CC BY
23Применение телекоммуникационных технологий для исследования электрофизиологических процессов желудочно-кишечного тракта
Терентьева Екатерина Вячеславовна,
аспирант, кафедра «Автоматика и управление», ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)», ecatereena.terentjeva@yandex.ru
Терентьева Нина Геннадьевна
кандидат медицинских наук, доцент, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», кафедра «Промышленная экологии и безопасности жизнедеятельности», mbg.lection@yandex.ru
В настоящее время вопрос оказания медицинской помощи на расстоянии привлёк к себе больше внимания и выходит по сути на новый уровень в связи с вступлением в силу нового федерального закона №242 от 29.07.2017, «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации по вопросам применения информационных технологий в сфере охраны здоровья». Телемедицина начинает входить в работу врачей и пациентов, ещё и потому что закон даёт юридическое обоснование возможности оплаты таких услуг и консультаций в рамках ОМС, ДМС и личных средств пациента. Кроме того, созрела и материально-техническая база самого здравоохранения в целом, что стало результатом планомерной объёмной работы проводимой нашим государством в этой области. Но отсутствие технологических решений ограничивает исследования электрофизиологических процессов, протекающих в желудочно-кишечном тракте дистанционно. В ходе работы была разработана и протестирована телемедицинская система, позволяющая исследовать эти явления. Предварительный анализ не выявил существенных отличий между данными полученными при непосредственном контакте и при удалённой диагностике. Внедрение данной методики в повседневную практику приведёт к удешевлению эксплуатационных расходов и повысит доступность высококвалифицированной медицинской помощи пациентам в труднодоступных районах нашей страны.
Ключевые слова: телемедицина, желудочно-кишечный тракт, электрофизиологические процессы, дистанционные исследования, телекоммуникации
о
с <
6 00 о
CSI
Введение: Телемедицина - это новая парадигма, которая объединяет эволюцию новых беспроводных коммуникаций и сетевых технологий с концепцией «присутствия медицинской помощи» в любое время и в любом месте.
Телемедицина чтобы сформироваться в ту среду, которая нам известна, прошла долгий путь параллельно с развитием информационных технологий, средств связи и медицинской техники и в настоящее время она также является новой динамично развивающейся дисциплиной. Первым примером дистанционной медицинской помощи или помощи на расстоянии может быть применение телеграфа, который использовался в гражданскую войну для передачи списков пострадавших и заказа медикаментов, передачи рентгеновские изображения. К началу 1900-х годов телефонные линии были достаточно развиты для передачи сигналов ЭКГ и ЭЭГ [1], а способ усиления стетоскопических звуков для передачи их на расстояние, используется до сих пор. В начале прошлого века появились радиотехнологиии, было принято решение о предоставлении медицинских консультаций по радио (особенно для моряков, которые подолгу находились в море). В 1935 году в Риме был создан The International Radio Medical Centre (C.I.R.M.). В настоящее время это крупнейшая в мире организация, оказывающая медицинскую помощь морякам [2].
В настоящее время понятие «телемедецина» включает в себя несколько областей знаний.
Телемониторинг позволяет отслеживать вес, потребление пищи, физические упражнения и т. д. Дополнительные сервисы, такие как Healthvault от Microsoft [3] и GoogleHealth [4] позволяют загружать данные с устройств, которые измеряют кровяное давление, вес, уровень глюкозы, уровень гемоглобина и т. д. Кроме того, они могут позволять осуществить привязку к личной медицинской карте (если она доступна в электронном виде у вашего провайдера).
Интерактивная медицина самая известная область телемедицины, предполагающая видеочат-видеообщение в реальном времени. Таким образом проводятся большинство видеоконсультаций специалистами, причём в некоторых случаях используется специализированное оборудование,
чтобы помочь врачам и медсёстрам в оценке пациентов, например, электронные стетоскопы.
