CC BY
169
УДК 616.7;611.8
Е. А. Пустозеров, магистрант,
З. М. Юлдашев, д-р техн. наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)»
Система mHealth для информационной поддержки больного сахарным диабетом
Ключевые слова: информационная поддержка, мониторинг, сахарный диабет, смартфон, телемедицина, Healt 2.0, Mobile Health.
Key words: informational support, monitoring, diabetes, smartphone, telemedicine, Health 2.0, Mobile Health.
Рассмотрены вопросы разработки мобильных систем информационной поддержки больных сахарным диабетом. Сформулированы требования к системе, представлена структура информационного, инструментального и программного обеспечения мобильной системы информационной поддержки пациента. Осуществлена практическая реализация и апробация компонентов системы.
Введение
Сахарный диабет является одним из наиболее активно распространяющихся заболеваний. По оценкам специалистов, к 2030 году число больных сахарным диабетом 1 и 2-го типов возрастет до 366 млн человек и составит 4,4 % населения Земли (в 2000 году — 2,8 %) [1]. Для поддержания качества жизни, предотвращения развития осложнений сахарного диабета, гипер- и гипогликемического состояний больному сахарным диабетом необходим ежедневный самоконтроль. Для этого нужно проводить следующие мероприятия: несколько измерений гликемии, контроль за составом рациона и физическими нагрузками, фиксация значимых событий в дневнике наблюдений, для больных сахарным диабетом 1-го типа обязательна инсулинотерапия [2]. Для организации сбора и анализа данной информации могут быть применены программные средства поддержки. Стремительное развитие, общедоступность и простота использования мобильных устройств в последние годы содействовали формированию целого направления mHealth (англ. Mobile Health, оказание медицинской помощи посредством мобильных устройств). Оно открывает огромные возможности для своевременного оказания помощи больным хроническими заболеваниями, в частности сахарным диабетом.
Цель и задачи исследования
Цель настоящего исследования — разработка мобильной системы для информационной поддержки больных сахарным диабетом 1 и 2-го типов. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
• разработка концепции и обобщенной структуры системы Mobile Health для поддержки больного сахарным диабетом;
• разработка информационного обеспечения системы поддержки больных сахарным диабетом;
• разработка структуры инструментального и программного обеспечения (ПО) системы информационной поддержки пациента;
• техническая реализация и экспериментальная апробация системы.
Концепция построения и обобщенная структура системы
Концепция мобильной системы информационной поддержки пациента предполагает оказание медицинской помощи больному вне лечебного учреждения [3]. Система должна обеспечивать следующие возможности:
• систематизированный сбор и хранение измерительной информации и данных пациента локально в устройстве больного и централизованно на сервере;
• экспорт данных в различные форматы и обеспечение доступа врача и пациента к данным;
• предупреждение острых состояний в краткосрочной перспективе на основе анализа и обработки измерительной информации;
• статистический анализ данных и выработку рекомендаций пациенту в долгосрочной перспективе;
• связь врача с пациентом для оказания экстренной медицинской помощи;
биотехносфера
| № 1(25)/2013
Средства измерения показателей здоровья
Л
Смартфон пациента
Канал связи
О"";------------------а...
'««». ^ 1-й уровень управления ^. **
N
Сервер
\
2-й уровень \ управления J
ПК врача
т
Врач
Рис. 1 | Обобщенная структура системы информационной поддержки больного сахарным диабетом
• мотивацию пациента для проведения мероприятий в целях самостоятельного контроля за уровнем сахара в крови при диабете.
Мобильная система информационной поддержки больного сахарным диабетом в первую очередь должна обеспечивать функцию самоконтроля состояния здоровья. Обобщенная структура системы информационной поддержки, отвечающая требованиям, представлена на рис. 1.
Первый уровень управления состоянием пациента предполагает оценку показателей здоровья и функциональных систем организма за счет использования средств, находящихся непосредственно на смартфоне пациента. Подобная замкнутая система может обеспечить быстрый сбор информации и выработку рекомендаций на основе заложенных в приложении для смартфона моделей и вводимых данных, даже если пациент находится вне зоны доступа для связи.
Второй уровень управления предполагает коммуникацию пациента с врачом для того, чтобы последний мог выработать решения и определить мероприятия в целях лечения. Все данные, загруженные на смартфон, копируются на сервер, автоматически заполняя хранящуюся там электронную медицинскую карту пациента. Имея доступ к серверу, лечащий врач может анализировать данные, назначать мероприятия и модифицировать программу лечения. В случае экстренной ситуации должна быть возможность установить связь между врачом и пациентом напрямую.
Исследования [4] показывают, что пока практически отсутствуют какие-либо варианты решения вопроса обучения и информационной поддержки
больного с помощью мобильных приложений, хотя сам по себе вопрос остается актуальным. Для того чтобы справиться с этими задачами, необходимо обеспечить вывод актуальной информации о состоянии пациента и рекомендации в системе на локальном и централизованном уровнях за счет анализа измерительной информации за определенный период времени.
Мотивацию пациента планируется поддержать путем интеграции в систему элементов концепции Health 2.0 [5], которая предполагает вовлечение больного в процесс лечения, использование технологий Web 2.0 для обмена опытом между ним и врачом. Примером реализации концепции может служить приложение для iPhone Bant [6], которое осуществляет трансляцию сообщений о текущем уровне сахара в крови в микроблог Twitter. В данной системе предлагается создание прогрессивной рейтинговой шкалы пользователя. В зависимости от объема проводимых мероприятий и успешности компенсации ему начисляются баллы и предоставляется возможность получить качественную и количественную оценку эффективности его действий.
Разработка информационного обеспечения системы
Информационное обеспечение составляют математические модели для оценки и прогнозирования состояния пациента [7], база знаний, на основе которой осуществляется вывод рекомендаций, локальная (БДЛ) и централизованная (БДЦ) базы
Системы mHealth
Средства измерения показателей здоровья
Yi
Xi
Смартфон Пациента
Рис. 2 | Информационные потоки в системе информационной поддержки пациента
данных. Информационные потоки в системе представлены на рис. 2.
Данные о текущем состоянии пациента, снятые при помощи средств измерения показателей здоровья Х-1 или введенные пациентом непосредственно в смартфон Х2, сохраняются в БДЛ. К группе показателей Х1 отнесены уровень сахара в крови, вес пациента, артериальное давление, при использовании инсулиновой помпы в эту группу также можно включить программу введения инсулина. Группу показателей Х2 составляют информация о принимаемой пище (количестве содержащихся в ней углеводов, белков, жиров), инъекциях инсулина и субъективные оценки состояния здоровья.
На основе полученной информации на первом уровне управления система может генерировать рекомендации пациенту У^. Рекомендации больному составляются на основе заложенных в ПО смартфона решающих правил, в соответствии с которыми проводится анализ данных за определенный промежуток времени.
Если есть возможность обмена данными по каналу связи между смартфоном пациента и сервером, осуществляется синхронизация данных с сервером, в ходе которой новые записи Х3 транслируются из БДЛ в БДЦ на сервере, данные, записанные в БД, и результаты обработки данных вычислительным комплексом (ВК) Х3 также могут быть доступны пациенту, в том числе при использовании другого устройства (например, персонального компьютера пациента). ВК сервера осуществляет статистический анализ данных, оценку показателей здоровья и показателей функциональных систем организма
на основе заложенных в систему математических моделей и базы знаний.
По надежному каналу связи между рабочим местом врача и сервером осуществляется передача данных X3 и предписаний врача Y2, направляемых пациенту через сервер, если пользователь находится в зоне доступа Y2. В экстренной ситуации врач также может связаться с пациентом непосредственно Y3, минуя сервер.
Разработка структуры инструментального и программного обеспечения системы
Структура инструментального обеспечения системы (hardware) представлена на рис. 3. При самоконтроле уровня сахара в крови используются глюкометр, тонометр, весы, при помповой инсули-нотерапии — дополнительно инсулиновая помпа. Если приборы могут передавать данные посредством Bluetooth, то информацию удается доставить на вход мобильного устройства пациента непосредственно по каналу беспроводной связи. В ином случае пациент вручную вводит информацию в смартфон вместе с остальными данными.
Сервер представляет собой централизованное хранилище данных и вычислительный комплекс, обеспечивающий доступ к информации посредством веб-интерфейса. На рабочем месте врача обеспечен доступ к серверу посредством надежного канала связи.
