Научная статья на тему 'Принципы организации системы неинвазивного исследования крови для mHealth'

Принципы организации системы неинвазивного исследования крови для mHealth Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
77
15
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕДИЦИНСКАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА / ОПТОАКУСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ / МОБИЛЬНОЕ ЗДРАВООХРАНЕНИЕ / АКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ / ТУМАННЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ / ЛАЗЕРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ЗВУКА / СИСТЕМЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ / MEDICAL INFORMATION SYSTEM / OPTOACOUSTIC EFFECT / PHOTOACOUSTIC EFFECT / MOBILE HEALTH CARE / MHEALTH / ACOUSTIC SIGNAL / FOG COMPUTING / LASER EXCITATION OF SOUND / DATA ACQUISITION AND PROCESSING SYSTEMS

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Орда-жигулина Дина Владимировна, Орда-жигулина Марина Владимировна

Рассмотрены принципы организации медицинской информационной системы неинвазивного анализа крови пациентов на базе метода оптоакустического исследования крови в присутствии наноразмерных объектов, используемых в качестве контрастных агентов и реализованной на базе технологии туманных вычислений. Описаны метод и алгоритмы оптоакустического исследования крови с наноразмерными объектами с целью внедрения в сегмент мобильного здравоохранения. Построение и внедрение такой медицинской информационной системы позволят уменьшить затраты медицинских учреждений на содержание стационарных рабочих мест, а также оптимизирует рабочий процесс и упростит обработку и хранение информации без потери качества и эффективности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Орда-жигулина Дина Владимировна, Орда-жигулина Марина Владимировна

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

PRINCIPLESOF NON-INVASIVE SYSTEM ORGANIZATIONBLOOD TEST FOR MHEALTH

In this paper discusses the principles of organizing a medical information system for non-invasive blood analysis of patients based on the method of optoacoustic blood testing using nanoscale objects as contrast agents and using fog computing technology. The method and algorithms for optoacoustic blood testing with nano-sized objects are described with the goal to introduce them into the mobile healthcare segment. The construction and implementation of such a medical information system will reduce the cost of medical institutions for the mai ntenance of stationary j obs, as well as optimize the work and simplify the processing and storage of information without degree of quality and efficiency.

Текст научной работы на тему «Принципы организации системы неинвазивного исследования крови для mHealth»

Ivanov Donat Yakovlevich, candidate of technical sciences, senior scientific researcher, donat. ivanovagmail. com, Russia, Taganrog, Research Institute of Multiprocessor Computing Systems named after Acad. A. V. Kalyaev SFU

УДК 534.61

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ НЕИНВАЗИВНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КРОВИ ДЛЯ MHEALTH

Д.В. Орда-Жигулина, М.В. Орда-Жигулина

В данной работе рассмотрены принципы организации медицинской информационной системы неинвазивного анализа крови пациентов на базе метода оптоаку-стического исследования крови в присутствии наноразмерных объектов, используемых в качестве контрастных агентов и реализованной на базе технологии туманных вычислений. Описан метод и алгоритмы оптоакустического исследования крови с нано-размерными объектами с целью внедрения в сегмент мобильного здравоохранения. Построение и внедрение такой медицинской информационной системы позволит уменьшить затраты медицинских учреждений на содержание стационарных рабочих мест, а также оптимизирует рабочий процесс и упростит обработку и хранение информации без потери качества и эффективности.

Ключевые слова: медицинская информационная система, оптоакустический эффект, мобильное здравоохранение, акустический сигнал, туманные вычисления, лазерное возбуждение звука, системы сбора и обработки данных.

В последние годы увеличивается интерес к разработке и внедрению в клиническую практику медицинских информационных систем (МИС) [110]. В широком смысле информационная медицинская система представляет собой программно-технические средства и базы данных, которые при организации их определенным образом, позволяют перейти к ведению электронной истории болезни пациента и организовать дистанционное взаимодействие врача и пациента[11]. В связи с этим важной прикладной научно-технической задачей становится как создание конкретных приложений для мобильного здравоохранения (mHealth), так и разработка архитектур новых медицинских информационных систем с учетом современных и безопасных методов анализа различных физиологических параметров пациента. В данной работе рассмотрена организация медицинской информационной системы неинвазивного анализа крови пациентов на базе метода оптоакустического исследования крови в присутствии наноразмер-ных объектов, реализованной на базе технологии туманных вычислений.

Основным недостатком существующих медицинских информационных систем является то, что они либо недостаточно автоматизированы, либо часть данных о пациенте и о его состоянии здоровья обрабатываются и хранятся различными методами и в различных информационных системах, принадлежащих различным медицинским учреждениям. Такой подход делает невозможным сопоставление данных о различных анализах

365

пациента, диагностику или мониторинг состояния здоровья пациента врачом в режиме реального времени. В результате оказывается, что доступ и пациента, и лечащего врача к данным о текущих и архивных анализах крови затруднен или невозможен. Для устранения указанных проблем авторами предложен способ организации единой децентрализованной системы [12] неинвазивного анализа крови, в рамках которой будет осуществляться сбор, хранение и обработка текущих и архивных данных о параметрах крови пациента, расшифровка анализов крови лечащим врачом и прочие медицинские данные, а также будет обеспечена возможность взаимодействия пациента и врача в режиме реального времени.

Каждый из датчиков медицинской информационной системы не может быть обеспечен собственной инфраструктурой, поскольку такие индивидуальные сети дороги и их сложно технически поддерживать. Данную проблему можно решить с помощью технологии «туманных вычислений»[3], так как они используют уже существующую и отлаженную инфраструктуру. Это приводит к меньшей загруженности каналов передачи данных, сокращает время обработки данных и удешевляет процесс обработки и передачи информации в целом [2].

Еще одним преимуществом при создании электронных медицинских сервисов и технологий на основе «туманных вычислений» является уменьшение латентности, так как обработка медицинских данных чувствительна к временным задержкам. Сокращение времени обработки данных прямо пропорционально увеличению процента выживаемости среди пациентов [2]. Другие достоинства технологии «туманных вычислений» рассмотрены в [1], где описывается создание медицинской системы, с помощью которой можно будет наблюдать за конкретным органом человека с целью предотвращения его критического состояния.

Очевидно, что применение мобильных устройств и систем связи позволяет существенно снизить затраты медицинских учреждений на внедрение электронной системы обработки медицинских данных за счет использования уже существующей инфраструктуры при создании новых высокотехнологичных рабочих мест в лечебных учреждениях. Таким образом, становится актуальной задача по разработке новой медицинской информационной системы с применением технологии «туманных вычислений» для сегмента мобильного здравоохранения[8,10,13].

Метод и структура системы неинвазивного исследования крови на базе технологии туманных вычислений. Изначально пациент обращается в медицинское учреждение для первичной настройки и регистрации в системе, для настройки специального разработанного мобильного приложения на принадлежащем ему мобильном устройстве и калибровке индивидуального диагностического модуля. Сотрудник медицинского учреждения регистрирует пациента в базе данных медицинского учреждения, подключает ему в мобильном приложении базу данных врачей, аккредитованных данным медицинским учреждением. Сотрудник медицинского учреждения проводит первичное обследование состояния здоровья пациента.

366

Также выполняет с пациентом вместе процедуру исследования крови, которая заключается в приеме контраста из наноразмерныхобьектов, определения оптимального кровеносного сосуда для проведения исследования, правильной установке диагностического модуля, а также отправке полученных данных на мобильное вычислительное устройство врача и сервер медицинского учреждения. Сотрудник медицинского учреждения записывает сведения об «эталонном» исследовании крови в мобильное устройство пациента и вносит эти сведения в базу данных электронного архива медицинского учреждения. Данные об «эталонном» исследовании крови в дальнейшем будут использоваться в качестве шаблона для сравнения при каждом самостоятельно полученном пациентом исследовании крови. Иллюстрация метода сравнения измеренных значений величины акустического сигнала с эталонными при наличии в крови пациента контрастного раствора с наноразмерными объектами показана на рис.1.