Телекардиология является одним из старейших форм телемедицины. Ещё изобретатель ЭКГ Виллем Эйнтховен проводил опыт по передаче ЭКГ по телефонным линиям в 1906 году. Своё развитие телекардиология начала позже с пилотных проектов 1970-х. Система, используемая доктором Аджай Шэнкер, доктором С. Ма-хия, П. К. Мантри, с помощью телефонных линий позволила достаточно точно ставить диагноз, в том числе в случае диагностики различных аритмий [5]. В настоящее время передача ЭКГ по беспроводной сети в том числе врачами «Скорой помощи» широко распространена у нас и за рубежом. Ещё одним достаточно старым и распространенным применением телемедицины является теледерматология, особенно за рубежом, последнее вероятно связано с тем, что фотография кожи часто является тем что необходимо для диагностики дерматологической проблем и назначение лечения [6].
За рубежом широкое распространение имеет телеаудиология, часто используемая при скрининге новорожденных, телепсихиатрии [7]. Последняя увеличивает доступность психиатрической помощи в сельских районов, а также оказание психиатрической помощи в экстренных ситуациях, которые могут включать попытку самоубийства, наркотическую зависимость, алкогольную интоксикацию, острую депрессию, наличие бреда, насилия, панических атак и значительных, быстрых изменений в поведении.
Система дистанционной передачи используется в телепатологии с 80-х годов прошлого столетия. Термин телепатология был введён доктором Вайнштейном в 1986 году в редакционной статье, где он изложил, что необходимо для создания систем дистанционной патологии. Кроме того, доктор Вайнштейн принадлежат первые патенты США для роботизированных систем телепатологии и диагностики сетей телепатологии [8].
Телехирургия предполагает проведение оперативного вмешательства с помощью роботизированного устройства на расстоянии. Телехирургия все еще небольшое и растущее поле деятельности, основным сдерживающим фактором является отсутствие тактильной технологии.
Большинство современных роботизированных хирургических устройств, таких как DaVinci, технически являются телехирургическими устройствами, однако оператор машины обычно находится в одной комнате с пациентом или в соседней комнате. В течение последних нескольких лет, Haptics начал находить свой путь в применении робототехнических устройств в хирургии. Так в 2011 году исследователи Сингапурского технологического университета Наньян и больницы Национального университета разработали эндоскопическое устройство желудка с тактильной обратной связью. Данное устройство
использовалось для выполнения нескольких процедур по удалению опухоли желудка в Индии [9]. Использование датчиков для определения силовой обратной связи даёт возможность использованию роботизированной хирургии на сотни или тысячи километров от хирурга. Первая телехирургическая операция была выполнена хирургом из Нью-Йорка в Страсбурге и носит название «операция Линдберга» [10]
Телерадиология испытывала значительно рост. В основном это связано с тем, что улучшением технологии визуализации. Компьютерная томография стала дешевле, появилась возможность замены рентгеновского исследования на КТ и МРТ. За рубежом это позволило создать большое число фирм, предлагающих телерадиологические услуги более мелким сельским районам, такие как TeleradiologySolutions, NighthawkRadiology, RadlinxGroup и
VirtualRadiologic (vRad).
Цель работы: Несмотря на широкую сферу применения телемедицинских технологий, они практически не используются для дистанционного исследования электрофизиологических процессов, протекающих в желудочно-кишечном тракте. Последнее связано с отсутствием технологических решений в этой области. Поэтому целью нашей работы стало разработка телемедицинской диагностической системы для исследования электрофизических этих явлений.
Электрические потенциалы могут быть обнаружены в любой живой клетке, ткани и несут в себе информацию о характере деятельности, состоянии самой клетки, клеточных групп, тканях и органов. Электрофизиологические явления в стенке желудка были обнаружены раньше, чем в сердечной мышце и нервной системе в 1848 году Э. Дю-буа-Реймоном. Работы русских и зарубежных физиологов и врачей (А. Чермак, У. Альварец, Ю. Чаговец, Я.И. Дайковский, В.С. Русинов и П.Г. Богач ) [11] позволили понять законы электрофизических процессов протекающих в стенке кишечной трубки, и их связь с заболеваниями желудочно-кишечного тракта.
