Мобильные телемедицинские комплексы для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Сенин, Андрей Александрович

• Сенин, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сенин, Андрей Александрович

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Системы внебольничной телемедицины (телекардиологический аспект).

1.1. Введение.

1.2. Медицинские информационные системы.

1.3. Информационно-измерительные подсистемы в составе систем внебольничной телемедицины.

1.3.1. Мобильные решения.

1.3.2. Применение карманных персональных компьютеров, коммуникаторов и смартфонов.

1.3.3. Унификация и стандартизация систем.

1.4. Методология анализа и проектирования телемедицинских систем амбулаторной функциональной диагностики.

1.5. Анализ систем внебольничной телекардиологии.

1.5.1. Архитектура систем внебольничной телекардиологии.

1.5.2. Обоснование задач исследования.

1.6. Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. Метод синтеза и архитектурный образец мобильного телемедицинского комплекса для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы.

2.1. Модель прикладной области.

2.1.1. Информационная модель мобильного комплекса.

2.1.2. Процесс функциональной теледиагностики.'.

2.2. Модель вариантов использования каркаса мобильного комплекса.

2.2.1. Детализированная контекстная диаграмма.

2.2.2. Функциональность мобильного комплекса.

2.3. Логическая модель каркаса мобильного телемедицинского комплекса

2.3.1. Диаграмма концептуальных классов каркаса.

2.3.2. Логическая схема данных картотеки мобильного комплекса.

2.3.3. Платформо-независимая модель архитектурного каркаса МТК.

2.3.4. Платформо-зависимая модель МТК.

2.3.5. Логическая модель сообщений функциональной теледиагностики

2.4. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Метод сжатия и передачи электрокардиосигналов в реальном масштабе времени.

3.1. Информационный анализ цифровых электрокардиосигналов.

3.2. Дельта-кодирование с несколькими порядками разностей .Л.

3.3. Телемониторирование электрокардиограмм.

3.4. Результаты эксперимента.

3.5. Сравнение показателей сжатия ЭКС различными методами.

3.6. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. Реализация мобильного телемедицинского комплекса для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы.

4.1. Измерительная часть.

4.2. Модели программных компонентов.

4.2.1. Модель программных компонентов для коммуникатора.

4.2.2. Модель программных компонентов для субноутбука.

4.3. Модели развертывания.

4.3.1. Модель развертывания на базе коммуникатора.

4.3.2. Модель развертывания на базе субноутбука.

4.4. Интерфейс мобильного пользователя.

4.4.1. Реализация интерфейса на коммуникаторе.

4.4.2. Реализация интерфейса на субноутбуке.

4.5. Медицинские испытания и внедрение.

4.6. Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мобильные телемедицинские комплексы для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы»

Заболевания сердечно-сосудистой системы (ССС) в наше время стали носить характер эпидемии. Ишемическая болезнь сердца и ее осложнения, нарушения ритма и проводимости, гипертоническая болезнь, приводят к высоким социальным потерям и являются лидирующими показателями заболеваемости, временной нетрудоспособности, инвалидности и смертности. По сведениям академика Чазова [65] в 2005 г. в России умерло 2,303 миллиона человек, из них более половины (1,291 миллиона) — от сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) и их осложнений.

В числе факторов риска внезапной сердечной смерти на первых местах: ишемия и электрическая нестабильность миокарда, острый инфаркт миокарда (ОИМ), острое нарушение мозгового кровообращения. Решая диагностические и лечебные задачи этого класса заболеваний, врачи нуждаются в объективной и своевременной информации, характеризующей состояние ССС. Это относится к первичному обследованию больных с целью установления диагноза, к периоду стационарного или амбулаторного лечения, а также к периоду наблюдения после выписки из стационара.

В настоящее время основными методами исследования ССС на всех этапах ведения кардиологических больных являются электрокардиография (ЭКГ), суточное мониторирование электрокардиограммы (СМЭКГ) и суточное мониторирование артериального давления (СМАД) [63].

Наиболее распространенным методом является ЭКГ - информативный метод диагностики ишемической болезни сердца, нарушений ритма и проводимости, других патологических состояний миокарда.

Вместе с тем, современные технические средства позволяют вести непрерывные измерения биоэлектрической активности миокарда на протяжении суток и более по методу Холтера. Именно этот способ непрерывной регистрации ЭКГ получил название суточного мониторирования ЭКГ и широко используется в настоящее время. Огромная потребность в проведении СМЭКГ определяется его высокой информативностью и объективностью, отсутствием противопоказаний, необременительностью для больных, возможностью оценки состояния ССС в реальных жизненных условиях.

Также и метод суточного мониторирования артериального давления (СМАД) служит для наблюдения в реальных условиях и позволяет оценивать суточный профиль артериального давления (АД), диагностировать артериальную гипертонию, выявлять пограничные состояния, назначать адекватную терапию и оценивать эффективность лечения. Только с помощью СМАД возможна диагностика утренних подъемов АД, которые являются частой причиной развития ОИМ и острого нарушения мозгового кровообращения.

