CC BY
37
УДК 612.173; 536.758
С. А. Балахонова, О. Н. Бодин, В. Г. Полосин, А. С. Сергеенков, А. Г. Убиенных, Г. Ф. Убиенных
СТРУКТУРА ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КАРДИОВИД» С ПОВЫШЕННОЙ ДОСТОВЕРНОСТЬЮ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
INFORMATION INTERACTION STRUCTURE OF DISTRIBUTED COMPUTER DIAGNOSTIC SYSTEM «CARDIOVID» WITH HIGH RELIABILITY OF DATA TRANSFER
Аннотация. Актуальность и цели. Целью работы является исследование информационного взаимодействия в компьютерной диагностической системе «Кардиовид» на основе модели взаимодействия открытых систем при оказании кардиологической помощи в условиях свободной активности пациента, обоснование модели принятия решения и способа повышения достоверности передачи данных. Материалы и методы. Теоретическую и методологическую основу исследований составили труды в области неинвазивной кардиодиагностики и взаимодействия открытых систем. В ходе исследований проанализированы закон и методические указания об оказании медицинской помощи. При проведении исследований использовались методы кардиологии и информационных систем. Результаты. Разработана структура информационного взаимодействия распределенной компьютерной диагностической системы «Кардиовид» с повышенной достоверностью передачи данных. Рассмотрена семиуровневая модель информационного взаимодействия кардиологической диагностической системы с пользователем, для которого организовано повышение достоверности передачи данных и предложен способ декодирования канальных кодов типа CMI (Complemented mark inversion), увеличивающий достоверность приема двоичных сигналов. Выводы. Предложенная структура информационного взаимодействия распределенной компьютерной диагностической системы «Кардиовид» на основе модели взаимодействия открытых систем позволит повысить достоверность оценки состояния сердца при неинвазивной кардиодиагностике, профилактических обследованиях и доклинической диагностике сердца в условиях свободной активности пациента.
Abstract. Background. The aim is to study the information interaction in computer diagnostic kardiovid system based on the open systems interconnection model in the delivery of cardiac care in a patient free activity, the rationale for decision-making model and method for increasing the reliability of data transmission. Materials and methods. The theoretical and methodological basis of research works made in the field of non-invasive cardio diagnosis and the open systems interconnection. The studies analyzed the law and guidance on the provision of care. In conducting research methods were used and cardiology information systems. Results. The structure of information interaction of distributed computer diagnostic kardiovid system
S. A. Balakhonova, O. N. Bodin, V. G. Polosin, A. S. Sergeenkov, A. G. Ubiennykh, G. F. Ubiennykh
with increased data reliability. We consider the seven-layer model of informational interaction of diagnostic cardio system with user, for which is organized to increase reliability of the data and provides a method for decoding channel CMI type codes (Complemented mark inversion), which increases the accuracy of receiving binary signals. Conclusions. The proposed structure is a distributed information interaction of computer diagnostic kardiovid system based on the open systems interconnection model will improve the accuracy of the assessment of condition heart with a non-invasive cardio diagnosis, preventive examinations and pre-clinical diagnosis of heart in a patient free activity.
Ключевые слова: неинвазивная кардиогностика, модель взаимодействия открытых систем, канальные коды, достоверность передачи данных.
Key words: noninvasive, diagnostics of heart, OSI model, the channel codes, reliability of data transfer.
Введение
Основное внимание в приоритетном национальном проекте «Здоровье» [1] уделяется укреплению диагностической службы первичной медицинской помощи, оснащению медицинских учреждений современным диагностическим оборудованием и обеспечению населения высокотехнологичной медицинской помощью. Благодаря широкому внедрению информационных технологий в практическом здравоохранении появилось много новых методов анализа кардиографической информации. Однако, несмотря на значительные достижения в медицине, проблема повышения эффективности диагностики кардиографической информации сохраняет свою актуальность в связи:
- с ограниченными ресурсами в системе здравоохранения;
- с увеличением доли сердечно-сосудистых заболеваний в структуре заболеваемости и смертности;
- со старением населения.
