Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние и перспективы развития телемедицинских технологий 18
1.1 Роль телемедицины в современном здравоохранении 18
1.2 Классификация, структура и модели телемедицинских систем 21
1.3 Структурный анализ и модельное представление существующих телемедицинских систем 27
1.4 Особенности технической инфраструктуры телемедицины полярных стран 36
1.5 Проблемы становления телемедицины на территории Российской Федерации 45
1.5.1 Концептуальное развитие телемедицинских технологий 45
1.5.2 Особенности организации удаленного медицинского обслуживания населения в полярных зонах 51
1.6 Выводы по 1-й главе 55
2 Переход от эпизодической телемедицинской помощи по факту заболевания к непрерывному профилактическому телемедицинскому мониторингу состояния здоровья населения 57
2.1 Обоснование выбора удаленного медицинского мониторинга как пути решения задачи диспансеризации населения полярных зон 57
2.2 Концепция комплексного решения задачи профилактики заболеваний в полярных зонах 59
2.3 Структура системы телемедицинской профилактики полярных зон 62
2.4 Выводы по 2-й главе 67
3 Обеспечение охраны здоровья населения полярных зон с использованием мониторинга показателей процесса адаптации организма человека 69
3.1 Анализ научных достижений в области изучения процесса адаптации людей в высоких широтах 69
3.2 Исследование возможности использования метода реконструкции динамики сложных систем по временной последовательности данных к анализу физиологических сигналов 78
3.3 Физиологическое обоснование связи адаптационных процессов с функциональным состоянием человека 84
3.4 Моделирование процесса адаптации в условиях внешнего воздействия при ограниченном ресурсе организма человека 92
3.4.1 Информационное представление связи функционального состояния человека с процессом его адаптации к условиям меняющейся внешней среды 95
3.4.2 Введение в системное исследование физиологических сигналов 97
3.5 Методы и алгоритмы контроля Функционального состояния человека для выполнения телемедицинского мониторинга 100
3.5.1 Теоретические основы лингвистического анализа физиологических сигналов 100
3.5.2 Информационно-лингвистический подход к распознаванию состояний динамических систем и его связь с физиологическими сигналами 107
3.5.3 Программная реализация лингвистического метода экспресс-диагностики состояния человека 112
3.5.4 Оценка чувствительности алгоритмов лингвистического метода экспресс диагностики 129
3.6 Выводы по 3-й главе 143
4 Разработка автоматизированных инструментальных средств телемедицинского мониторинга состояния здоровья населения полярных зон 148
4.1 Функциональное описание базовых компонентов ТМС ПЗ 148
4.1.1 Функциональное описание абонентской сети 150
4.1.2 Функциональное описание экспертной телемедицинской сети 151
4.1.3 Функциональное описание элемента коммуникаций телемедицинской сети 152
4.2 Сбор данных о функционировании системы, исследование информационных потоков, моделирование состояний и эксперименты над ТМС полярных зон 154
I 4.2.1 Выявление особенностей функционирования 154
4.2.2 Моделирование и анализ информационных потоков 155
4.2.3 Поиск оптимальной структуры сети коммуникаций ТМС ПЗ 166
4.2.4 Моделирование процесса удаленных медицинских консультаций с прямым соединением абонент- эксперт в ТМС 169
4.2.5 Моделирование процесса телемедицинской консультации с использованием провайдера ТМС 173
4.2.6 Объектно-ориен тированный анализ и проектирование ТМС ПЗ 178
4.2.7 Идентификация параметров системы 184
4.3 Оценка эффективности функционирования созданной сети медицинской консультативной помощи 186
4.4 Требования, предъявляемые к ТМС ПЗ 188
4.5 Особенности формирования структуры ТМС ПЗ 190
4.6 Решение задачи автоматизации удаленного медицинского мониторинга в полярных зонах 194
4.6.1 Поиск схемотехнических решений медицинских приборов для работы в составе ТМС ПЗ 197
4.6.2 Разработка программного и аппаратного интерфейсов АРМ полярного врача 203
4.6.3 Разработка автоматизированного рабочего места эксперта ТМС ПЗ 207
4.6.4 Анализ проблем обмена информацией в полярных зонах. Разработка автоматизированного комплекса средств обмена информацией ТМС ПЗ 214
4.6.5 Оптимизация схемы обмена информацией в сети ТМС ПЗ 222
4.6.6 Автоматизация управления ТМС ПЗ 224
4.7 Выводы по 4-й главе 229
5 Экспериментальная апробация разработанных автоматизированных инструментальных средств телемедицинского мониторинга в полярных зонах 231
5.1 Наблюдение изменчивости функционального состояния полярников под влиянием изменения условий окружающей среды 231
5.1.1 Исследование электрофизиологических показателей адаптационного процесса в организме под влиянием климата полярных зон. Общая методика экспериментов 231
5.1.2 Результаты исследований процесса адаптации методом лингвистического анализа 249
5.2 Опыт разработки телемедицинских систем в Арктике и Антарктике 255
5.3 Телемедицинская система Российской антарктической экспедиции 259
5.3.1 Структура системы удаленных медицинских консультаций 259
5.3.2 Организация удаленных консультаций 262
5.3.3 Параметры функционирования системы 264
5.3.4 Административное построение телемедицинской сети 265
5.3.5 Практика технического оснащения и поддержки телемедицинской сети 268
5.3.6 Конструктивные и эксплуатационные требования к медицинским электронным приборам и аппаратуре экстремальных природных зон 270
5.3.7 Организация сети коммуникаций на основе использование спутниковых средств связи 281
5.3.8 Организация экспертных служб 284
5.3.9 Организация подготовки специалистов 285
5.4 Результаты внедрения ТМС в Российском Заполярье 295
5.4.1 Результаты анализа процесса адаптации трудовых коллективов островных территорий Крайнего Севера (архипелаг Шпицберген) 296
5.4.2 Мониторинг состояния здоровья экспедиций дрейфующих станций «Северный Полюс» 296
5.5 Поиск путей развития экстремальных телемедицинских систем 298
Заключение 302
Приложение 307
Список использованной литературы 327
- Классификация, структура и модели телемедицинских систем
- Физиологическое обоснование связи адаптационных процессов с функциональным состоянием человека
- Моделирование процесса телемедицинской консультации с использованием провайдера ТМС
- Поиск путей развития экстремальных телемедицинских систем
Введение к работе
Актуальность темы. Полярные зоны (ПЗ) Земли хранят последние неосвоенные стратегические ресурсы полезных ископаемых, что определяет выбор современного направления геополитических интересов мировых держав. Освоение океанического шельфа и прилегающей части материков ПЗ, в свою очередь, вызывает активную миграцию специалистов и организацию увеличивающегося числа экспедиций на эти территории, что требует повышения внимания к организации медицинского обслуживания этих людей, с одной стороны. Известна проблема вымирания малых народов Севера, с другой стороны. По этим причинам с каждым годом задача охраны здоровья населения в этих географических регионах приобретает все более острый характер. Геофизические и климатические условия ПЗ, их крайняя удаленность, накладывают особые условия на организацию здесь медицинского обеспечения, требующего поиска нетривиальных решений. Одним из перспективных и быстро развивающихся сервисов охраны здоровья, среди которых следует искать такие решения, представляется телемедицина (ТМ), которая обеспечивает сервис медицинских консультаций и удаленной диагностики независимо от места и времени оказания необходимой медицинской помощи.
