Мобильные технологии в здравоохранении (mHealth): концепция и перспективы.
Часть III

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Медицина


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Информатизация здравоохранения

С. Г. Панкратов,
профессор факультета информатики Мюнхенского технического университета, Мюнхен, Германия
Т. Ю. Знаменская,
аналитик в области здравоохранения Microsoft Центральная Европа, Мюнхен, Германия
МОБИЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЗДРАВООХРАНЕНИИ (MHEALTH): КОНЦЕПЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ. ЧАСТЬ III.
РЫНОК ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ
УДК 6J4. 2
Панкратов С. Г., Знаменская Т. Ю. Мобильные технологии в здравоохранении (mHealth): концепция и перспективы. Часть III. Рынок для мобильных систем здравоохранения (Мюнхенский технический университет, Мюнхен, Германия- Microsoft Центральная Европа, Мюнхен, Германия)
Аннотация: В статье обсуждается значение мобильных технологий для развития здравоохранения. Прогнозируется, что мобильные технологии могут радикально изменить сегодняшнее состояние медицины.
В частности, мобильные ИКТ-решения позволяют осуществлять более точную и быструю диагностику, лучше определять границы устойчивости организма и стадии развития заболеваний. В статье рассматриваются возможности, предоставляемые быстро развивающимися технологиями, такими как миниатюрные (квантовые и нано) датчики, беспроводные сенсорные сети, а также мобильная передача и обработка сигналов, основанная на новых программных решениях. В статье также обсуждается принцип биологической обратной связи, реализуемой с помощью мобильных сенсорных технологий. Кроме того, концепции мобильного здравоохранения дают повод рассмотреть понятие здоровья и отклонения от него, интерпретируемые как заболевания. Системы мобильного здравоохранения оказываются особенно полезными для поддержания состояния здоровья. Приводятся примеры эффективного использования мобильных ИКТ-решений (case studies), в частности, повсеместного мониторинга пациентов с помощью мобильных систем. Статья разделена на две части: в первой речь идет о здоровье как выделенном состоянии организма- во второй описываются некоторые технологии, позволяющие контролировать и поддерживать здоровье.
Ключевые слова: гомеостаз, сенсор, измерения, системы обратной связи.
Окончание. Начало статьи см. в МЗ-2−2014 и МЗ-3−2014
Компьютерная сеть на теле человека
Сеть, состоящая из миниатюрных устройств, в частности, сенсоров, закрепляемых на человеческом теле или имплантируемых в него, обычно известна как BAN (body area network). На самом деле такая сеть связывает отдельные сенсоры, которые могут общаться друг с другом, в частности, беспроводным образом, в единую систему. Как правило, подобные сети управляются некоторым центральным элементом (центральным процессорным устройством — CPU) и, по существу, представляют собой распределенный по телу компьютер, служащий для регистрации, измерения, визуализации и передачи физиологических характеристик функционирующего организма, в идеале без нарушения его привычных жизненных навыков. Объединение отдельных изолированных сенсоров в сеть, в частности, BAN, влечет за собой специфические сетевые проблемы, такие как масштабируемость, латентность, надежность работы, устойчивость по отношению к изменениям
© С. Панкратов, Т. Знаменская, 2014 г.
1енеджер № 4
здравоохранения 3014
50
Информатизация здравоохранения
топологии и перегрузкам сети, проблемы ее безопасности, которые могут оказаться очень ресурсоемкими, и т. д. В случае массивного развертывания сетей на людях могут возникнуть также проблемы с электромагнитной совместимостью (ЕМС). Сегодня самая удобная сетевая коммуникация, по-видимому, достигается при использовании беспроводных каналов, что оправдывает термины WBAN (wireless body area network) и WSN (wireless sensor network) [14], и, в частности, выбор рабочей частоты может оказаться препятствием при большой плотности WBAN/WSN, поскольку требования электромагнитной совместимости и процедуры присвоения частот меняются от страны к стране и могут оказаться очень громоздкими. Часто возникающие вопросы о воздействии высокочастотных электромагнитных полей на здоровье человека обычно не имеют под собой почвы при уровнях мощности, на которых работают WBAN/WSN.
Сенсорные сети для mHealth мобильны по определению, так что такие сети должны работать устойчиво при переменных межузловых расстояниях (edges или data links) и перемещающихся узлах. С физической точки зрения, это означает, что выходные сигналы мобильных сетей должны быть инвариантными относительно изменения состояния движения (преобразований Галилея), что накладывает серьезные ограничения на их архитектуру. Короче говоря, дизайн устойчиво работающей мобильной сенсорной сети, содержащей много узлов, может оказаться весьма сложной инженерной задачей, причем ее сложность повышается с учетом требований энергетической эффективности. Трудно себе представить, например, чтобы пожилые пациенты с энтузиазмом заряжали или меняли бы элементы питания (батарейки) каждые два дня.
Когда узлы нательной сети расположены очень плотно, то есть среднее расстояние между узлами становится меньше рабочей длины волны излучения, а также меньше кор-
реляционного расстояния между критическими точками на теле (в частности, такое расстояние может определяться длиной передачи нервного импульса), сеть способна регистрировать почти непрерывное распределение параметров человеческого организма — своего рода физиологическое «поле». В пределе очень малых расстояний между узлами (в непрерывных математических моделях бесконечно малых) такое физиологическое поле представляет собой пространственно-временнOe распределение физиологических переменных, описывающих функциональное состояние организма в данный момент времени. Подобный непрерывный предел может показаться нереалистичным, тем не менее, переход к таким пределам — неотъемлемый инструмент в любой точной науке. При этом важно, что распределенное состояние (поле) физиологических параметров состоит из набора непосредственно измеримых величин, каждая из которых характеризуется своим числовым значением и ошибкой измерения.
Сеть приборов, размещаемых на теле человека, может, разумеется, состоять не только из пассивных или полупассивных (регистрирующих и передающих полученную информацию) сенсоров. Среди них могут также быть актуаторы, включенные в нательную сеть, которые способны преобразовывать внешние сигналы в действия, тем самым влияя на функционирование тела или даже управляя им. Стремительно развивающаяся область квантовых приборов, в часности, создаваемых в рамках нанотехнологии, все больше переходит от исследовательских разработок к промышленному производству — к примеру, миниатюрных связанных между собой приборов, которые способны общаться друг с другом. Предполагается, что сеть квантовых приборов, совместимых с мобильностью и беспроводными технологиями, должна быть в высшей степени адаптивной, работать на низких уровнях мощности и практически не требовать человеческого внимания или поддержки.