Исследования ССС в настоящее время проводятся на базе отделений функциональной диагностики лечебных учреждений. Вследствие разделения во времени первичного обследования больного, функционального исследования и постановки диагноза догоспитальный период наблюдения часто оказывается чрезмерно большим, в особенности при пространственном разделении участников процесса. Для своевременного получения данных о патологических состояниях необходимо сокращение этого периода, что может быть обеспечено г средствами внебольничной телемедицины при регистрации данных в амбулаторных условиях, в том числе и в домашних, с передачей данных по телекоммуникациям в удаленную службу функциональной диагностики и с последующим получением квалифицированного врачебного заключения также через телекоммуникации [65]. В этой связи оказываются востребованными мобильные телемедицинские комплексы (МТК) для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Системы дистанционной функциональной диагностики заболеваний ССС для мобильной поддержки амбулаторных исследований уже начали развиваться. Значительный вклад здесь внесли отечественные ученые и специалисты: Казанцев А.П., Шокин В.И., Федорова С.И., Федулаев Ю.Н., Булыгин В.П. и др. В первую очередь распространялась мобильная электрокардиография (МЭКГ). Первые успешные решения в этой области у нас в стране были получены коллективом авторов — Дроздовым Д.В., Левановым В.М., Обуховой O.E., Сергеевым Д.В. Новые возможности для амбулаторной функциональной диагностики открыли карманные персональные компьютеры (КПК). В нашей стране первооткрывателями на этом пути стали Смирнов Ю.А. и Смирнов К.Ю.

В настоящее время привлекает внимание распространение коммуникаторов и прочих портативных вычислительных платформ с мобильными телекоммуникационными возможностями. Появление мобильных информационных технологий обещает новые решения приоритетных задач здравоохранения. Поэтому исследование архитектуры и синтез портативных телемедицинских комплексов для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний ССС представляется важным и актуальным.

Работа была начата по программе Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине» в 2005 г. и продолжена в рамках научного проекта 01.2007.05316 «Исследование и разработка телемедицинской системы управления дистанционным обследованием и диагностикой сердечнососудистых заболеваний во внебольничных условиях (мобильная и домашняя телекардиология)» по плану Института биологического приборостроения РАН.

Цель исследования - повышение эффективности МТК для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний ССС на основе использования портативных вычислительных устройств, развиваемой платформо-независимой архитектуры, автономных баз данных, беспроводной связи и совершенствования методов кодирования функциональных сигналов. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

1) формирование платформо-независимого архитектурного образца МТК для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний ССС;

2) оптимизация кодирования электрокардиосигналов для передачи в реальном масштабе времени по низкоскоростным каналам связи;

3) разработка алгоритма передачи электрокардиосигналов в реальном масштабе времени, обеспечивающего телемониторирование ЭКГ;

4) синтез МТК для амбулаторной функциональной диагностики ССЗ методами ЭКГ с возможностью телемониторирования, а также методами суточного мониторирования ЭКГ и АД, реализуемого на портативных вычислительных платформах.

Методология и методы исследования

Для решения задач исследования применялись методы объектно-ориентированного анализа и проектирования, реляционной алгебры, теории информации, цифровой обработки сигналов. Для описания результатов структурного системного анализа использовался язык UML 2.0, среда анализа и проектирования Sparx Systems Enterprise Architect 8.0. Для программирования использовались среды программирования: National Instruments Lab VIEW 7.1, Microsoft Visual Studio 2008 (С++, C#). Для математических расчетов использовался пакет Mathworks MATLAB 7.3.0 (R2006b). Испытания проводились в 11 лечебно-профилактических учреждениях Москвы и Московской области, в том числе: Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф.Владимирского, Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, больница Пущинского научного центра РАН.

Научная новизна

В работе были получены новые научные результаты, позволяющие повысить эффективность разрабатываемых МТК для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний ССС.

1. Предложен модельно-ориентированный метод синтеза развивающихся модульных МТК для амбулаторной функциональной диагностики заболеваний ССС, отличающийся применением платформо-независимых архитектурных образцов и реляционных баз данных, сокращающий трудоемкость проектирования и обеспечивающий устойчивость комплексов к изменениям отдельных компонентов при переходе на новые программно-аппаратные платформы и при комплексировании методик функционально-диагностических исследований.

2. Разработан метод сжатия и передачи электрокардиосигналов на основе целочисленного адаптивного дельта-кодирования, отличающийся использованием оценки минимума условной энтропии по разностям первых 4 х порядков, обеспечивающий больший коэффициент сжатия электрокардиосигналов в сравнении с известными методами и позволяющий вести передачу стандартных 12 канальных ЭКГ по низкоскоростным каналам связи в реальном масштабе времени без потерь информации.