На современном этапе развития медицинской информатики, как показано в работах Юсупова Р.М. и Полонникова Р.И. (2001), Медведева О.С. (2005), Блажиса А.К. и Дюка В.А. (2001), Enrico Coiera (2003), A.C. Norris (2002), реализация технического и организационного потенциала современных технологий телемедицины обеспечивается через развитие автоматизированных информационных систем оказания медицинской помощи на расстоянии – телемедицинских систем (ТМС). Зарубежный и отечественный опыт создания ТМС свидетельствует, что основная трудность разработки связана с синтетическим характером предметной области, объединяющей медицинские, коммуникационные, информационные и образовательные технологии в одной системе (например, Владзимирский А.В. (2003,2007), , , (2006)). Применение существующих технологий ТМС к ПЗ дополнительно накладывает ряд ограничений, выделяющих их в особую группу – телемедицинских систем полярных зон (ТМС ПЗ). В первую очередь, при их разработке проявляются особенности биологического характера, связанные с физиологической реакцией человека на влияние геофизических и климатических факторов местопребывания, требующее привлечения специальных знаний о заболеваемости в ПЗ, с одной стороны. Эти же факторы определенным образом накладывают ограничение на технические характеристики средств диагностики и терапии, как составной части ТМС ПЗ, с другой стороны. Существуют известные ограничения применения средств коммуникации, связанные с предельной чувствительностью спутниковых систем связи в ПЗ, зависимости качества радиоприема от геомагнитной активности и космических излучений при применении коротковолновых средств связи, с третьей стороны. Необходимость учета особенностей биомедицинского и технического характера при создании ТМС ПЗ заставляет пересмотреть известные подходы к разработке систем оказания медицинской помощи в Заполярье. С учетом условий пребывания людей в ПЗ целесообразно в большей степени уделять внимание медицинской профилактической работе, которая может базироваться на применении средств удаленного медицинского мониторинга показателей состояния здоровья.
В целом выделяется научная проблема организации охраны здоровья людей в ПЗ связанная с применением средств удаленного медицинского наблюдения за их состоянием. Применение ТМ технологий открывает перспективу решения данной научной проблемы путем внедрения на территориях и акваториях ПЗ нового класса медицинских информационных систем – ТМС ПЗ. Анализ доступных источников информации указывает на отсутствие теоретически обоснованного подхода к разработке ТМС ПЗ. Обоснованная потребность поиска такого подхода определяет актуальность выбранного направления исследований.
Объектом исследования является ТМС ПЗ, как совокупность средств и методов обеспечения охраны здоровья людей в Заполярье.
Предметом исследования являются принципы выбора структуры, состава компонентов и элементов системы и связей между ними, определение методов управления потоками информации, обоснование выбора методов обработки клинических данных и алгоритмов обработки физиологических сигналов и диагностики состояний организма человека для ТМС ПЗ.
Цель диссертационной работы: Разработка теоретических основ построения автоматизированных инструментальных средств, методов и алгоритмов для телемедицинских систем охраны здоровья населения в полярных зонах.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены, и решены следующие задачи исследования:
-
Обосновать необходимость перехода от консультативных средств оказания удаленной медицинской помощи к профилактическому мониторингу состояния здоровья населения ПЗ. Сформулировать концепцию комплексного решения задачи профилактики заболеваний с использованием средств удаленного автоматизированного медицинского мониторинга.
-
Определить принципиальные отличия и круг основных задач, решаемых ТМС ПЗ. Систематизировать базовые представления о ТМС ПЗ, проанализировать конструктивные и организационные особенности таких систем. Обосновать состав включаемых элементов и компонент, описать возникающие связи. Выделить функции ТМС ПЗ.
-
Разработать модель процесса адаптации человека к изменяющимся условиям внешней среды обитания на основании информационных представлений о механизме управления восстановительными функциями организма человека. Опираясь на результаты исследований, полученные при использовании модели, разработать методы и алгоритмы лингвистического анализа физиологических сигналов.
-
На основании результатов проведенного анализа разработать принципы построения автоматизированных средств получения клинической информации, обосновать выбор структуры коммуникаций. Выработать основные технические требования, предъявляемые к ТМС ПЗ.
-
Показать эффективность предложенных теоретических исследований на основании результатов проведения натурного эксперимента по созданию опытного образца ТМС ПЗ.
Методы исследования базируются на системном подходе к изучению медицинских информационных систем, использовании аппарата математической статистики, математической логики, теории множеств, теории распознавания образов, теории автоматов, матричной алгебры. Компьютерная реализация разработанных алгоритмов производилась на основе объектно-ориентированного подхода. Для имитационного моделирования использовались математические пакеты в средах моделирования MatCad и MathLab. Для моделирования функциональных связей использовались CASE технологии, реализованные в среде объектного моделирования BPWin AllFusion Process Modeller.
Положения, выносимые на защиту:
-
Концепция комплексного решения задачи профилактики заболеваний с использованием средств удаленного автоматизированного медицинского мониторинга в ПЗ, позволяющая решать задачи организации диспансерного наблюдения на территории Заполярья.
-
Структурная модель ТМС ПЗ, позволяющая осуществить переход от консультативных средств оказания удаленной медицинской помощи к профилактическому мониторингу состояния здоровья населения ПЗ.
-
Модель физиологического процесса адаптации человека, позволяющая проводить исследования изменения его функционального состояния под влиянием внешних воздействий.
-
Методы и алгоритмы анализа физиологических сигналов, ориентированные на модельное представление о формировании управляющих сигналов в организме в процессе адаптации человека к воздействиям изменяющейся внешней среды обитания.
-
Метод автоматизированного телемедицинского мониторинга наблюдения за состоянием здоровья в ПЗ, позволяющий обеспечить оперативный контроль процесса адаптации человека к условиям изменяющейся внешней среды.
-
Метод автоматизированного удаленного определения метеорологической и геофизической лабильности человека в ПЗ, позволяющий оперативно определять и индивидуально оповещать людей о возможных последствиях влияния меняющихся условий окружающей среды.
-
Принципы построения автоматизированных инструментальных средств телемедицинского мониторинга, позволяющие разрабатывать ТМС в условиях ограничений, накладываемых медицинскими, географическими, геофизическими факторами ПЗ.
-
Опытный образец ТМС ПЗ, как результат синтеза предложенных теоретических принципов, методов и алгоритмов системы телемедицинской профилактики заболеваний в Заполярье, позволивший проводить телемедицинские консультации и мониторинг состояния здоровья участников полярных экспедиций.
Научная новизна. Все положения, выносимые на защиту, являются новыми. В работе впервые сформулирована и решена проблема охраны здоровья населения с использованием ТМС ориентированных на профилактику заболеваний с использованием удаленного медицинского автоматизированного мониторинга показателей состояния здоровья, способного обеспечить обработку и анализ данных в реальном времени благодаря использованию разработанных методов и алгоритмов.
Наиболее важными результатами, составляющие научную новизну:
-
Впервые предложена, и обоснована концепция комплексного решения задачи профилактики заболеваний, позволяющая реализовать массовое диспансерное наблюдение, удаленные медицинские консультации и дистанционное обучение медицинского персонала в ПЗ за счет использования универсальных средств и методов телемедицинского мониторинга показателей состояния здоровья.
-
Сформулированы принципы построения автоматизированных средств получения клинических данных, позволяющие абоненту ТМС ПЗ сократить объем передаваемой информации для экспертного анализа за счет того, что используется индивидуальная информация первичного медицинского освидетельствования по определенному перечню показателей состояния здоровья, которая корректируется с учетом последующих осмотров в ПЗ, выполняемых в ходе удаленного мониторинга состояния здоровья. Синхронизация данных между абонентом и экспертом осуществляется только по данным, претерпевшим изменения.
-
Разработана структурная модель ТМС ПЗ, позволяющая повысить качество удаленных медицинских консультаций и мониторинга, снизить их стоимость за счет сокращения времени на решение административных и технических вопросов, что достигается включением нового компонента - телемедицинского координатора, который выполняет функции согласованного управления работой всех компонент системы, выбором средств коммуникации, технического надзора и согласования протоколов обмена информацией, задачи юридического и финансового обеспечения, несвойственные медицинскому персоналу.
-
Модель физиологического процесса адаптации человека к изменениям внешних условий среды обитания, описывающая механизмы управления организмом с позиций информационного обмена сообщениями между объектом управления в организме и органами жизнеобеспечения, позволяющая изучать связь между функциональным состоянием человека и показателями физиологического сигнала при изменении внешних воздействий, оказываемых окружающей средой.
-
Методы и алгоритмы анализа физиологических сигналов, преобразующие физиологические сигналы в символьную последовательность, что позволяет организовать поиск информации, переносимой этими сигналами, используя элементы теории автоматов на языке множеств символов, алфавитов, слов, и дает возможность перевести анализ сигналов в область методов математической лингвистики.
Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и результатов диссертации обеспечивается за счет всестороннего анализа состояния исследований в данной области, подтверждается корректностью предложенных моделей, алгоритмов и согласованностью результатов, полученных при компьютерной реализации, апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на международных научных конференциях, результатами опытной эксплуатации разработанных ТМС ПЗ.
Практическая значимость работы заключается в разработке научно-методических рекомендаций для создания ТМС ПЗ. Разработанные принципы построения автоматизированных средств получения клинической информации направлены на разрешение проблемы создания унифицированных интерфейсов средств сбора, обработки, анализа и обмена информацией и позволяют проводить удаленный медицинский мониторинг в условиях специфических организационных и технических требований полярных зон.
Разработанные компьютерные программы и апробированные алгоритмы получили широкое внедрение в созданных на их основе автоматизированных систем телемониторинга состояния здоровья населения полярных территорий РФ. В рамках концепции, представленной в диссертационной работе, этот факт указывает на то, что реализованные методы и алгоритмы реально способствуют повышению качества удаленного профилактического наблюдения, и могут позволить организовать оперативную массовую диспансеризацию населения в удаленных регионах при сравнительно невысоких финансовых расходах на их разработку и эксплуатацию.
Реализация и внедрение. Представленные в диссертационной работе научные результаты внедрены в созданные ТМС ПЗ в ходе выполнения научно-исследовательских работ, что подтверждено актами о внедрении, государственными патентами и свидетельствами о разработке компьютерных программ и алгоритмов. В полной мере положения диссертационной работы нашли свое отражение в действующей ТМС РАЭ и ТМС научно-экспедиционного судна «Академик Федоров». Результаты диссертационной работы в виде конкретных положений, выводов, методов, алгоритмов компьютерных программ и расчетных данных используются в медицинских и научных организациях Российской Федерации, среди которых выделяются ТМС государственного учреждения «Арктический и антарктический НИИ», где разработана и создана структура проведения удаленных медицинских консультаций больницы рудника Баренцбург (Архипелаг Шпицберген) и ТМС экспедиций дрейфующих станций «Северный Полюс»; Министерстве здравоохранения Ямало-Ненецкого национального округа, где апробированы теоретические принципы проведения медицинских консультаций удаленных поселений, разработан мобильный телемедицинский комплекс для передвижного санитарного отряда; Балтийском центре телемедицины, где функционируют совместно разработанные методы экспресс экспертизы для виртуальной сети медицинских консультаций Российской антарктической экспедиции; ФГУПП НИИПП, где разработан технический комплекс дистанционного мониторинга работоспособности инженеров-операторов; Министерстве здравоохранения республики Саха-Якутии, на территории которой проводилась апробация методов телемедицинского мониторинга охраны здоровья населения.