NP4
5014
Менедже1
Информатизация здравоохранения

Обращать внимание на латентные симптомы, которые могут улавливаться только чувствительными сенсорами или их сетями, может оказаться жизненно важным — именно в этом, по существу, и состоит подход мобильного здравоохранения, основанного на сенсорных системах.
Таким образом, при развитой нательной сети необходимость вводить гипотетические понятия, которые якобы характеризуют функциональный статус организма, такие как биоэнергия, волны биоинформации, каналы, экстрасенсорное восприятие, аура и т. п., устраняется, и эти ненаблюдаемые понятия становятся ненужными. Иными словами, mHealth становится измеримой системой (Measurable Health). Заметим, что по мере того, как число взаимосвязанных и автономно работающих сетевых приборов станет сравнимо с глобальным населением (~1010), можно будет себе представить реально работающий Интернет вещей.
Биологическая обратная связь
Сенсорные сети, используемые в мобильном здравоохранении, могут дополнять и даже улучшать сенсорную (рецепторную) систему человека, которая развивалась как инструмент выживания вида homo sapiens. Сенсорные сигналы в сложных системах, таких как организмы млекопитающих, всегда связаны с биологической обратной связью. Любое устройство, к примеру, прибор, снабженный такой обратной связью, должен получать информацию о текущем состоянии организма и переадресовывать ее сенсорным исполнительным механизмам. Например, зрительные сенсоры, благодаря цепи обратной связи, помогают нам координировать движения, управлять автомобилем, защищаться от нападения и т. д. Другие естественные сенсоры на теле, в частности, реагирующие на локальное повышение температуры кожи, позволяют избегать ожогов и т. д.
В конечном итоге искусственная сеть на человеческом теле может эмулировать соб-
ственную сенсорную систему, то есть создавать своего рода аватар, обладающий тем преимуществом перед врожденной сенсорной системой организма, что получающийся аватар способен использовать биологическую обратную связь по электромагнитному (радио) каналу. Беспроводные мобильные сенсорные сети можно интерпретировать как прокси для естественных рецепторных систем. Существенное различие между объединенными в сеть биологическими сигнальными каналами в функционирующем организме и искусственными сенсорными сетями на теле заключается в том, что биологическое «программное обеспечение», которое управляет собственными (врожденными) сенсорами организма, то есть его рецепторами, закодировано в ДНК, а «аппаратное обеспечение» главным образом состоит из синаптических каналов и биологических средств преобразования сигналов, таких как в веществе головного мозга, тогда как искусственные сенсорные мобильные сети работают под управлением кодов, написанных людьми. Это различие приводит к тому, что сложность биологических сенсорных сетей на много порядков величины выше, чем что-либо созданное человеком. По мере совершенствования сенсорных технологий и техники программирования искусственные сети на теле человека (и других млекопитающих), по-видимому, будут стремиться к естественным — процесс, изучаемый в современной нейрофизиологии.
Биологическую обратную связь можно усиливать или ослаблять, используя специальные сенсорные устройства [15] или специально развитую для этого технику. Например, йога на протяжении нескольких столетий занималась эмпирическим развитием обратной связи в человеческом организме и достигла в этом заметных успехов [16]. Простейшим прибором, использующим биологическую обратную связь, служит обычное зеркало: оно создает наше отражение и, следовательно, предоставляет нам информа-

1енеджер № 4
