Введение к работе
Актуальность темы. Заболевания сердечно-сосудистой системы (ССС) являются лидирующими показателями заболеваемости, временной нетрудоспособности, инвалидности и смертности населения России (Е.И. Чазов, В.И. Стародубов, Л,А. Бокерия и др.).
Врачи нуждаются в объективной своевременной информации, характеризующей состояние ССС на всех этапах ведения больных - от первичного обследования до периода наблюдения после окончания лечения. Основными методами функциональной диагностики состояния ССС и сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) в настоящее время являются электрокардиография (ЭКГ), суточное мониторирование ЭКГ (СМЭКГ) и артериального давления (СМАД). Однако из-за разделения во времени первичного обследования, функционального исследования и постановки диагноза догоспитальный период наблюдения часто оказывается чрезмерно большим. Его сокращение может быть обеспечено средствами телемедицины при амбулаторных исследованиях с дистанционной передачей данных в службу функциональной диагностики и с обратной связью в виде врачебного заключения, доставляемого также дистанционно (О. И. Орлов, СИ. Щукин, А.П. Казанцев, Ю.Н. Федулаев, В.И. Шокин и др.). При этом эффективность телемедицинских комплексов должна одновременно характеризоваться двумя показателями - средней длительностью и средней себестоимостью' дистанционного диагностического исследования (А.П. Казанцев).
Известные отечественные и зарубежные образцы программно-аппаратных средств сбора и обработки информации для дистанционной функциональной диагностики ССЗ («CardioBeeper» производства «SHL TeleMedicine», «CardioCE» - «ХАИ-МЕДИКА» и др.), имеют недостатки, снижающие их эффективность:
не обеспечены комплексные методы, охватывающие широкий спектр задач функциональной диагностики распространенных ССЗ - необходима интеграция методик ЭКГ, СМЭКГ, СМАД в единую информационно-измерительную систему;
не поддерживается телемониторирование стандартных ЭКГ в реальном времени по низкоскоростным каналам связи, необходимое, в частности, в военной медицине;
не развита технология разработки платформо-независимых мобильных телемедицинских комплексов (МТК), обеспечивающая робастность при переходе на новые программно-аппаратные платформы, что является весьма важным в связи с быстрым моральным старением существующих платформ;
- универсальные МТК не портативны, избыточны и являются дорогостоящими, что препятствует массовому использованию их в медицинской практике.
Названные недостатки обусловили актуальность выполненного
исследования.
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 сердечно-сосудистых 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 поставленной цели были решены следующие задачи:
-
формирование платформо-независимого архитектурного образца МТК для амбулаторной функциональной.диагностики заболеваний ССС;
-
оптимизация кодирования электрокардиосигналов для передачи в реальном масштабе времени по низкоскоростным каналам связи;
-
разработка алгоритма передачи электрокардиосигналов в реальном масштабе времени, обеспечивающего телемониторирование ЭКГ;
-
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.
Положения, выносимые на защиту
-
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.
-
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.
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.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается математическими обоснованиями, результатами экспериментальных исследований и практической реализацией результатов исследований.
Результаты исследования реализованы и внедрены в:
- ФГУП «ЦНИИ «Комета» Федерального космического агентства РФ, г.
Москва;
МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского, г. Москва;
ООО «Альтоника», г. Москва;
ГОУ ВПО «Путинский государственный университет»,.г. Пущино.
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 LabVIEW 7.1, Microsoft Visual Studio 2008 (C++, 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.
Результаты диссертационного исследования представлены и апробированы на 17 научных мероприятиях и выставках, в их число входят: Международные выставки «Здравоохранение», Москва, 2005-2007 гг.; III Всероссийская специализированная выставка «Российские производители и снабжение Вооруженных Сил», 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.; 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.; VII Международная конференция «Высокие медицинские технологии XXI века, Бенидорм, Испания, 2008 г.; XIV Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века», Путинский 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.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы (150 наименований) и
7 приложения (4 акта внедрения), содержит 126 страниц, в том числе 99 страниц основного текста, 73 рисунка и 15 таблиц.