вне диапазо на f(NnaHo)= 1

диапазон д значений опустимых ж1! 1 f(Nm„o)=0

|^вне диапазона JBL .т., /

Рис.1.Метод сравнения измеренных значений величины акустического сигнала с эталонными

Реализовать этот метод биомедицинского исследования можно с помощью создания децентрализованной системы неинвазивного исследования крови на базе технологии туманных вычислений, как показано на рис. 2. Программно-технические средства системы состоят из программно-технических средств диагностического модуля, излучающего лазерного модуля инфракрасного диапазона, пьезокерамического преобразователя -датчика, программно-технических средств мобильных вычислительных устройств пациента (МВУ1), врача (МВУ2) и сервера медицинского учреждения.Диагностический модуль, входящий в состав МВУ1 объединяется по локальной сети беспроводной связи посредством технологии Bluetooth или технологии WirelessFidelity (Wi-Fi) [14] с мобильным устройством пациента МВУ1, поддерживающим любую из перечисленных технологий беспроводной связи.

Интерфейсом между пациентом и диагностическим модулем является оригинальное мобильное приложение, через которое пациент управляет запуском диагностического модуля и через него же получает рекомендации от врача. История проводимых исследований и комментарии врача к ним также доступны через это мобильное приложение в личном кабинете.

Рис. 2. Пример «туманного» сокета для mHealth

Информационно-управляющие сигналы от мобильного устройства пациента МВУ1 передаются на вход приемо-передающего модуля, который поддерживает интерфейсы и протоколы передачи данных Wi-Fi и Bluetooth. Далее сигналы передаются на блок управления пьезокерамиче-ским преобразователем и инфракрасным лазером, который начинает генерировать оптический сигнал малой мощности, направленный к коже пациента.

Пьезокерамический преобразователь принимает акустический сигнал, который затем пропускается через фильтр и усилитель, для того, чтобы устройство регистрации и цифровой обработки аналоговых сигналов могло сформировать файл с первично обработанными данными P( f), которые содержат информацию об уровне измеренного акустического сигнала.

После проведения исследования сформированный файл с первично обработанными данными P( f) отправляется на мобильное устройство пациента МВУ1 для последующей обработки. Файл содержит данные о спектре принятого акустического сигнала. Первичные данные P( f) обрабатываются на мобильном устройстве пациента МВУ1 с помощью специально разработанного мобильного приложения. В результате обработки формируются фалы с данными в виде размеченных таблиц и интерактивного графика, удобном для анализа врачом. Данные P( f) отправляются с мобильного устройства пациента МВУ1 на мобильное устройство врача МВУ2 и, одновременно, отправляются в электронный архив на сервер медицинского учреждения (СМУ), как показано на рис. 2. Копия отчета о любом взаимодействии пациента и врача отправляется в облачный центр, и необходима для того, чтобы обеспечить сохранность, защищенность данных об анализах, а также для разрешения конфликтов в случае возникновения спорных ситуаций. Система с помощью технологии мобильного интернета (GPRS) или Wi-Fi посылает файл на мобильноевычислительное устройство доступного на текущий момент времени врача. Изучив полученную информацию о параметрах крови пациента, врач пишет рекомендацию.

Предложенный децентрализованный способ организации системы позволит уменьшить латентность, время отклика системы и обеспечить ее масштабируемость. Кроме того, обработка данных на МВУ врача и пациента, то есть реализация технологии туманных и краевых вычислений, позволит снизить нагрузку на каналы передачи данных сети медицинского учреждения и использовать уже существующую инфраструктуру мобильных сетей при подключении каждого нового пациента и врача.

Публикация подготовлена при поддержке грантов РФФИ № 18-2922086 и №18-05-80092.

Список литературы

1. GiaT. N. et al. Fog computing in healthcare internet of things: A case study on ecg feature extraction //2015 IEEE International Conference on Computer and Information Technology; Ubiquitous Computing and Communications; Dependable, Autonomic and Secure Computing; Pervasive Intelligence and Computing. IEEE, 2015. С. 356-363.

2. Aazam M., Huh E.N. E-HAMC: Leveraging Fog computing for emergency alert service // 2015 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communication Workshops (PerCom Workshops). IEEE, 2015. P. 518-523.

3 Kraemer F. A. et al. Fog computing in healthcare-a review and discussion // IEEE Access, 2017. Т. 5. P. 9206-9222.

4. Kitanov S., Monteiro E., Janevski T. 5G and the Fog—Survey of related technologies and research directions // 2016 18th Mediterranean Electro-technical Conference (MELECON). IEEE, 2016. P. 1-6.

5. Hu P. et al. Survey on fog computing: architecture, key technologies, applications and open issues //Journal of network and computer applications. 2017. Т. 98. P. 27-42.

6. Bonomi F. et al. Fog computing and its role in the internet of things //Proceedings of the first edition of the mCc workshop on Mobile cloud computing. ACM, 2012. P. 13-16.

7. Больница на дому с удаленным контролем врачей // mHealth. Мобильная медицина в России и мире [Электронный ресурс] URL: https://mhealthrussian.wordpress.com/2018/04/0з/больница-на-дому-с-удаленным-контролем/ (Дата обращения: 22.06.2019).

8. Честнов О.П. и др. Мобильные технологии на службе охраны здоровья // Медицинские новости, 2015. №. 2 (245).

9. Колосов А. С., Прошин А.В. Применение медицинских мобильных приложений в практике амбулаторно-поликлинического звена // Международный научно-исследовательский журнал, 2018. №. 1-2. С. 55-57.

10. Мобильное здравоохранение. Новые горизонты здравоохранения через технологии мобильной связи / Доклад о результатах второго глобального обследования в области электронного здравоохранения Серия «Глобальная обсерватория по электронному здравоохранению». Том 3. / Всемирная организация здравоохранения, 2013. 112 с.

369

11. Абдуманонов А.А. и др. О проектировании медицинских баз данных и информационных систем для организации и управления лечебно-диагностических процессов // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. 2016. Т. 10. №. 1.

12. Каляев И.А., Мельник Э.В. Децентрализованные системы компьютерного управления, 2011.

13. Никитин П.В., Мурадянц А.А., Шостак Н.А. Мобильное здравоохранение: возможности, проблемы, перспективы // Клиницист, 2015. Т. 9. №. 4.

14. Ткаченко В. Технология Wi-Fi // Обучение в интернет: [Электронный ресурс] URL: http://www.lessons-tva.info/articles/net/003.html (дата обращения: 28.07.2019).

Орда-Жигулина Дина Владимировна, младший научный сотрудник, dinazhigulina@,mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Южный научный центр Российской Академии наук,

Орда-Жигулина Марина Владимировна, научный сотрудник, iigulina a mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Южный научный центр Российской Академии наук

PRINCIPLES OF NON-INVASIVE SYSTEM ORGANIZA TIONBLOOD TEST

FOR MHEALTH

D. V. Orda-Zhigulina, M. V. Orda-Zhigulina

In this paper discusses the principles of organizing a medical information system for non-invasive blood analysis of patients based on the method of optoacoustic blood testing using nanoscale objects as contrast agents and using fog computing technology. The method and algorithms for optoacoustic blood testing with nano-sized objects are described with the goal to introduce them into the mobile healthcare segment. The construction and implementation of such a medical information system will reduce the cost of medical institutions for the maintenance of stationary jobs, as well as optimize the work and simplify the processing and storage of information without degree of quality and efficiency.

Key words: medical information system, optoacoustic effect, photoacoustic effect, mobile health care, mHealth, acoustic signal, fog computing, laser excitation of sound, data acquisition and processing systems.

Orda-Zhigulina Dina Vladimirovna, junior researcher, dinazhigulinaa mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences,

Orda-Zhigulina Marina Vladimirovna, researcher, iigiilina a mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.