Научные и экспериментальные работы по теме диссертации выполнялись в рамках ФЦП «Мировой океан» подпрограмма «Изучение и исследование Антарктики» п. Телемедицина.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, представлялись и обсуждались более чем на 20 российских и международных конференциях. Наиболее значимые из них: Всероссийский семинар “Медицина -93” – (Санкт-Петербург, 1993), международные конференции "Региональная информатика -94/95/96/2002/2006" (Санкт-Петербург, 1994, 1995, 1996, 2002, 2006. соответственно), конференция «Информационно-психологическая безопасность -97" (Санкт-Петербург, 1997), международная конференция «The International Conference on the Uruguay Antarctic Station ‘Artigas’» (Antarctica, King-George Island, Maxell Bitch. March 2001), международная научная конференция, посвященная 33-й годовщине со дня открытия антарктической станции Беллинсгаузен (Антарктика, о.Ватерлоо, станция Беллинсгаузен. Февраль 2001), научно-практическая конференция «Вопросы формирования здоровья и патологии человека на Севере: факты, проблемы и перспективы» - (Якутск, 5-6 декабря 2002), международная конференция «Комплексные исследования природы Шпицбергена» (Мурманск, 20-23 марта 2003), «Международный телемедицинский симпозиум» (Россия, Санкт-Петербург, май 2003), конференция «Проблемы малых народов Севера» (Санкт-Петербург, 2004), международная конференция «Информационные и телемедицинские технологии в охране здоровья», посвященная 50-летию медицинской кибернетики и информатики в России — ITTHC (Москва, 2005), международная конференция "Телемедицина: мифы и реальность" Львов (Украина 2007).
Программная реализация лингвистического анализа медицинской информации и сигналов экспонировалась на международной выставке "Больница 94" (Санкт-Петербург, ЛЕНЭКСПО, 1994). В документах, посвященных Международному полярному году 2007-2008гг., зарегистрирована тема: «Исследования по разворачиванию системы удаленного профилактического мониторинга». На международной выставке «Медицина 2007» представлялся стендовый доклад: «Телемедицинская система Российской антарктической экспедиции». Проведен дистанционный доклад с использованием средств видеоконференцсвязи на 1-st International Conference «Telemedicine: Myths and Reality» Lviv, 8-9 November 2007.
Публикации. Основные научные положения и результаты диссертации изложены в 45 печатных научных публикациях, в том числе 14-ти периодических изданиях рекомендованных ВАК из них 10 работ соответствуют специальности экспертного совета, 13 научных работ зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП), получено 2 патента на полезную модель Российской Федерации (РОСПАТЕНТ). Описание научных исследований, проведенных по теме диссертации изложено в 19 НИР, из них 12 посвящены исследованиям обработки биомедицинских сигналов и информации, 7 научно-технических отчетов – экспериментальной апробации положений диссертации, вынесенных на защиту.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6-глав, заключения, списка литературы, включающего более 250 наименований и приложения на 8 листах. Работа изложена на 310 страницах, содержит 113 рисунков и 21 таблицу.
Классификация, структура и модели телемедицинских систем
Телемедицина — сравнительно молодое и интенсивно развивающееся научно практическое направление. По этой причине применяемая в этой области терминология пре терпевает значительные изменения. Неологизмы формируются большей частью при прелом лении в медицинской аудитории терминов информатики и связи. Чтобы избежать много значности терминологического толкования, для дальнейшего изложения материала исполь зуются понятия, используемые к настоящему времени Российским фондом фундаменталь ных исследований (РФФИ) (http://www.rfbr.ru/default.asp?article_id= 5548&doc_id= 5175#id5548). По данным фонда в систему телемедицины входят:
- медицинские организации с их профессиональными и информационными, образовательными ресурсами, медицинскими диагностическими устройствами, базами данных, а также пользователи системы и др.,
- технические средства доступа в телекоммуникационные сети,
- каналы связи и сетевые средства,
- датчики и другие преобразователи медицинской информации в цифровые электрические сигналы для передачи по каналам связи.
- Областями применения телемедицины являются:
- диагностика и консультирование удаленных субъектов;
- дистанционное обучение студентов (преддипломное) и медперсонала (последипломное).
Задачами телемедицины являются:
- Профилактическое обслуживание населения.
- Снижение стоимости медицинских услуг.
- Обслуживание удаленных субъектов, устранение изоляции.
- Повышение уровня обслуживания.
Экспансия современных достижений науки в различные области медицины и телемедицины в частности порождает расширение типов и разнообразия подвидов научных и практических направлений функционирования лечебных учреждений. Уже сегодня можно уверенно выделить крупные группы и классы с использованием устоявшейся терминологии и определенным образом охарактеризовать их назначение. Анализ открытых информационных источников, наиболее полно описывающих телемедицинские технологии, не выявил документов, где бы встретилась строго систематизированная схема классификации ТМС. Поэтому ниже предлагается разработанный вариант разбиения на классы с позиций системного подхода к свойствам разнообразных существующих телемедицинских организаций, центров и целевых объединений с примерами реализованных проектов ТМС.
По своему типу (целевой ориентации) телемедицинские системы можно разделить на клинические, образовательные, административные, аналитические, информационные.