Практическая значимость

Синтезирован развивающийся высокомобильный телемедицинский программно-аппаратный комплекс для амбулаторной функциональной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, повышающий эффективность медицинского обслуживания за счет сокращения периода догоспитального наблюдения больных. Комплекс, в отличие от существующих аналогов, имеет платформо-независимую архитектуру и поддерживает на основе автономной реляционной базы данных одновременно методы ЭКГ с возможностью телемониторирования в реальном масштабе времени, суточного мониторирования ЭКГ и АД, предоставляет возможность модификации и интеграции дополнительных диагностических методик, а также отличается меньшими массогабаритными показателями и себестоимостью.

Возможные области применения результатов: дистанционная функциональная диагностика ССЗ, военная медицина, спортивная медицина, медицина катастроф, медицина на транспорте и на изолированных территориях.

Результаты диссертационной работы были использованы ФГУП «ЦНИИ «Комета» (Роскосмос) при разработке системы телемедицинского контроля состояния сердечно-сосудистой системы пациента «Телегном». Внедрение позволило выбрать оптимальное решение системы «Телегном», выполнить НИОКР и подготовку серийной продукции.

В МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского на основе результатов диссертации выполнена НИР «Разработка и внедрение на уровне оказания первичной медико-санитарной помощи (центры общей врачебной практики, амбулаторно-поликлинические учреждения, сельские участковые больницы) дистанционной кардиологической функционально-диагностической сети с использованием технологий мобильной телефонии». Применение результатов диссертационного исследования позволило оценить эффективность телемедицинских комплексов на основе коммуникаторов для дистанционной функциональной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний.

Выполненные в рамках диссертационного исследования разработки помогли специалистам и менеджерам ООО «Альтоника» (г. Москва) сформировать видение производственного ряда медицинских приборов и позволили обосновать их коммерческую перспективу.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс Пущинского государственного университета в учебно-научном центре биомедицинской инженерии Института биологического приборостроения РАН.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Модельно-ориентированный метод синтеза МТК с применением архитектурных образцов, позволяющий создавать многовариантные платформо-независимые комплексы с автономными базами данных для амбулаторных функционально-диагностических исследований сердечнососудистой системы и сокращающий трудоемкость разработки более чем в 2 раза.

2. Метод адаптивного целочисленного дельта-кодирования электрокардиосигналов с оценкой минимума условной энтропии по разностям первых 4-х порядков, позволяющий, в сравнении с ранее известными методами, увеличить коэффициент сжатия электрокардиосигналов без потерь информации на 5-44 % и обеспечить телемониторирование 12-канальных ЭКГ в реальном масштабе времени со скоростью до 18,7 кбит/с.

Результаты диссертационного исследования представлены и апробированы на 17 научных мероприятиях и выставках:

- Международные выставки «Здравоохранение», Москва, 2005.2007 гг.

- III Всероссийская специализированная выставка «Российские производители и снабжение Вооруженных Сил», Москва, 2005 г.

- II Международная конференция «Наука-Бизнес-Образование. Биотехнология - Биомедицина - Окружающая среда», Москва, 2005 г.

- Научная конференция по итогам работы в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки -медицине», Москва, 2005 г.

- Российская национальная выставка в Пекине (презентация на стенде ФГУП «ЦНИИ «Комета»), 2006 г.

- Первая научно-практическая конференция молодых ученых и студентов Южного Подмосковья, Серпухов, 2007 г.

- XI Международный форум и выставка "ИНТЕРПОЛИТЕХ. Средства обеспечения безопасности государства», Москва, 2007 г.

- Школа-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Биомедицинская инженерия - 2007», Пущинский научный центр, 2007 г.

- Медико-фармацевтический конгресс и XIV международная фармацевтическая выставка «Аптека-2007», Москва, 2007 г.

- VIII Всероссийская научно-практическая конференция «Технологии функциональной диагностики в современной клинической практике», Москва, 2007 г.

- III Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине», Троицкий научный центр, 2008 г.

- XII Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века», Пущинский научный центр, 2008 г.

- VII Международная конференция «Высокие медицинские технологии XXI века», Бенидорм, Испания, 2008 г.

- XIV Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века», Пущинский научный центр, 2010 г.

- III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика -2010», Москва, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Сенин, Андрей Александрович

4.6. Выводы к главе 4

На основании изложенной в главе 4 разработки синтезированы 2 варианта портативного телемедицинского комплекса для амбулаторных клинико-функциональных исследований ССС с дистанционной диагностикой методами ЭКГ, СМЭКГ и СМАД с возможностью телемониторирования ЭКГ. Предложены следующие варианты.

1. МТК на платформе коммуникатора Windows Mobile 5/6 для приложений с высокими требованиями к портативности и без обязательных требований к обработке данных.

2. МТК на платформе субноутбука Windows ХР/Vista/7 для приложений, в которых предусматривается анализ данных функциональных исследований в автономном режиме.

Оба предложенных варианта МТК отличаются от аналогов наличием объединенной картотеки исследований, увеличением времени автономной работы, уменьшением массогабаритных показателей и позволяют сократить на 65 % по сравнению с обычной практикой период догоспитального наблюдения больных, повышая эффективность диагностики. Они отличаются также простотой использования и доступностью для медицинских учреждений с любым уровнем бюджета.