здравоохранения 3014
Информатизация здравоохранения
цию о самих себе с целью лучшего контроля над поведением и большей точности движений, например, когда мы причесываемся или бреемся. Неслучайно помещения для отработки тех навыков, которые требуют высокой точности движений, например, для занятий балетом или некоторыми восточными единоборствами, нередко снабжены зеркалами или видеокамерами. Мышечная активность, опирающаяся на сенсорные механизмы и биологическую обратную связь, предоставляет хороший пример синергетического функционирования различных подсистем тела, таких как головной мозг, автономная нервная система, исполнительные органы, в частности, конечности, и т. д.
Беспроводные технологии для здравоохранения
Большинство решений в мобильном здравоохранении основаны на дуплексной радиосвязи, когда сенсоры преобразуют данные, собираемые с разных участков тела, в подходящим образом модулируемые сигналы и передают (а также принимают) их, используя крошечные антенны. Беспроводной маршрутизатор или даже находящийся поблизости смартфон получает эти сигналы, декодирует их и перенаправляет информацию через Интернет (скажем, через VPN) или через реально существующую частную сеть, например, лечащему врачу или в клинику. Такая процедура, разумеется, может выполняться в обратном порядке, когда маршрутизатор получает информацию из Интернета, преобразует ее в модулированные сигналы и отправляет на сенсоры и/или актуаторы, расположенные на теле. Описанный двусторонний (дуплексный) процесс приема-передачи данных, хотя и выглядит концептуально простым, в действительности оказывается весьма затратным, требуя высоконадежных и «чистых» каналов передачи данных, быстрой их доставки (что обычно регламентируется высоким временным разрешением), возможной поддержки каждого узла мобильной
сети, пересчета в реальном времени его актуального положения и т. д. Заметим также, что мобильная сеть должна все время обмениваться информацией с сервером баз данных, где хранятся конфиденциальные данные о здоровье каждого пользователя. Авторизованные клиенты могут получить доступ к этим данным после аутентификации: например, семейный или домашний доктор может скачать и проанализировать (скажем, офлайн) физиологическую информацию о пациенте. Разработка подходящего программного обеспечения (как правило, это так называемое middleware) представляет отдельную проблему для фирм, разрабатывающих программное обеспечение [17].
Главная цель мобильных сенсорных сетей (WBAN/WSN), состоящих из дискретного набора взаимосвязанных узлов, заключается в том, чтобы собирать данные с разных участков тела и передавать их по беспроводному каналу на базовую станцию, а затем и дальше, где они будут обрабатываться (онлайн или офлайн). На основе такой обработки будут предложены рекомендации, предупреждения или сигналы тревоги, которые могут высылаться обратно. В таком контексте термин «базовая станция» не должен вызывать недоумение — на самом деле такой станцией может служить любое процессорное устройство, используемое, чтобы принимать и агрегировать данные от сети. Подобным устройством может служить персональный компьютер, ноутбук, планшет, персональный ассистент (PDA), смартфон и т. п. Базовая станция в мобильных системах здравоохранения работает в режиме маршрутизатора между локальной сенсорной сетью (объединенными микроузлами) и удаленным сервером, используя беспроводные каналы связи.
Можно заметить существенную разницу между сенсорными сетями общего назначения, например, используемыми для экологического мониторинга и нательными сетями мобильного здравоохранения. В последнем случае мобильность представляет собой клю-