Клинические системы ориентированы на решение задач дистанционной диагностики и лечения. Этот тип систем наиболее распространен и составляет от 60% до 70% от общего числа ТМС. С помощью таких систем осуществляются удаленные медицинские консульта ции, удаленный мониторинг состояния параметров организма, удаленное сопровождение операций, удаленная диагностика. На основе таких систем строятся системы территориально распределенной профилактики и диспансеризации населения. Примерами таких систем мо гут быть телемедицинская сеть г.Донецка и Донецкой области на Украине (http://www.telemed.org.ua/DONTM/dontm.html) и телемедицинская сеть Приволжья (http://www.telemed.nnov.ru/about.html) на региональном уровне, НЦССХ им. А.Н. Бакулева (http://bakulev.ru/care/telecons.php). Клинические системы на территории Российской Федера ции и бывших союзных республик создаются на базе крупных лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ), оборудуются локальными сетями с высокоскоростным выходом в ин тернет. Абоненты таких сетей, как правило, подключаются к центрам через глобальные ком муникационные сети. В редких случаях связь осуществляется через низкоскоростные теле фонные сети с применением модемов (телемедицинский центр Дальневосточного государст венного медицинского университета в г. Хабаровск - http://teIemed.narod.ru/tmc.htm, Смолен ский телемедицинский центр - http://admin.smolensk.ru/ zdrav/ s_telemedic/categories/telesmol.htm).
Образовательные системы проектируются для дистанционного обучения и наставничества, ориентированы на медицинские образовательные учреждения (училища, ВУЗы). По сравнению с аналогичными обучающими системами других профессиональных профилей отличий нет. Основные задачи, которые решают образовательные системы, это обучение студентов-медиков и медперсонала, повышение квалификации врачей, работа с заочными аспирантами и докторантами, проведение семинаров для оперативного обмена информацией о новых методах диагностики и лечения, организация доступа к специализированным учре-ждениям здравоохранения, дистанционная трансляцию операций, тренинг пользователей при освоении новых медицинских технологий, обучение работе на оборудовании различных фирм, получение доступа к услугам централизованных и интернациональных медицинских центров и центров обучения. Большая часть обучающих центров создается на базе клиниче ских систем как одной из функций последней. В качестве примера таких систем можно при вести ТМЦ института нейрохирургии имени академика Н.Н.Бурденко РАМН (http://www.nsi.ru/tmc/default_lechenie.asp), ТМЦ Московского НИИ педиатрии и детской хи рургии (http://www.pedklin.ru/TeleMed/TelcMed.html) и Новосибирский центр телемедицин ских технологий ФГУ СОМЦ Росздрава (http://www.sibomc.ru/page.php?id=10), ТМЦ Науч ного центра неврологии РАМН - (http://www.neurology.ru/about/tmc.htm). Административные системы предназначены для координации управления удален ными ЛПУ, создания и совершенствования единого информационного пространства системы управления здравоохранением на основе создания, внедрения и развития территориально распределенных автоматизированных систем с единым правовым, организационно методическим и информационным обеспечением. Примером такой системы служит меди цинский информационно-аналитический центр Министерства здравоохранения Чувашии (http://gov.cap.ru/hierarhy), система медицинского центра Управления делами Президента Республики Казахстан (http://www.incudprk.kz/tm/ponatiya/). ТМС Главного медицинского Управления делами Президента Российской Федерации (http://www.pmc.ru/Products_and_Services/Telemedicine/GRCCTeIemed/), Медицинский центр Управления делами Президента Республики Казахстан - (http://www.mcudprk.kz/), Головной телемедицинский центр ведомственной системы здравоохранения ОАО «РЖД» -(http://www.nvisiongroup.ru/rzd_mobile.html).
Основное содержание аналитических систем - обобщение и анализ данных, поступающих от абонентов телемедицинской сети, оценка заболеваемости на различных уровнях административно-территориального подчинения, хранение данных, оптимизация процесса проведения удаленных консультаций, защита информации, обеспечение конфиденциальности, разработка схем профилактического наблюдения и т.д. Примером аналитической системы для телемедицины можно привести проект технопарка Уральского федерального округа (ТМ-технопарк УрФО http://ekburg.vidicor.ru/Presentalions/Salomatov/sIidesl .doc), Городской координационный центр телемедицины (ГКЦТМ) при Медицинском информационно-аналитическом центре (МИАЦ) Комитета по здравоохранению Администрации Санкт-Петербурга - (http://www.telemedicina.ru/), департамент здравоохранения Краснодарского края МИАЦ-(http://www.kubanzdrav.ru/miac2).
В информационных системах акцент сделан на доступ к различным источникам информации и использовании каналов связи для свободного или платного подключения абонентов к медицинским ресурсам (справочникам, периодической печати, профориентированному программному обеспечению и т.д.) глобальных информационных сетей. Как правило, медицинские информационные системы (МИС) представляют собой хранилище информации на основе базы данных (БД) с сервисной надстройкой для ввода и вывода информации от различных источников, автоматической или полуавтоматической первичной обработки, упо рядочивания по определенной схеме. Пример мощной информационной системы Медицин ская база данных Национальной Медицинской библиотеки США (http://www.nlm.nih.gov/databases/) вместе с информационной поисковой системой MEDLINEplus (http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/), электронная аптека (поиск лекарств в аптеках Москвы) (http://vvww.e-apteka.ru/), MedWeb catalog of biomedical and health related web sites (http://www.mcdweb.emory.edu/McdWeb/default.htm), Самарский областной МИАЦ http://www.mcdlan.samara.ru/miac/, Воронежский государственный технический университет БД «Медицинские и гуманитарные системы» - http://www.inforeg.ru/db/db.asp?id=2275.
По уровню территориального охвата телемедицинские системы можно разделить на:
- местные ТМС, ориентированные на обеспечение узкоспециализированных территориальных объединений на уровне лечебных учреждений областных центров (Архангельский областной консультативно-диагностический центр телемедицины http://www.telemed.nm.ru/, Читинский областной консультативно-диагностический центр -http://www.diag.chita.ru/);
- муниципальные и окружные, объединяющие ЛПУ города для координации действий и оптимизации организации лечебных и профилактических мероприятий. Как правило, имеет выделенный (координирующий) управляющий центр (Арзамасский центр телемедицины - http://www.telemed.org.ru/, телемедицинская сеть Воронежской области -http://www.hospital.vrn.ru/telemed2.shtmI);
- региональные и окружные ТМС, крупные территориальные телемедицинские сети, объединяющие несколько телемедицинских центров местного и муниципального уровней. Это уровень полнофункционального законченного телемедицинского сервиса, с мощными средствами информационной и коммуникационной поддержки, полифункциональными экспертными службами. На региональном уровне осуществляется анализ заболеваемости на уровне региона, осуществляется подготовка кадров для телемедицинских центров (Нижегородский региональный телемедицинский центр http://www.telemed.nnov.ru/index.html, Центр телемедицинских технологий ФГУ "Южный окружной медицинский центр Росздрава" - http://bolnitsa.marketcenter.ru/contenl/doc-2 4106.html);
- ТМС федерального и республиканского уровня, проводят концептуальную политику телемедицины в государственном масштабе, обеспечивают координацию действий региональных центров телемедицины, ведают финансовым распределением бюджетных средств целевого назначения, разрабатывают основополагающие документы, контролируют законность функционирования подчиненных объединений (Фонд «Телемедицина» -http://www.telemed.ru/index.html, Башкирский республиканский центр телемедицины -http://www.bashteIemed.ru/video.php, Американская телемедицинская ассоциация (АТА) -http://www.atmeda.org/).