Материал и методы работы: Каждое измерение, в том числе измерение биоэлектрической активности, связано с передачей части энергии от исследуемого объекта в измерительный прибор. Который в свою очередь должен иметь возможность предавать полученную информацию дистанционно, если мы хотим обследовать пациента на расстоянии.
Обобщённую структуру любого устройства измерения биоэлектрической активности можно представить в виде схемы на рисунке 1. Сигналы биоэлектрической активности исследуемого объекта (биообъекта) передаётся вначале в устройство преобразования (например, в аналого-цифрового преобразователь — АЦП). Из устройства преобразования данные в удобном виде передаются в устройство обработки данных.
в У X
ДА
> о-
X
т гп А о п гп т;
о
-С ГП
о т; О
О и Д
о
-о О ГО О-Я
Биообъект
M
С
<
е 00
0
2
^
01
Входные устройства
Устройства преобразования
Устройства обработки получении кранных
Рисунок 1 — Обобщённая структура устройства регистрации биопотенциалов
Рассмотрим структуру разрабатываемого диагностического прибора отделения биопотенциалов для исследования электрофизиологических явлений в желудке. Структурная схема разрабатываемого устройства представлена на рис. 2.
Г
Диагностический центр
Рисунок 2 — Структурная схема устройства регистрации биопотенциалов
Все процессы измерения биоэлектрической активности требуют применения усилителя биопотенциалов.
Из представленных на рынке инструментальных усилителей для медицинской техники наиболее распространены микросхемы ^А118 и AD620 компаний BurrBrown и AnalogDevices, соответственно. Технические характеристики этих микросхем приведены в таблице 1.
Таблица 1
! INA118 и AD620
Параметр INA118 AD620
Тип монтажа Выводной Поверхностный
Ток выходной 350MA 900MA
Тип усилителя Instrumentati Instrumentati
on on
Число каналов 1 1
Корпус (размер) 8-DIP (0.300", 7.62mm) 8-SOIC (0.154", 3.90mm Width)
Ток выходной/канал 12mA 18mA
Рабочая температура -40°C ~ 85°C -40°C ~ 85°C
Полоса пропускания -3Дб 800kHz 1MHz
Ток - входного смеще- 1nA 500pA
ния
Напряжение входного 25MV 30MV
смещения
Напряжение-выходное, Single/Dual (±) 2.7 V ~ 36 V, ±1.35 V ~ 18 V 4.6 V ~ 36 V, ±2.3 V ~ 18 V
Скорость нарастания 0.9 V/MS 1.2 V/MS
выходного напряже-
ния
Согласно исследованиям разработчиков устройств регистрации биопотенциалов микросхема ^А118 при большей цене на практике ра-
ботает гораздо стабильнее и эффективнее [12], поэтому мы выбрали для технической разработки данну схему
После выбора усилителя возникает необходимость выбора платы, которая будет передавать сигналы.
Все платы для разработки можно разбить на две большие категории: платы на микроконтроллере (MCU, MicroControllerUnit) - типичный представитель Arduino Uno - и одноплатные компьютеры (SoC, SystemonaChip) - типичный представитель Raspberry Pi. Ниже приведена сводная таблица 2 технических характеристик Arduino Uno, Raspberry Pi и BeagleBone Black - трех самых до-ступныйх и распространенных плат [13].
Таблица 2.
Технические характеристики Arduino
Uno, Raspberry Pi и
Платформа Arduino Uno Raspberry Pi 3 BeagleBone Black
Ориентировочная цена 29.95$ 40$ 49$
Габаритные размеры,см 7.5 х 5.3 8.5 x 5.6 8.6 x 5.3
Микроконтроллер ATmega328 ARM Cortex-A53 ARM Cortex-A8
Тактовая частота 16 МГц 1,2 ГГц 1ГГц
ОЗУ 2 Кбайт 1 Гб 512 Мбайт
Flash-память 32 Кбайт SD карта 2 Гбайт +SD карта
EEPROM 1 Кбайт - -
Напряжение питания 7 - 12 В 5 В 5 В
Минимальное энергопотребление 42 мА (0.3 Вт) 400 мА (2.0 Вт) 210 мА (1.05 Вт)
Цифровые линии ввода/вывода 14 8 66
Аналоговые входы 6 (10-битный АЦП) 7 (12-битный АЦП)
Каналы ШИМ 6 - 8
Интерфейс TWI/I2C 2 1 2
Интерфейс SPI 1 1 2
Интерфейс UART 1 1 5
Инструменты разработки Arduino IDE IDLE, Scratch, Squeak/Linux Phyton, Scratch, Squeak, Cloud9/Linu x
Связь 10/100 Мбит/с Ethernet, Стандарт 802.11 N, Bluetooth 4.1 10/100 Мбит/с Ethernet
Интерфейс USB Master - 2 USB 2.0 USB 2.0
Результаты работы и их обсуждение:
Arduino Uno имеет гораздо меньшую тактовую частоту чем Raspberry Pi и BeagleBone Black. Но так
как разрабатываемое устройство не будет осуществлять больших и сложных вычислений, то совсем не обязательно иметь мощный процессор. Для разрабатываемого устройства нам был необходим АЦП разрядностью не менее 10 бит. Проведя сравнительный анализ, мы выяснили, что Arduino Uno и BeagleBone имеют интерфейс аналого-цифрового преобразователя (разрешение АЦП, встроенного в микроконтроллер на плате BeagleBone, несколько выше), который позволит подключить различные аналоговые датчики без дополнительных трат. Кроме того, Arduino Uno гораздо дешевле Raspberry Pi и BeagleBone Black. Программирование для этой платы идёт на языке C++, существуют сотни библиотек и документаций, что значительно упрощает разработку. Анализ технических характеристик и возможностей улучшения и разработки показал, что больший интерес для нас представляет плата Arduino Uno. Кроме того Arduino Uno является наиболее распространённой и дешёвой платой с возможностью дополнения и программирования.
С учётом того, что для разработки устройства была выбрана микросхема INA118 и микроконтроллер Arduino Uno, была разработана функциональная схема устройства, которая представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 — Функциональная схема устройства регистрации биопотенциалов
Выводы: Полученная техническая система была опробована в лабораторных условиях на добровольцах. Оценка полученных данных проводилась врачем-специалистом, находящимся в другом помещении. Информация передавалась по сети Интернет в режиме реального времени. Предварительный анализ не выявил существенных отличий между данными полученными при непосредственном контакте и при дистанционной диагностике. В заключение можно отметить, что внедрение данной методики в повседневную практику приведёт к удешевлению эксплуатационных расходов и повысит доступность высококвалифицированной медицинской помощи пациентам в отдалённых, сельских районах нашей страны.
Литература
1. McCann E. Getting the fax straight [Электронный ресурс]. URL: https://www.healthcareitnews.com/news/getting-fax-straight?single-page=true (дата обращения: 06.06.18).
2. The International Radio Medical Centre (C.I.R.M.) FREE TELEMEDICAL SERVICE [Электронный ресурс]. URL: http://cirm.it/sito_eng/index.htm (дата обращения: 16.06.18).
3. HealthVault [Электронный ресурс]. URL: https://international.healthvault.com (дата обращения: 01.06.18).
4. Google Health [Электронный ресурс]. URL: https://health.google.com (дата обращения: 11.06.18).
5. W. Einthoven. Invention Story of Electrocardiography (ECG) [Электронный ресурс]. URL: http://www.circuitstoday.com/invention-story-of-electrocardiography-ecg-by-willem-einthoven (дата обращения: 01.07.18).
6. Frederick M. Burkle. Applications of Telemedi-cine and Telecommunications to Disaster Medicine Historical and Future Perspectives Victoria Garshnek [Электронный ресурс]. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC61342/ (дата обращения: 01.07.18).
7. What is Telepsychiatry? [Электронный ресурс]. URL: https://www.psychiatry.org/patients-families/what-is-telepsychiatry (дата обращения: 29.06.18).
8. Telepathology: Remote Pathology Practice [Электронный ресурс]. URL: https://evisit.com/resources/what-is-telepathology/ (дата обращения: 29.06.18).