В компьютерной диагностической системе (КДС) «Кардиовид» [2] на основе модели взаимодействия открытых систем (модель OSI - Open System Interconnection) [2, 3] предлагается новая модель оказания медицинской помощи [4, 5], способная повысить оперативность медицинского обслуживания, достоверность передачи данных и улучшить таким образом координацию медицинского обслуживания в процессе диагностики и лечения пациента.
Решение проблемы повышения эффективности диагностики кардиографической информации позволит поднять отечественное здравоохранение на новый, более качественный уровень.
Цель работы: исследование информационного взаимодействия в КДС «Кардиовид» с точки зрения модели OSI при оказании кардиологической помощи в условиях свободной активности пациента, обоснование модели принятия решения и способа повышения достоверности передачи данных.
Материалы и методы. Теоретическую и методологическую основу исследований составили труды в области неинвазивной кардиодиагностики и взаимодействия открытых систем [1-3, 6-9]. В ходе исследований проанализированы закон и методические указания об оказании медицинской помощи [6, 8]. При проведении исследований использовались методы кардиологии и информационных систем.
Результаты и их обсуждение. КДС «Кардиовид» разработана для неинвазивной оценки состояния сердца по данным электрокардиосигналов (ЭКС) при скрининг-диагностике, профилактических обследованиях и доклинической диагностики сердца в условиях свободной активности пациента.
В основе работы системы лежит анализ ЭКС пациента комбинированными методами (нейросетевым, амплитудно-временным, вейвлетным), моделирование электрической активности сердца с использованием модели эквивалентного электрического генератора, отображение диагностической информации с использованием трехмерной модели сердца.
В состав комплекта входят: беспроводной кардиоанализатор, сервер КДС «Кардиовид», программное обеспечение для диагностики, которые обеспечивают следующие возможности:
- ведение базы данных пациентов;
- просмотр ЭКС и определение информационных параметров ЭКС;
- анализ ЭКС на предмет наличия заболеваний;
- моделирование электрической активности сердца;
- отображение трехмерной модели сердца;
- вспомогательные функции: импорт файлов ЭКС, взаимодействие с другими медицинскими информационными системами (МИС), многоязыковая поддержка, печать отчетов.
Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI [2, 3]. Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах при организации сеанса связи. Поэтому совершенно естественным представляется исследование информационного взаимодействия в КДС «Кардиовид» с точки зрения модели OSI при оказании кардиологической помощи в условиях свободной активности пациента.
Семиуровневая модель OSI
Основными элементами модели являются уровни, прикладные процессы и физические средства соединения. На рис. 1 представлена структура базовой модели OSI.
Рис. 1. Модель OSI
Каждый уровень модели OSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети. Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам.
Информационное взаимодействие в КДС «Кардиовид» с точки зрения модели OSI
Наиболее популярным способом информационного взаимодействия в сети Internet является работа с сайтами с помощью web-браузеров (Internet Explorer, Mozilla Firefox, Opera и т.п.). Минимальный набор, необходимый пользователю ресурсов Internet, - это наличие подключения к Internet и web-браузер, причем тип компьютера (персональный компьютер (ПК) ноутбук, карманный ПК, смартфон и т.д.) и тип операционной системы (Windows, Linux, Unix,
MacOS, Solaris и т.д.) не оказывают влияние на возможности информационного взаимодействия в сети Internet. Структура информационного взаимодействия распределенной КДС «Кардиовид» приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структура информационного взаимодействия распределенной КДС «Кардиовид»
Клиенты КДС «Кардиовид», работающие с помощью web-браузеров, обращаются к серверу КДС через интерфейс связи с сервером, причем их обращения в первую очередь обрабатываются http-сервером, затем internet-приложением КДС и, если это необходимо, в процесс обработки обращений включается сервер КДС «Кардиовид». С точки зрения модели OSI данное взаимодействие осуществляется на прикладном уровне, который обеспечивает прикладным процессам средства доступа к области взаимодействия. Одна из основных задач этого уровня - определить, как следует обрабатывать запрос прикладной программы, другими словами, какой вид должен принять данный запрос. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message). Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть.
Для просмотра информационных ресурсов, предоставляемых тем или иным internet-сайтом, пользователь вводит в адресной строке web-браузера адрес сервера и путь к сайту (http://www.mysite.zone/sitepath) либо щелкает на гиперссылке. С точки зрения модели OSI это происходит на представительском уровне, который отвечает за представление данных, передаваемых между прикладными процессами, в нужной форме. В результате этих действий web-браузер формирует http-запрос, который адресуется указанному серверу. С точки зрения модели OSI это обеспечивает сеансовый уровень - уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами и осуществляющий управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации.