Физиологическое обоснование связи адаптационных процессов с функциональным состоянием человека
Внутренние процессы, обеспечивающие жизненно важные функции биологических объектов отличаются многогранностью и разнообразием. Огромное число нелинейных взаимосвязей отдельных органов друг с другом требуют разработки сложных математических моделей с большим числом переменных. Но такие модели трудно поддаются анализу и по этой причине исследования проводятся на упрощенных моделях с использованием большого числа накладываемых ограничений. Это снижает чувствительность разрабатываемых моделей и, как следствие, алгоритмов обработки физиологических сигналов. Эффективность же лечения в значительной мере зависит от того, насколько рано были выявлены отклонения от нормы, требуя высокочувствительных алгоритмов диагностического распознавания. Отсюда следует потребность в разработке моделей, которые позволяли бы имитировать функциональные изменения в организме на ранних стадиях проявления патологий. К настоящему времени уже имеется значительный арсенал методов и средств ранней диагностики, построенных на изучении свойств известных математических моделей, но при ближайшем рассмотрении выясняется, что чувствительность известных средств с позиции требований современной медицины остается недостаточной, а потенциал использованных математических методов обработки достиг предельного значения. Поэтому ставится задача поиска принципиально новых методов анализа и эффективных алгоритмов обработки физиологических сигналов, позволяющих разрешить в определенной мере возникающие противоречия, поскольку необходимы новые более чувствительные диагностические алгоритмы, позволяющие осуществлять дифференциальную диагностику конкретных видов патологии и ФС на новом качественном уровне.
Из известных наиболее широко изучаемых сегодня неинвазивных методов получения данных о физических процессах в организме являются методы электрокардиографии. По причине возможности наглядного сравнения результатов экспериментов обратимся к моделированию сердечной деятельности организма как интегральной функции транспорта жизненных ресурсов.
На работу сердца влияет весь комплекс изменений организма [173,174,175]. Мозг, получая и анализируя информацию, поступающую от различных систем организма, управляет ритмической деятельностью сердца, используя нейрогуморальный механизм. По путям Геринга и Людвига-Сиона сердце, в свою очередь, передает информацию о своей деятельности в средний мозг, информируя о своем состоянии. Такая организация управления позволяет по ЭКГ составлять заключение не только о работе сердца, но и, при определенной обработке кардиограммы, судить о состоянии отдельных органов, систем и организма в целом.
На основании обобщения выводов и результатов экспериментов оценки изменений ФС биообъектов под воздействием внешних и внутренних факторов по данным обработки биопотенциалов была разработана функциональная схема управления частотой сердечных сокращений. В ее основе лежит, упомянутый выше, известный в физиологии механизм ней-рогуморальной саморегуляции [176,177]. Является установленным тот факт, что изменение ФС организма связано с частотой сердечных сокращений. Так, например, стабилизация ритма сердечных сокращений указывает на отсутствие резервов и критичности состояния организма. Рассмотрим более детально механизм нейрогуморальной регуляции вегетативных функций [178].
Вегетативные функции непрерывно регулируются при помощи разнообразной гаммы нервных и гуморальных факторов в целях сохранения гомеостаза и адекватной адаптации организма к условиям наружной и внутренней среды. Координация произвольных вегетативных реакций осуществляется при помощи нейрорефлекторного механизма, исходной точкой которого являются уровень специфических рефлексогенных участков, либо уровень общих неспецифических экстероцептивных и интероцептивных чувствительных поверхностей (ноцицептивные) на протяжении всего организма. В большинстве случаев вегетативные рефлексы осуществляются, не доходя до сознания. В первую категорию входят рефлексы, регулирующие сердечный ритм, кровяное давление и кишечную перистальтику, а во втором - фотомоторные рефлексы аккомодации, которые сопровождают световое освещение, пищеварительные секреторные рефлексы (слюнные, панкреатические), вызываемые вкусовыми и обонятельными ощущениями, потовые -термическими ощущениями и т.д.
Координация вегетативных реакций происходит согласно принципу взаимности, синергии и сочетания. Взаимность занимает важное место в осуществлении вегетативных функций. В качестве примера координированного взаимодействия можно рассмотреть рефлекс, регулирующий тонус стенки кровеносных сосудов: тенденция к катастрофическому падению кровяного давления, вызывает тахикардию вследствие рефлекторного стимулирования сердечно-ускоряющих и торможения сердечно-замедляющих центров, с одной стороны, и активирования сосудосуживающих и адреналиносекреторных центров, с другой стороны. Противоположные явления отмечаются при повышении артериального давления. В свою очередь, синергия обеспечивает кооперирование многочисленных рабочих органов в осуществлении одной и той же функции.
В связи с тем, что в качестве базовой информации для экспресс-диагностики была выбрана ЭКГ, рассмотрим авторегуляцию кровообращения. Состояние равновесия и самоподдерживающей стабильности кровообращения, так называемая циркуляторная гемостазия, основывается на нейрорефлекторных процессах регулирования и контроля сердечнососудистой функции двойным путем, а именно: нервным и гуморальным.