9. Early Gastric Cancer: Current Advances of Endoscopic Diagnosis and Treatment [Электронный ресурс]. URL: https://www.hindawi.com/journals/grp/2016/9638041/ (дата обращения: 21.06.18).
10. Lindbergh Operation [Электронный ресурс]. URL: https://www.britannica.com/event/Lindbergh-Operation (дата обращения: 19.06.18).
11. Репина Л.Б., Блохин Б.М., Троицкая Н.Б., Стешин В.Ю. Исследование моторной функции желудка методом электрогастрографии: от первых открытий до наших дней // - Доктор.ру. - Научно-практический медицинский журнал. - 2010 г. - № 1(52). - С. 59.
12. J. Kilby ; K. Prasad ; G. Mawston. Design of new multi-channel electrodes for surface electromy-ography signals for signal-processing [Электронный ресурс]. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7591814 (дата обращения: 15.06.18).
13. Сравнение трех популярных платформ разработки: Arduino Uno, BeagleBone, RaspberryPi [Электронный ресурс]. URL: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=148907 (дата обращения: 09.06.18).
14. Шабанов П.Д., Русановский В.В., Лебедев А.А. Различия в эффектах наркогенов при блокаде рецепторов кортиколиберина астрессином в гипоталамусе и миндалине крыс//Наркология. 2006. Т. 5. № 4 (52). С. 17-22.
15. Shabanov P., Lebedev A.A., Russanovsky V.V., Pavlenko V.P., Streltsov V.F. Glucocorticoids can play a dual role in activation of the reinforcing
6 У X
ДА
>
ö-X
tr m А
о
ZI
m
т;
ZI
о
-С
m
о т; О -i О
З
Д О -о О ГО Ö-Я
о
с <
е 00
0 сч
01
system of the brain: directly activate the system and modulate the dopaminergic mechanisms of re-ward//European Neuropsychopharmacology. 2005. Т. 15. № S2. С. S264.
16. Лебедев А.А., Voevodin E.E., Andreeva L.I., Russanovsky V.V., Pavlenko V.P., Streltsov V.F., Shabanov P.D. Reinforcing properties of neu-ropeptides administered into the extended amygdala of chronically alcoholized rats//European Neuropsychopharmacology. 2005. Т. 15. № S2. С. S294.
17. Кипарисова Д.Г., Кипарисов Ю.С., Нуриева Н.С. Влияние фактора гигиены полости рта на развитие новообразований орофарингеальной зоны//Опухоли головы и шеи. 2015. Т. 5. № 2. С. 39-44.
18. Нуриева Н.С. Разработка и оценка эффективности методов профилактики и лечения радиомукозита слизистой оболочки рта: дисс. ... канд. мед. наук/ГОУВПО "Пермская государственная медицинская академия". Пермь, 2006
The use of telecommunication technologies to study the electrophysiological processes of the gastrointestinal tract
Terentyeva E.V., Terentyeva N.G.
Southern Ural State University
The issue of providing medical care at a distance has attracted more attention and is reaching a new level in connection with the entry into force of the new Federal law No. 242 of July 29, 2017, "On amendments to certain legislative acts of the Russian Federation on the use of information technologies in the field of health protection". Telemedicine is beginning to enter into the work of doctors and patients, also because the law gives a legal justification for the possibility of paying for such services and consultations within the CHI, VMI and personal funds of the patient. In addition, the material and technical base of the health care as a whole has matured, which was the result of systematic extensive work carried out by our state in this area. But the lack of technological solutions limits the study of electrophysiological processes occurring in the gastrointestinal tract remotely. During the work the tele-medicine system allowing to investigate these phenomena was developed and tested. Preliminary analysis revealed no significant differences between the data obtained by direct contact and remote diagnosis. The introduction of this technique into everyday practice will reduce the cost of operating costs and increase the availability of highly qualified medical care to patients in remote areas of our country. Keywords: telemedicine, gastrointestinal tract, electrophysiolog-
ical processes, remote studies, telecommunications References
1. McCann E. Getting the fax straight [Electronic resource]. URL:
https://www.healthcareitnews.com/news/getting-fax-straight?single-page=true (appeal date: 06.06.18).
2. The International Radio Medical Center (C.I.R.M.) FREE TEL-
EMEDICAL SERVICE [Electronic resource]. URL: http://cirm.it/sito_eng/index.htm (access date: 06.16.18).
3. HealthVault [Electronic resource]. URL: https://international.healthvault.com (appeal date: 06/01/18).
4. Google Health [Electronic resource]. URL: https://health.google.com (access date: 11.06.18).
5. W. Einthoven. Invention Story of Electrocardiography (ECG)
[Electronic resource]. URL:
http://www.circuitstoday.com/invention-story-of-electrocardiography-ecg-by-willem-einthoven (access date: 07/01/18).
6. Frederick M. Burkle. Applications of Telemedicine and Telecommunications to Disaster Medicine. Victoria Garshnek [Electronic resource]. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC61342/ (access date: 07/01/18).
7. What is Telepsychiatry? [Electronic resource]. URL: https://www.psychiatry.org/patients-families/what-is-telepsychiatry (appeal date: 06/29/18).
8. Telepathology: Remote Pathology Practice [Electronic resource].
URL: https://evisit.com/resources/what-is-telepathology/ (access date: 06.29.18).
9. Early Gastric Cancer: Current Advances of Endoscopic Diagno-
sis and Treatment [Electronic resource]. URL: https://www.hindawi.com/journals/grp/2016/9638041/ (access date: 21.06.18).
10. Lindbergh Operation [Electronic resource]. URL: https://www.britannica.com/event/Lindbergh-Operation (access date: 06.19.18).
11. Repin L.B., Blokhin B.M., Troitskaya N.B., Steshin V.Yu. Study of motor function of the stomach by electrogastrography method: from the first discoveries to the present day // - Dr..ru. -Scientific and practical medical journal. - 2010 - № 1 (52). - p. 59.
12. J. Kilby; K. Prasad; G. Mawston. Design of new multi-channel electrodes for surface-electromyography signals for signal-processing [Electronic resource]. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7591814 (appeal date: 15.06.18).
13. Comparison of three popular development platforms: Arduino Uno, BeagleBone, RaspberryPi [Electronic resource]. URL: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=148907 (appeal date: 06/09/18).
14. Shabanov P.D., Rusanovsky V.V., Lebedev A.A. Differences in the effects of narcogens during blockade of corticoliberin receptors by astressin in the hypothalamus and tonsil of rats // Narcology. 2006.Vol. 5. No. 4 (52). S. 17-22.
15. Shabanov P., Lebedev A.A., Russanovsky V.V., Pavlenko V.P., Streltsov V.F. GLUCOCORTICOIDS CAN PLAY A DUAL ROLE IN ACTIVATION OF THE REINFORCING SYSTEM OF THE BRAIN: DIRECTLY ACTIVATE THE SYSTEM AND MODULATE THE DOPAMINERGIC MECHANISMS OF REWARD // European Neuropsychopharmacology. 2005. V. 15. No. S2. S. S264.
16. Lebedev A.A., Voevodin E.E., Andreeva L.I., Russanovsky V.V., Pavlenko V.P., Streltsov V.F., Shabanov P.D. REINFORCING PROPERTIES OF NEUROPEPTIDES ADMINISTERED INTO THE EXTENDED AMYGDALA OF CHRONICALLY ALCOHOLIZED RATS // European Neuropsychopharmacology. 2005. V. 15. No. S2. S. S294.
17. Kiparisova D.G., Kiparisov Yu.S., Nurieva N.S. The influence of the factor of oral hygiene on the development of neoplasms of the oropharyngeal zone // Tumors of the head and neck. 2015.Vol. 5. No. 2. P. 39-44.
18. Nurieva N.S. Development and evaluation of the effectiveness of methods for the prevention and treatment of radiomucositis of the oral mucosa: Diss. ... cand. honey. Sciences / GOUVPO "Perm State Medical Academy". Perm, 2006