В качестве сервера может служить любой компьютер с произвольной операционной системой. На этом компьютере запущена программа «http-сервер», которая обрабатывает полученный запрос клиента, формирует результат (обычно html-страница) и передает его клиенту, от которого был получен запрос, после чего клиентский web-браузер показывает принятую html-страницу пользователю. С точки зрения модели OSI это обеспечивается нижними уровнями: транспортным, сетевым, канальным и физическим. При этом транспортный уровень предназначен для передачи пакетов через коммуникационную сеть. На транспортном уровне пакеты разбиваются на блоки. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням модели (прикладному и сеансовому) передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Наиболее распространенным протоколом транспортного уровня является протокол TCP (Transmission Control Protocol) - протокол управления передачей стека TCP/IP.
На сетевом уровне обеспечивается прокладка канала, соединяющего абонентские и административные системы через коммуникационную сеть, выбор маршрута - наиболее быстрого и надежного пути. Кроме этого, сетевой уровень сообщает транспортному уровню о появляющихся ошибках. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). В них помещаются фрагменты данных. Сетевой уровень отвечает за их адресацию и доставку. Прокладка наилучшего пути для передачи данных называется маршрутизацией, и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Наиболее часто на сетевом уровне используется протокол IP (Internet Protocol) - протокол Internet, сетевой протокол стека TCP/IP, который предоставляет адресную и маршрутную информацию.
На канальном уровне обслуживаются запросы сетевого уровня и используется сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Единицей информации канального уровня являются кадры (frame). Кадры - это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
Таким образом, в зависимости от клиентского запроса и от настроек http-сервера клиент может получить заранее подготовленную (статическую) html-страницу, либо html-страницу, сформированную динамически (индивидуальный ответ на конкретный клиентский запрос). Для динамического формирования html-страниц могут использоваться различные технологии: ASP, CGI, ISAPI и др.
Рассмотрим подробнее реализацию в КДС «Кардиовид» физического уровня модели OSI.
Повышение достоверности передачи данных на основе канального кода
В рамках совершенствования способов передачи данных авторами предлагается способ декодирования канальных кодов типа CMI (Complemented mark inversion), увеличивающий достоверность приема двоичных сигналов [7]. Сущность способа заключается в том, что при кодировании канальным кодом каждый двоичный бит преобразуется в два биимпульса с частой сменой полярности сигнала. Это необходимо для самосинхронизации приемного устройства. Кроме того, для повышения помехоустойчивости передачи применяют биполярный сигнал типа ( + и, -и). Таким образом, при кодировании канальным кодом k двоичных бит отображаются в n=2k биполярных сигналов, что соответствует введению избыточности в первичный код. Эту избыточность используют для обнаружения искажений (ошибок) при приеме канального кода.
При демодуляции канальных кодов в приемнике с помощью стробирования и анализа структуры кода обнаруживаются искажения, информация о которых подается на следующий уровень помехоустойчивого декодирования в виде сигнала «стирание», что обеспечивает повышение достоверности приема информации. Структурная схема демодулятора канального кода приведена на рис. 3.
Канал связи
2 Блок синхронизации Блок обнаружения ошибок Ошибка
А Блок преобразования ^ канального кода
ТИ1 , i i ТИ2 L 4 / 1 г i
Блок выраб отки тактовых импульсов ТИЗ i ТИ1 i | ► Двоичный код
Рис. 3. Структурная схема демодулятора канального кода
При демодуляции канального кода в двоичные сигналы добавляются вырабатываемые блоком синхронизации синхронные тактовые импульсы ТИ1 с частотой следования, обратной длине тактового интервала Т. На основе тактовых импульсов ТИ1 и вырабатываются тактовые импульсы ТИ2 и ТИ3, следующие соответственно с тактовым интервалами Т/2 и 2Т (рис. 4).