Нервное регулирование обеспечивает быстрое восстановление потерянного равновесия и является первым средством защиты от опасности развития нарушений кровообращения. Возникающие компенсаторные реакции осуществляются при участии рефлексогенных зон, афферентных и эфферентных путей и вегетативных центров, управляющих деятельностью эффекторных органов, существующих в кровообращении на уровне сердца и сосудов. Баро- и хеморецепторы исполняют роль истинных прессорно- и хемочувствительных пре-творителей. В соответствии с их локализацией различают артериальные, предсердные и желудочковые рецепторы. Артериальные прессорные рецепторы каротидного синуса и эндо-кардофортальной зоны действуют тормозным образом на сосудодвигательные центры продолговатого мозга. Их стимулирование путем повышения кровяного давления угнетает сосудодвигательные центры и вызывает расширение периферических сосудов, брадикардию и снижение сократительной силы сердца. Компенсаторные реакции, вызывающие выраженную дистенсию рефлексогенных зон, иллюстрируют их буферную функцию. Несмотря на то, что сократительная функция сердца обладает автоматизмом, его деятельность регулируется вегетативными центрами головного и спинного мозга симпатическим и парасимпатическим путем. Центры сердечно-сосудистой рефлексивности расположены в ретикулярном веществе продолговатого мозга и варолиева моста. В его боковой части находятся сосудосуживающие и сердечноускоряющие центры, которые, действуя на симпатическую нервную систему с частотой 1 - 2 импульса в секунду, поддерживают основной тонус и сосудов и тонус сердца. В срединной части вазомоторного бульбарного комплекса находятся сосудорасширяющие и сердечно-тормозящие центры, которые действуют косвенно, как при помощи сосудосуживающего центра, который они угнетают, так и при помощи стимулирования заднего двигательного ядра блуждающего нерва в случае тормозящего сердце действия. Тонус вазомоторных центров поддерживается через баро- и хеморецепторные стимулы, исходящие, как из специфических рефлексогенных зон, так и из других отделов по пути ретикулярной формации. Этот тонус находится под контролем вышележащих центров, которые располагаются в ретикулярной формации среднего мозга, в гипоталамусе, в обонятельном мозге и в коре головного мозга. Путем различных связей между этими центрами вышерасположенные центры влияют на деятельность вазомоторных центров продолговатого мозга.
Моделирование процесса телемедицинской консультации с использованием провайдера ТМС
Чтобы устранить недостатки структуры сети с прямым соединением абонент - эксперт, предлагается исключить деятельность специфическую деятельность абонента сети при подключении к экспертному сервису. Для этого достаточно ввести в сеть дополнительный элемент, который бы был в состоянии решить за абонента круг несвойственных его работе функций. Назовем этот элемент координатором ТМС или провайдером телемедицинской сети (ПТС). В этом случае принципиально изменяется схема обмена информацией из варианта топологии «каждый с каждым» или «многоточка - многоточка» на приведенную ниже (Рисунок 51).
Изменение топологии телемедицинской сети приводит к ряду принципиальных отличий сценариев проведения телемедицинской консультации и выбора моделей для описания поведения ТМС в ходе своего функционирования.
Главное отличие синтезированной структуры ТМС состоит в устранении априорной вероятности подключения со стороны абонента, экспертов и каналов связи, т.е. снятия проблемы структурной неопределенности. Поскольку в конкретной ТМС все перечисленные компоненты сети подключаются к единственному обслуживающему объекту. Таким образом, ПТС берет на себя функции выбора и распределения ресурсов обслуживаемой ТМС. Тем самым устраняется влияние большинства из вышеперечисленных факторов, присутствующих в канонической схеме и носящих вероятностный характер (51).(52),(53).
ПТС по отношению к абонентам выполняет функции сервера. Все эксперты и средства связи являются сервисами провайдера. В такой схеме ПТС решает следующие задачи:
- создает по запросу абонента рабочую цепь «абонент - сеть коммуникации - экспертный сервис», технически обеспечивающую потребность планируемой консультации;
- обеспечивает оптимальный режим работы созданной рабочей цепи на всем ее протяжении.
Изменение структуры ТМС, выполненное в предыдущем параграфе, позволяет относительно просто представить модель телемедицинской консультации. Для наглядности заново решим задачу определения оптимальной структуры ТМС РАЭ, но с учетом ввода объекта - провайдера телемедицинской сети (ПТС). Расходы за использование средств связи в ходе удаленных консультаций с полярными амбулаториями РАЭ будут рассчитываться только за связь с ПТС по формуле (41).
Ck=Ak-Crs (56)
Стоимость связи с ПТС будет равна стоимости связи через спутник Inmarsat и не зависит от территориального размещения станций. Как видно при подключении к ПТС матрица стоимости С„,,А (40) упрощается до вектора Ск (41). Соответственно упрощается и целевая функция до Vr (57)
Результаты расчета в среде моделирования Mathcad (Рисунок 53) приводят к тривиальному решению с единственным значащим значением результирующего вектора R. Представим оптимальную структуру сети для данного решения
Главный вывод из полученных результатов поиска оптимальных решений порядка проведения удаленных консультаций по критерию минимальной стоимости в случае топологии сети «многоточка - многоточка» и «многоточка - точка - многоточка» состоит в том, то эти стоимости значительно отличаются. При этом при переходе к варианту с ПТС, удается преодолеть недостатки канонической структуры ТМС. Рассмотрим это подробнее.
Во-первых, провайдер в состоянии контролировать в любой момент времени готовность экспертных центров к проведению консультации. Во-вторых, провайдер в состоянии значительно лучше оценивать необходимость подключения того или иного экспертного центра не только с финансовой, но прежде всего с диагностической точки зрения. Это, в конечном счете, позволит провести консультацию на более высоком профессиональном уровне. В-третьих, обладая полной информацией лучших по показателям оперативности и стоимости альтернатив радиосвязи, провайдер в состоянии профессионально соединить абонента и эксперта и следить за исправной работой канала связи. Важным преимуществом внедрения ПТС является еще и возможность оперативной оценки и согласования протоколов обмена информацией.
Чтобы окончательно убедиться в преимуществах включения в состав телемедицинской сети провайдера, сделаем элементарный расчет на примере ТМС РАЭ необходимого числа спутниковых терминалов и/или скоростных цифровых модемов KB связи.
Поиск путей развития экстремальных телемедицинских систем
С момента рождения телемедицинская система РАЭ строилась как информационная система с использованием современных компьютерных технологий. Более того, ТМС РАЭ проектировалась как часть более общей медицинской информационной системы (МИС) РАЭ.
МИС РАЭ вошла в проект в 1999 году, когда был разработан документ «Программа разработки и внедрения новейших средств и методов медицинского и экологического контроля в Российской Антарктической Экспедиции и обеспечение безопасности здоровья человека на удаленных объектах» [254]. К Программе привлекались ведущие учреждения Санкт-Петербурга: Международная Академия Наук Экологии, Безопасности человека и природы, Российская Антарктическая Экспедиция, Балтийский государственный технический университет (Санкт-Петербург), НИИ гриппа РАМН, АОЗТ «МЕТРОКОМ», Санкт-Петербургская педиатрическая медицинская Академия РАМН, Военно-Медицинская Академия (Санкт-Петербург). Для реализации Программы были разработаны техническое задание, и подготовлены договоры о сотрудничестве. Ученому совету ААНИИ была представлена структурная схема МИС РАЭ.
Техническая реализация проекта требовала значительного целевого финансирования. Было принято решение о поэтапном выполнении проекта. В качестве первого и базового варианта развития системы обратили внимание на существующую готовность внедрения медицинской ветви проекта, делая упор на актуальность организации в РАЭ информационной системы удаленных медицинских консультаций. Этот этап был включен в ФЦП «Мировой океан» [240]. К 2005 году основные работы по созданию ТМС РАЭ «Ambulance-Consultant AARI/RAE» были завершены. Следующий этап развития ТМС РАЭ [255] (2006-2010) характеризуется переходом на высокоскоростные спутниковые каналы связи (512-1024 кбит/с), что открывает перспективу организации экстренных телемедицинских консультаций с применением дистанционных методов представления клинической информации больших объемов в реальном масштабе времени. В частности - видеоизображений полей гастроскопов, УЗ-сканеров и других диагностических видеосистем с высоким цветовым и контрастным разрешением.
Структурная схема МИС представлена на рисунке (Рисунок 113).
Пунктирными линиями на схеме показаны перспективные направления развития МИС. В настоящее время функционируют: медицинский комплекс профессионального отбора, средства хранения, учета и обмена медицинскими сообщениями в телемедицинской сети, ЭТМС РАЭ в составе ЦМКП с web- сайтом и электронной почтой, всеми АРМ полярных врачей антарктических станций и комбинированными средствами коммуникаций.
Фундаментом любой информационной системы является база данных (БД). До настоящего времени МИС РАЭ не имеет таковой по причине отсутствия сервера БД, на который уже несколько лет не выделяется финансирование. В результате появился сильнейший перекос в построении МИС РАЭ - вся система нацелена на развитие автоматического документирования и хранения данных, а самого объекта хранения нет. Существующий факт практически заблокировал развитие МИС, и она простаивает, накапливая огромные объемы слабо систематизированной информации в файловых структурах типа «Средства хранения, учета и обмена медицинскими сообщениями в телемедицинской сети» из структурной схемы МИС РАЭ (Рисунок 113). Отсутствие сервера БД с вытекающими последствиями позволяет условно называть МИС РАЭ информационной системой. В создавшейся парадоксальной ситуации МИС РАЭ все же функционирует в силу организованного обмена и доставки данных со станций «курьерской почтой», с использованием инженеров и врачей экспедиций. Полученные результаты сохраняют в хранилище данных, представляющее дерево директорий с условными названиями. При этом складируемые объемы информации оказываются невостребованными по причине сложного доступа к ним. Естественно ожидать, что со временем ценность хранимой в них информации будет снижаться. Поэтому есть смысл представить перспективу дальнейшего развития МИС РАЭ на пути развертывания архивного сервиса с введением базы данных. Первое, с чего целесообразно начать, это установить сервер БД, который бы обеспечил возможность размещения мощного пакета СУБД, такого, например, как Oracle с поддержкой распределенных БД и функций синхронизации клиентских БД. Отметим, что для проектируемой БД планируется публикация серии таблиц данных наблюдений и результатов анализа в Интернете. Что должно способствовать расширению деловых связей и апробации результатов исследовательских работ, и соответствует принятой практике федерального и международного сотрудничества.
«Интеллектуальным» ядром МИС РАЭ должны стать средства авто- и полуавтоматической обработки данных и знаний на основе прогрессивных алгоритмов поиска связей. Эту способность информационной системы можно обеспечить применением как стандартных фирменных пакетов и написанных к ним макропрограмм, так и специализированным программным обеспечением, которое может обеспечить автоматизированный режим обработки данных, автоматическую их архивацию и распределение в БД (Data mining).
Полагая, что к моменту окончания запланированных выше перспективных мероприятий, в РАЭ начнет создаваться информационная система более высокого уровня (Информационная система РАЭ), необходимо предусмотреть технический и электронный (на уровне протоколов обмена) интерфейсы для взаимодействия и/или слияния ИС на уровне предприятия.
Обобщая сказанное выше, перспективы дальнейшего развития ТМС затрагивают доработку ТМС до уровня полифункциональной информационной системы в составе РАЭ/ААНИИ, для чего необходимо:
- Внедрить разработанную и созданную БД ТМС для организации полнофункционального контроля и хранения потоков медицинской, метеорологической, экологической и др. информации
- Создать программный интерфейс для интеграции ТМС в состав ИС РАЭ/ААНИИ
- Разработать АРМ комплексной обработки информации и данных
- Усовершенствовать методы комплексной обработки информации
- Сконструировать усовершенствованный интерфейс подключения разнородных приборов и аппаратуры
- Интегрировать ТМС ААНИИ в федеральную телемедицинскую сеть, для чего:
- Адаптировать программное и аппаратное обеспечение до уровня принятых протоколов обмена информацией и представления результатов обрабо гки
- Обеспечить необходимую производительность средств коммуникации для проведения off-line и on-line удаленных конференций и консультаций на уровне признанных стандартов
- Продолжить автоматизацию процесса подготовки медицинской отчетности врачами полярных станций
- Организовать полноценное обучение врачей необходимым приемам использования новой медицинской техники и компьютерной грамотности перед отправкой в экспедиции и продолжения обучения в ходе экспедиций