В структуру ПО системы (рис. 4) входит локальное ПО на смартфоне пациента и ПО на сервере. Локаль-
биотехносфера
I № !(25)/200
Wi-Fi Точка доступа
Рис. 3 | Инструментальная структура системы
Рейтинговая система, экспорт результатов в соцсети
Библиотеки AChartEngine, AndroidPlot
Статистический анализ данных, графическое отображение
Библиотеки dom 4j, gson, Apache POI
Экспорт и импорт данных (в форматы .xml, .json, .xls)
Интерфейс приложения
Фоновый сервис для оповещений
Рис. 4 | Структура программного обеспечения системы
ное ПО представляет собой приложение со следующими функциональными блоками: интерфейсом, адаптером базы данных, блоком синхронизации с измерительными приборами, оснащенными Ыие'Ъоо'ЪЬ, блоком экспорта данных в различные форматы и импорта данных, фоновым сервисом оповещений, блокам анализа данных и рейтинговых оценок. При синхронизации данных осуществляется перенос новых записей из смартфона в сервер посредством передачи небольшого по объему файла в формате ^оп.
ПО сервера представляет собой многопользовательское веб-приложение с реляционной базой данных. Пациент и врач наделяются определенными полномочиями и могут получить доступ к электронным записям, хранящимся на сервере, после авторизации.
Техническая реализация и экспериментальная апробация системы
Система может быть реализована с применением мобильных устройств на платформах Android, iOS, Symbian на стороне пользователя и сервера лечебно-профилактического учреждения для централизованного хранения, обработки информации и обеспечения доступа к ней. В ходе исследования было разработано приложение DiaCompanion (рис. 5) на платформе Android для реализации функциональности, описанной в предыдущих разделах.
Структурная схема основных активностей приложения представлена на рис. 6. Для хранения записей в смартфоне пользователя применяется локальная база данных SQLite. Для его оповещения
SAMSUNG
4 X ■
История записей
Измерение давления 02:00 20/02/13
10,9 Ед, Средний 02:00 15/02/13
5-0 имоль/Л 12:53 10/02/13
Физическая активность 19:30 08/02/13
7,1 ммоль/Л 13:42 07/02/13
Обед 13:41 07/02/13
14.9 ммойь/Л 13:40 07/02/13
12-3 ыыоль/Л 13:40 07/02/13
Обед 17:31 06/02/13
5.0 ммоль/Л 17:30 06/02/13
5.0 Ед Корокий 17:30 06/02Л 3
6,0 ммоль/Л 15:28 06/02/13
Рис. 5 | Приложение DiaCompanion для ОС Android
Рис. 7 | Апробация системы на смартфонах
о наступающих событиях (например, планируемом пациентом приеме лекарства) создаются фоновые сервисы, работающие даже в том случае, когда все активности приложения были закрыты. Оповещение пользователя осуществляется с помощью отображения уведомления в строке состояния, вибрации или звукового сигнала по выбору пациента. В систему встроена редактируемая база данных продуктов для быстрого ввода записей о принимаемой пище. Каждая строка в ней содержит информацию о количестве белков, жиров, углеводов, энергетической ценности 100 г продукта, гликеми-ческом индексе и полезности продукта.
Для отображения информации в виде графиков и диаграмм используются библиотеки AChartEngi-ne и AndroidPlot. Экспорт записей из базы данных в форматы .xml, .json и .xls осуществляется с помощью библиотеки dom4g, gson, Apache POI. Файлы в формате .json применяются для пересылки файлов по Интернету при синхронизации данных
Измерение сахара
Добавление события, настройка оповещений
История записей, экспорт данных, рейтинговая статистика
Главное меню
Выработка рекомендаций
Введение инсулина
Прием пищи
Статистический анализ, графическое представление
Редактирование базы данных продуктов
Рис. 6
Основные активности мобильного приложения DiaCompanion
между БДЛ пациента и его учетной записью на сервере. Экспорт в .xls обеспечивает представление файлов в виде электронных таблиц, удобных для анализа.
Серверная часть системы находится в стадии разработки. Особая роль в данном звене придается деперсонализации и сохранности данных. Серверная часть представляет собой веб-приложение, которое обеспечивает хранение и анализ записей всех пациентов в отдельных таблицах БД MySQL.
Приложение DiaCompanion можно использовать отдельно, как личное средство самоконтроля пациента. В нем реализован первый контур управления в системе. В простейшем случае можно организовать передачу данных врачу без обращения к серверу. Одним из таких решений может быть периодическая пересылка данных на заданный электронный почтовый ящик либо личная передача файлов в формате .xls.
Приложение было апробировано на различных устройствах на платформе Android и эмуляторах (рис. 7). Оно работает на всех версиях Andorid начиная с 2.0. Приложение показало высокую надежность и удобство использования на всех тестируемых устройствах (Samsung Galaxy S, Samsung Galaxy S3, HTC HD 2 и др.). В настоящее время готовится апробация приложения с участием больных сахарным диабетом.
Выводы
Анализ вышеприведенного материала позволяет сделать следующие выводы. Использование современных информационных и телекоммуникационных технологий позволяет создавать мобильные
биотехносфера
| № 1(25)/2013
Системы mHealth
системы поддержки, способные повысить качество жизни больных сахарным диабетом. Система информационной поддержки должна включать в себя два контура управления: локальный, осуществляющий непрерывную поддержку пациента даже в случае утраты связи с мобильным устройством, и централизованный, позволяющий корректировать программу лечения, вносить изменения по критериям оценки, применять решающие правила поддержки на основе динамического анализа течения заболевания. Все данные длительного наблюдения за состоянием здоровья пациента следует копировать и хранить на центральном сервере, тогда лечащий врач будет иметь доступ к ним в любое время, сможет анализировать характер течения заболевания и вносить изменения в программу лечения. В экстренной ситуации предполагается обеспечить контакт лечащего врача с пациентом напрямую, через канал мобильной связи.
Для реализации системы и обеспечения необходимых функциональных возможностей не требуются высокопроизводительные средства в мобильном комплекте пациента, достаточно доступных по стоимости коммуникатора пользователя и средств биометрии.
| Литература |
1. Wild S., Roglic G., Green A. et al. Global prevalence of diabetes: estimates for the year 2000 and projections for 2030 // Diabetes Care. 2004. Vol. 27, N 5. P. 1047-1053.
2. Дедов И. И., Шестакова М. В. Алгоритмы специализированной медицинской помощи больным сахарным диабетом: Методические рекомендации. М.: Медиа-Сфера, 2007. 104 с.
3. Пустозеров Е. А., Юлдашев 3. М. Телемедицинская система оценки риска заболевания сахарным диабетом // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 5. С. 61-65.
4. Chomutare T., Fernandez-Luque L., Ersand E. et al. Features of Mobile Diabetes Applications: Review of the Literature and Analysis of Current Applications Compared Against Evidence-Based Guidelines // Med. Internet Res. 2011. Vol. 13, N 3. P. e65.
5. Eysenbach G. Medicine 2.0: Social Networking, Collaboration, Participation, Apomediation, and Openness // J. Med. Internet Res. 2008. Vol. 10, N 3. P. e22.
6. Hamming N. M., Casselman M, Tallevi K. et al. Mobile Diabetes Self-Management System from the iPhone // HealthCare Human Factors. 2011. Aug. P. 4.
7. Гоменюк С. М., Емельянов А. О., Карпенко А. П. и др. Методы прогнозирования оптимальных доз инсулина для больных сахарным диабетом I типа. Обзор // Наука и образование. 2009. № 4. URL: http://technomag.edu.ru/ doc/119663.html.
Г.
ТЙЙпЗг А В ДУ"360' * В' Подмастерьев, /GSSSmi Е.А. Жеребцов, А.И. Жеребцом
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА 6 ДИАГНОСТИКЕ, ТЕРАПИИ И ХИРУРГИИ: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Iе» ЛЕ 1 Е,
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК»
п р е д л а г а е т учебное пособие, рекомендованное Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации: Дунаев А. В., Подмастерьев К. В., Жеребцов Е. А., Жеребцова А. И. Оптико-электронные устройства в диагностике, терапии и хирургии: лабораторный практикум: учебное пособие. Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК», 2012. 86 с.
Учебное пособие содержит теоретические основы медицинской оптико-электронной аппаратуры и лабораторный практикум, посвященный принципам работы основных устройств и функциональных блоков оптико-электронной техники для диагностики и терапии.
Пособие предназначено студентам высших учебных заведений, обучающимся в магистратуре по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии». Содержание учебного пособия построено с учетом профессиональных компетенций ФГОС ВПО данного направления, соответствующих учебным модулям дисциплины «оптико-электронные устройства в диагностике, терапии и хирургии».
Пособие могут использовать студенты, обучающиеся по направлению подготовки бакалавров 201000.62 «Биотехнические системы и технологии», специалистов 200402.65 «Инженерное дело в медико-биологической практике», студенты других специальностей, изучающие дисциплины в области оптико-электронных устройств медицинского назначения, а также специалисты медицинского и технического профиля, занимающиеся вопросами
V
создания и эксплуатации оптико-электронной медицинской техники.
J