Рис. 4. Временные диаграммы демодуляции канального кода
С помощью тактовых импульсов ТИ2 и ТИ3 в блоке обнаружения ошибок выделяют последовательности из двух соседних запрещенных канальным кодом комбинаций и сообщают об ошибке преобразования канального кода в двоичный код. Работа демодулятора промоделирована в среде MATLAB Л2014а, полученные результаты моделирования подтверждают повышение достоверности передачи данных.
Вероятность обнаруженных ошибок Qоо можно оценить по формуле
боо (и) = бош (п)-бно (п) ,
где бош - вероятность появления ошибки; бно - вероятность необнаружения ошибки при р = 1-10-3 бно (и ) = 0,00505.
Таким образом, на 50 % увеличивается количество вариантов обнаруживаемых ошибок, а вероятность безотказной работы (Р3) при передаче данных равна Р3 = 1 - 0,00505 = 0,99495 .
Заключение
В структуре информационного взаимодействия распределенной КДС «Кардиовид» реализована модель взаимодействия открытых систем (OSI) с повышенной достоверностью передачи данных на физическом уровне. Повышение достоверности передачи данных осуществляется за счет использования демодуляции канальных кодов типа CMI, что позволяет повысить достоверность оценки состояния сердца в компьютерной диагностической системе.
Список литературы
1. Направления, основные мероприятия и параметры приоритетного национального проекта «Здоровье». - URL: http://eafedorov.ru/node753.html
2. Олифер, В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы : учебник для вузов / В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. - 3-е изд. - СПб. : Питер, 2006. - 958 с.
3. Технология открытых систем / под ред. А. Я. Олейникова. - М. : ЯнусК, 2004. - 288 с.
4. Бодин, О. Н. Концепция диагностики состояния сердца в условиях свободной активности / О. Н. Бодин, А. Г. Иванчуков, В. Г. Полосин, М. А. Петровский // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6.
5. Бодин, О. Н. Трехуровневая модель принятия решения о критическом состоянии сердца в КДС «Кардиовид» / О. Н. Бодин, Л. Ю. Кривоногов, Я. А. Пижонков, М. И. Сафронов // Кардиостим - 2016 : сб. тезисов. - СПб., 2016. - С. 230.
6. Краткая медицинская энциклопедия : в 3 т. АМН СССР / гл. ред. Б. В. Петровский. -2-е изд. - М. : Советская энциклопедия, 1989. - Т. 1. - 624 с.
7. Патент РФ № 2521299 Российская Федерация. Способ и устройство для демодуляции канального кода / Савельев Б. А., Бобрышева Г. В., Убиенных А. Г., Кручинина М. В. -заявл. 01.11.2012 ; опубл. 27.06.2014. - БИ № 18.
8. Федеральный закон от 21.11.2011 № 323-ФЗ «Об основах охраны здоровья граждан в Российской Федерации» // Российская газета. - 2011. - № 263.
9. Болезни органов кровообращения / под. ред. Е. И. Чазов. - М. : Медицина, 1997. - 832 с.
Balakhonova Svetlana Aleksandrovna
postgraduate student,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Балахонова Светлана Александровна
аспирант,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Бодин Олег Николаевич
доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Полосин Виталий Германович
кандидат технических наук, докторант, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Сергеенков Антон Сергеевич
аспирант,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: [email protected]
Убиенных Анатолий Геннадьевич
старший преподаватель, кафедра информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Убиенных Геннадий Федорович
кандидат технических наук, доцент, кафедра информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Bodin OlegNikolaevich
doctor oftechnical sciences, professor,
sub-department of information
and measuring equipment and metrology,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Polosin Vitaliy Germanovich
candidate of technical sciences, doctoral student,
sub-department of information
and measuring equipment and metrology,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Sergeenkov Anton Sergeevich
Postgraduate student,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Ubiennykh Anatoliy Gennad'evich
senior lecturer,
sub-department of information and computing systems, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Ubiennykh Gennadiy Fedorovich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of information
and computing systems,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 612.173; 536.758
Структура информационного взаимодействия распределенной компьютерной диагностической системы «Кардиовид» с повышенной достоверностью передачи данных / С. А. Балахоно-ва, О. Н. Бодин, В. Г. Полосин, А. С. Сергеенков, А. Г. Убиенных, Г. Ф. Убиенных // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 1 (15). - С. 95-102.
