется, во-первых: пользователю, в интересах которого и создаётся информационная БОС-система «ЦифроМед», и, во-вторых, врачу как сотруднику медицинского учреждения, контролирующему состояние здоровья пользователя. Для каждого из участников портала отображается собственный пользовательский интерфейс и особый доступ к нужной информации.

Основываясь на указанных здесь сущностях портала «ЦифроМед» для пользователя и врача, проранжированных в порядке важности экспертами, разработана ИА портала цифровой медицины, которая представлена

>

и информационные

технологии

Рис. 6. Информационная архитектура портала ЦМ для конечного пользователя.

на рис. 6 (для пользователя) и рис. 7 (для лечащего врача).

На рис. 8 представлен разработанный прототип портала «ЦифроМед». Интерфейс системы построен на основе информационной архитектуры. «ЦифроМед» представляет собой набор взаимосвязанных функциональных модулей, взаимодействующих с пользователем посредством веб-интерфейсов множества страниц сайта. Доступ к отдельным страницам сайта регулируется ролевой политикой безопасности.

Результаты

Результаты данного исследования легли в основу проекта создания информационного портала «ЦифроМед» для on-line коммуника-

ций участников научного сообщества по проблеме «Цифровая медицина в авиации и космонавтике».

В ходе исследования определена аудитория проекта «ЦифроМед», разработана концептуальная модель системы, а также ее основные модули, подготовлены учебные материалы и документация для взаимодействия всех участников проекта, а также -разработчиков с пользователями системы. На этапе реализации разработана схема базы данных системы, информационная архитектура, а также - разработаны макеты графического интерфейса портала. На основе результатов данной работы реализован прототип системы цифровой медицины «ЦифроМед».

ИТ и диагностические системы www.idmz.ru ._

2015, № 3 ^

Главная

Рис. 7. информационная архитектура портала Цм для лечащего врача.

Рис. 8. Портал «Цифромед».

>

и информационные

технологии

ЛИТЕРАТУРА

1. Сеченов И.М. - «Рефлексы головного мозга». - М.: Издательство академии наук СССР, 1961. - 100с.

2. Павлов И. П. - «Условный рефлекс». - Лениздат, 2014-224 с.

3. Толочинов И. Ф. - «О патолого-анатомических изменениях ядер черепных нервов и относящихся к ним нервных волокон мозгового ствола при нарастающем параличном слабоумии: диссертация на степень доктора медицины». - Энерпя, 1900-212 с.

4. Быков К. М, Курцин И. Т. - «Кортико-висцеральная теория патогенеза язвенной болезни». - М.: Издательство Академии Наук СССР, 1952-271 с.

5. Анохин П. К. - «Избранные труды. Философские аспекты теории функциональной системы». - М.: Наука, 1978-400 с.

6. Бехтерева Н. П. - «Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека». - Л.: Медицина, 1974-151 с.

7. Peniston E. G, Kulkosky P. J. - «Alcoholic personality and alpha-theta brainwave training». // Medical Psychotherapy 3, p. 37-55.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Базанова О. М, Афтанас Л. И. «Использование индивидуальных характеристик ЭЭГ для повышения эффективности биоуправления» // Журнал невропатологии и психиатрии им. С. С. Корсакова. 2006. т. 106. № 2, с. 31-36.

9. Базанова О. М. «Современная интерпретация альфа-активности электроэнцефалограммы» // Успехи физиологических наук. 2009. Т. 40. № 3, с. 32-53.

10. Юрьев Р. Спортивная одежда Athos, которая следит за работой мышц. - [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://tracer.ru/athos

11. Умные очки для занятия спортом. - [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://24gadget.ru/1161061012-recon-jet-uirmye-ochki-dlya-zanyatiya-sportom-3-foto-video.html

12. Минздравом России утверждена структура электронной медицинской карты. - [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.rosminzdrav.ru/news/2013/11/20/1314-minzdravom-rossii-utverzhdena-struktura-elektronnoy-meditsinskoy-karty

ИТ-новости

ПРОСТОЕ устройство ДЕЛАЕТ АНАЛИЗ ДНК

Группа разработчиков Гарвардского университета при поддержке фонда «Диагностика для всех» разработала одноразовое устройство, которое поможет проводить анализ ДНК в самых удаленных уголках нашей планеты. Устройство представляет собой многослойную структуру, изготовлено из бумаги, и его производство обходится в 2 доллара. Для анализа достаточно использовать объем крови, который обычно получается при стандартном ее заборе из пальца. Затем используется смартфон для обнаружения присутствия последовательности нуклеиновых кислот, указывающих на заболевание.

Источник: EverCare

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.