№ 4 Менеджер
5014 '
Информатизация здравоохранения

чевое требование, тогда как сенсорные сети общего назначения обычно состоят из распределенных по некоторой территории узлов с фиксированным позиционированием. Кроме того, мобильные сенсорные сети, используемые в здравоохранении, как правило, должны гарантировать более высокую скорость передачи данных, в частности, вследствие более высокой частоты выборки при физиологических измерениях, даже таких сравнительно элементарных, как ЭКГ, ЭЭГ, измерение артериального давления, содержания сахара в крови, ее способности к коагуляции (МНО) и т. д. Помимо этого, нательные сенсорные сети должны допускать более частую манипуляцию узлами и изменение топологии.
Ниже приводится краткое неформальное описание организации и принципов работы беспроводных нательных сенсорных сетей (WBAN/WSN). Такие сети, часто известные как персональные медицинские сети, PAN — personal area network, могут быть организованы как обычные локальные сети (LAN), в которых пакеты данных — блоки байтов — перемещаются от сенсорных устройств и вообще от сетевых узлов на теле к процессорному устройству, собирающему и маршрутизирующему получаемые сообщения, с

Статистика по статье
  • 84
    читатели
  • 22
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц. сети

Ключевые слова
  • ГОМЕОСТАЗ,
  • СЕНСОР,
  • ИЗМЕРЕНИЯ,
  • СИСТЕМЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ,
  • HOMEOSTASIS,
  • SENSOR,
  • NETWORKING,
  • MEASUREMENT,
  • BIOFEEDBACK

Аннотация
научной статьи
по медицине и здравоохранению, автор научной работы & mdash- Панкратов С. Г., Знаменская Т. Ю.

Рынок для мобильных систем здравоохранения В статье обсуждается значение мобильных технологий для развития здравоохранения. Прогнозируется, что мобильные технологии могут радикально изменить сегодняшнее состояние медицины. В частности, мобильные ИКТ-решения позволяют осуществлять более точную и быструю диагностику, лучше определять границы устойчивости организма и стадии развития заболеваний. В статье рассматриваются возможности, предоставляемые быстро развивающимися технологиями, такими как миниатюрные (квантовые и нано) датчики, беспроводные сенсорные сети, а также мобильная передача и обработка сигналов, основанная на новых программных решениях. В статье также обсуждается принцип биологической обратной связи, реализуемой с помощью мобильных сенсорных технологий. Кроме того, концепции мобильного здравоохранения дают повод рассмотреть понятие здоровья и отклонения от него, интерпретируемые как заболевания. Системы мобильного здравоохранения оказываются особенно полезными для поддержания состояния здоровья. Приводятся примеры эффективного использования мобильных ИКТ-решений (case studies), в частности, повсеместного мониторинга пациентов с помощью мобильных систем. Статья разделена на две части: в первой речь идет о здоровье как выделенном состоянии организма- во второй описываются некоторые технологии, позволяющие контролировать и поддерживать здоровье.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой