Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих информационных систем лечебных учреждений 8
1.1 Цели и задачи медицинских информационных систем 8
1.1.1 Термины и определения 8
1.1.2 Основные цели внедрения медицинских информационных систем 9
1.1.3 Функциональные возможности медицинских информационных систем 9
1.2 Анализ развития медицинских информационных систем 11
1.3 Современное состояние вопроса построения медицинских информационных систем 15
1.4 Анализ технологических подходов построения медицинских информационных систем 19
1.4.1 Основные группы информационных систем медицинских учреждений 19
1.4.2 Выбор серверной и клиентской части при создании медицинских информационных систем 20
1.5 Анализ архитектур существующих медицинских информационных систем 22
1.6 Реляционный и объектный подходы при создании медицинских информационных системах 24
1.7 Постановка научной задачи и частные задачи исследования 26
1.8 Выводы 28
2 Разработка методического аппарата создания медицинской информационной системы 29
2.1 Описания предметной области базы данных медицинской информационной системы 29
2.2 Определение категорий пользователей информационной системы 33
2.3 Разработка методики системного анализа предметной области 38
2.4 Разработка методики моделирования предметной области базы данных МИС 44
2.5 Выводы 54
3 Разработка методики системного анализа и синтеза баз данных для медицинской информационной системы .55
3.1 Методы анализа информационных требований пользователей и формирование графов информационных структур 55
3.2 Разработка методики нормализации информационных структур базы данных МИС 71
3.3 Выделение типов информационных элементов в группах данных 76
3.3.1 Определение состава основных и вспомогательных ключей 76
3.3.2 Формирование приведённых матриц смежности и соответствующих им орграфов 77
3.4 Выводы 80
4 Разработка методики построения интегрированной базы данных мис 82
4.1 Модель объектно-ориентированного анализа и структуризации предметных областей БД 82
4.2 Выбор принципа построения интегрированной базы данных 85
4.3 Отображение требований пользователей по обработке данных для информационных структур 86
4.3.1 Алгоритм построения дерева поиска данных на графе информационной структуры 87
4.3.2 Отображение требований обработки данных на графах информационных структур пользователей 92
4.4 Оценка эффективности разработки интегрированной БД МИС 96
4.4.1 Стадии и этапы создания МИС 96
4.4.2 Расчёт экономического эффекта от применения методического аппарата 103
4.5 Выводы 106
Заключение 108
Список литературы
- Цели и задачи медицинских информационных систем
- Описания предметной области базы данных медицинской информационной системы
- Методы анализа информационных требований пользователей и формирование графов информационных структур
- Модель объектно-ориентированного анализа и структуризации предметных областей БД
Введение к работе
За последние годы в медицине значительно увеличилось количество новых методов диагностики и лечения. Объем информации о состоянии здоровья пациентов, который необходимо обрабатывать врачу, значительно вырос. Кроме того, данные о состоянии здоровья каждого пациента, как правило, рассредоточены по нескольким лечебно-профилактическим учреждениям (ЛПУ), оказывающим помощь в профилактике и лечении заболеваний. В то же время не вызывает сомнений необходимость интеграции всех этих данных. Ежедневно в каждом ЛПУ решается ряд серьезных задач, связанных с внесением, обработкой и хранением медицинской информации, практическим управлением потоками информации, краткосрочным и долгосрочным планированием, статистическим и финансовым анализом.
Для эффективного решения этих задач необходимо применение комплексных медицинских информационных систем (МИС), позволяющих обрабатывать информацию по всей цепочке движения пациента: поступление — диагностика - лечение — реабилитация - мониторинг. Последние исследования и разработки в области построения МИС показали, что применение традиционных методов их разработки не дает необходимого эффекта. Это вызвано, во-первых, низкой эффективностью использования дискового пространства в случае применения реляционных систем управления базами данных (СУБД) в предметной области. Во-вторых, применение табличной формы представления данных в МИС усложняет структуру базы данных (БД) и затрудняет ее настройку под конкретное ЛПУ. Кроме того, работа с таблицами существенно отличается от привычной для медицинских работников работы с документами. В связи с этим, использование существующих МИС не может обеспечить полный переход на электронный документооборот в отечественных учреждениях здравоохранения. В связи с этим необходима разработка методики построения объектно-ориентированной БД МИС.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка научно-методического аппарата для создания унифицированных комплексных МИС.
Поставленные задачи
Поставленная научная задача предполагает решение частных научных задач исследования:
- анализ современного состояния вопросов проектирования программного обеспечения МИС;
- разработка методики исследования, моделирования, анализа предметных областей МИС;
- разработка методики нормализации информационных структур предметных областей МИС;
- разработка методики построения объектно-ориентированной БД МИС;
- реализация предложенных методик в информационной системе государственного лечебного учреждения в виде программного обеспечения.
Методы исследования
При решении поставленных в диссертации задач использовались теория множеств, теория графов, методы линейной алгебры, методы объектно-ориентированного программирования. Программная реализация разработанных методик осуществлялась с помощью базы данных Lotus Notes 6.03.
Внедрение результатов работы.
Исследования подтверждаются актами внедрения результатов в
Краснодарскую городскую психиатрическую больницу,
Специализированную клиническую психиатрическую больницу №1 г. Краснодара и учебный процесс на кафедре информатики КубГТУ. Научная новизна работы
Теоретическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований заключается следующем:
— получена аналитико-множественная модель предметной области МИС, в которой выделены следующие элементы: автоматизируемые функции; задачи обработки данных; объекты автоматизации; множество пользователей МИС, информационные потоки;
— предложен алгоритм представления разнородной информации в МИС ориентированным иерархическим графом;
— разработана методика системного анализа МИС, которая позволяет создавать однотипные системы различных медицинских учреждений, что в дальнейшем обеспечивает их объединение в единую систему;
— разработана методика нормализации информационных структур МИС, включающая в себя процесс их приведения к виду, обеспечивающему минимальную избыточность и дублируемость данных и связей, а так же получение ключевых типов информационных элементов групп;
— предложена методика отображения требований пользователей по обработке данных, которая заключается в представлении быстрого поиска данных на графе информационной структуры;
— разработана модель требований пользователя, которая представляется в виде мультиграфа с одним типом вершин и двумя типами дуг, характеризующих структуру взаимосвязей между информационными элементами и технологию обработки данных заданного пользователя.
Цели и задачи медицинских информационных систем
Системой является совокупность взаимосвязанных элементов, организованных по определённому принципу для выполнения поставленной цели.
Информационная система (ИС) - это комплекс методологических, программных, технических, информационных и организационных средств, поддерживающих процессы функционирования информационной организации. Если информационная система выполняет некоторую часть функций самостоятельно, то она называется автоматизированной. Автоматизированная информационная система обеспечивает возможность выполнения как ручных, так и автоматизированных процессов -пользователь и компьютерные средства работают сообща с целью обработки и дальнейшего использования информации.
Медицинская автоматизированная информационная система (МИС) представляет собой совокупность программно-технических средств, баз данных и знаний, предназначенных для автоматизации различных процессов, протекающих в лечебно-профилактическом учреждении [46]. Слово «автоматизированная» в литературе часто опускается в связи с тем, что часть функции в медицинских информационных системах обязательно должны быть автоматизированными.
Автоматизированное рабочее место (АРМ) - рабочее место специалиста, оснащенное средствами вычислительной техники и программными комплексами для сбора, хранения медицинской и парамедицинской информации, используемой им в качестве интеллектуального инструмента при принятии решений [74, 77].
База данных (БД) - это совокупность взаимосвязанных данных при такой минимальной избыточности, которая допускает их использование оптимальным образом для одного или нескольких приложений [71].
Главная цель информатизации здравоохранения в целом сформулирована следующим образом [64]: создание новых информационных технологий на всех уровнях управления здравоохранением и новых медицинских компьютерных технологий, повышающих качество лечебно-профилактической помощи и способствующих реализации основной функции охраны здоровья населения — увеличению продолжительности активной жизни. Это является основной, глобальной целью МИС.
Наряду глобальной целью перед МИС выделяются следующие цели внедрения МИС, способствующие выполнению основной цели МИС[46,77]: — создание единого информационного пространства, следствиями чего являются ускоренный доступ к информации, повышение качества медицинской документации; — мониторинг и управление качеством медицинской помощи и как результат - снижение вероятности врачебной ошибки, устранение избыточности назначения; — повышение прозрачности деятельности медицинского учреждения и эффективности принимаемых управленческих решений; — сокращение стоков обследование и лечения.
Существуют различные пути, посредством которых в медицинском учреждении компьютеризация используется для достижения целей, указанных выше. Выделяют следующие направления, которые определяют диапазон функциональных возможностей МИС [46,77]:
1. Сбор, регистрация данных. По мнению Рузайкина Г.И.[87] сбор информации является одной из основных функций МИС, которому предшествует получение первичных данных о пациенте в результате его осмотра или автоматически с помощью специального оборудования для регистрации состояния больного и, наконец, из других специализированных МИС. На основе автоматизации процессов управления регистрация данных позволяет ускорить процесс обработки информации, планировать использование оборудования, сократить время нахождения пациента в стационаре.
2. Обеспечение обмена информацией и создание информационного пространства. Использование компьютерных сетей и автоматизированных систем регистрации и документирования медицинских данных позволяет осуществлять одновременный доступ различных специалистов к необходимой информации, а также контроль ведения медицинских документов.
3. Хранение и поиск информации. Хранение данных в единой БД позволяет осуществить быстрый поиск необходимых сведений и избежать дублирования информации. Электронные архивы медицинских документов существенно облегчают и ускоряют подготовку рутинных отчётов и могут служить основой для использования алгоритмов интеллектуального анализа данных с целью поиска закономерностей [87].
4. Статистический анализ данных. Обработка статистической информации позволяет в удобной форме рассчитывать интересующие характеристики и представлять их в наглядной форме для анализа.
5. Контроль эффективности и качества оказания медицинской помощи. Внедрение компьютерных систем для осуществления контроля над этапами лечения и диагностики со стороны руководителей или более опытных специалистов может существенно повысить качество медицинской помощи.
Описания предметной области базы данных медицинской информационной системы
Как известно, предметной областью называется информация о совокупности объектов автоматизации и их характеристиках, которая представляется в виде специальных структур данных, хранится в базах данных (БД) пользователями для решения различных функциональных задач[18,36,52,64,87].
Объектом предметной области является некоторая совокупность информационных элементов и методов (процедур) их обработки, а также отношений между ними, составляющих единое целое с точки зрения семантических и процедурных аспектов предметной области.[15,52,64,87]
В зависимости от содержания исходной информации различают две общих стратегии разработки и проектирования структуры предметной области: функциональный и объектный подходы[ 15,55,91].
Функциональный метод позволяет последовательно выполнять определённые этапы, итоги каждого из которых являются основой для удачного решения на последующих этапах. Первый (основной этап) - это формализация задачи. В его рамках необходимо чётко предусмотреть все нужные функции и свойства будущей системы, с тем, чтобы на последующих этапах разработки не возникло бы проблем, связанных с неполной формализацией получаемых решений. Последующие шаги включают в себя этапы непосредственного кодирования, тестирования и эксплуатации. Использование функционального метода позволяет получать достаточно удачные и оптимальные решения только при условии первичной (идеальной) формализации задачи. Такой подход имеет низкую эффективность в разработке медицинских информационных систем, формализация которых затруднена на первый момент за счёт большого объёма медицинской информации и непрофессионализмом пользователей в области компьютерных технологий. Использование функционального метода в медицине приводит к лишним затратам, так как вынуждает производить перепрограммирование всей системы в целом или отдельных её крупных компонентов, что служит дополнительным фактором увеличения затрат на разработку, модификацию и поддержку информационной системы.
Объектный подход предполагает хорошее соответствие структуры базы данных и предметной области, возможность реализации большого числа заранее не запланированных запросов к базе данных без модификации ее структуры (это свойство называется устойчивостью структуры БД), возможность оптимизации методов организации данных для базы данных в целом. Этот метод является более эффективным при проектировании приложений медицинской информационной системы. Главной особенностью объектного метода является проектирование и создание программ на уровне интерфейса - то есть «экранных форм». Особенность этого метода является очень важной, так как при решении конкретных задач медицинские работники, даже имеющие определённый опыт участника группы разработчиков, редко могут четко сформулировать описание и требование к задаче - то есть не могут сразу объяснить логику и алгоритм процесса, подлежащего автоматизации.
Для первоначального анализа предметной области МИС используется абстрактная модель архитектуры базы данных «Сатурн»[74], представляющая ядро, окруженное несколькими кольцами. Важным принципом данной модели является разделение ядра системы на несколько БД, исходя из функциональных соображений. Это описание более точно отражает сложную архитектуру МИС.
Внешнее кольцо состоит из пользовательских представлений данных, а также к нему относятся базы данных, которые дополняют или расширяют МИС, но не используются непосредственно в лечебно-диагностической работе.
Внутреннее кольцо состоит из баз данных и приложений, которые упрощают работу пользователей с системой. Этот уровень должен быть непосредственно связан с ядром системы.
В ядре накапливается медицинская информация. Ядро системы состоит из баз данных, в которых накапливается основная медицинская информация.
Более подробная схема внутренней архитектуры МИС можно представлена на рисунке 2.2.
Методы анализа информационных требований пользователей и формирование графов информационных структур
Методы анализа информационных требований пользователей и формирование графов информационных структур Структурными элементами модели предметной области являются элементы множеств F = {fii = \J} и V (V = Vх и Увых,Vю = {v, / є LJ и Уых ={у;/євмг}). Полное множество структурных элементов обозначим через
Под матрицей семантической смежности Вк [67] будем понимать квадратную бинарную матрицу, проиндексированную по обеим осям множеством структурных элементов Dk и содержащую запись =1, если на основании информации пользователей о семантической связности элементов к-го требования, между структурными элементами dx и dj существует отношение R такое, что элемент d, составляет (расширяет, дополняет и т.д.) смысловое содержание элемента dj и 6 =0 — в противном случае. Для БД МИС матрица Вк имеет вид:
Под матрицей достижимости Ai [67] будем понимать квадратную бинарную матрицу, проиндексированную одинаковым образом по обеим осям множества структурных элементов DK = Ц 1-1,Щ. Запись af X матрицы А соответствует наличию или смыслового отношения достижимости Ro элемента dj из элемента dh dtRodj- При этом считается, что элемент dj семантически достижим из элемента dt, если на графе G существует путь от вершины dt к вершине dj, имеющий определенное смысловое содержание. При этом отношение достижимости удовлетворяет условию транзитивности, т.е. если diRgdn и djlgdj, то diRgdj, і, j, п = 1, 2, ..., P(D). Матрица достижимости для элементов множества структурных элементов МИС имеет вид:
Матрица А даёт возможность определения множеств предшествования C(di) и достижимости F(dJ V dt&Dk . Множество C(dj) формируется из элементов, соответствующих единичным записям в і-м столбце, а множество F(dj) - из элементов, соответствующих единичным записям в /-й строке матрицы Ак. Анализ множеств C(dJ позволяет выделить базовые типы структурных элементов, из которых конструируется к-я информационная структура — информационные элементы и группы. Информационным элементам соответствуют те элементы, для которых C(dj)=0. На графе Gk им соответствуют висячие вершины.
Для матрицы А[ выделим для каждого элемента множество предшествования и достижимости и их пересечения. Данные множества представлены в таблице 3.3.
На основании этого определения любые две группы одного и того же уровня либо не связаны друг с другом, либо имеются двусторонние связи (циклы) между этими элементами. Кроме того, условие F(d )r\C(d )=F(d?) обеспечивает то, что все связи из группы d к другим группам находятся на том же уровне, что и d\, в то время как все связи от других групп к d находятся либо на том же уровне, либо на более низком уровне. Данное определение позволяет с использованием матрицы достижимости Агк разделить множество групп D[ на подмножества в соответствии с уровнями рт, т-1,М0 их расположения.
Модель объектно-ориентированного анализа и структуризации предметных областей БД
Рассмотрим объектно-ориентированную модель данных и в целом объектно-ориентированный подход к построению БД, являющиеся в настоящее время наиболее перспективными направлениями проектирования систем БД медицинских учреждений. Возникновение направления объектно-ориентированных баз данных (ООБД) определилось потребностями практики необходимостью разработки комплексных автоматизированных информационных баз данных, обеспечивающих хранение и обработку сложных типов данных: текста, графики, данных, аудио и видеоинформации [1,25,52,77,88].
В ООБД информация хранится в форме объектов. ООБД характеризуются свойствами инкапсуляции, наследования и полиморфизма [19,29,67,70,77]:
1. Свойство инкапсуляции означает, что объекты наделяются некоторой структурой и обладают определенным набором операций, т.е. поведением. Операции, принадлежащие данному объекту, образуют его методы. Внутренняя структура объекта скрыта от пользователя; манипуляция объектом, изменение его состояния возможны лишь посредством его методов. Таким образом, благодаря инкапсуляции объекты можно рассматривать как самостоятельные сущности, отделённые от внешнего мира. Для того чтобы объект произвел некоторое действие, ему необходимо извне послать сообщение, которое инициирует выполнение.
2. Свойство наследования обеспечивает возможность создавать из объектов новые объекты, которые наследуют структуру и поведение своих предшественников, добавляя к ним черты, отражающие их собственную индивидуальность.
3. Свойство полиморфизма означает, что различные объекты могут получать одинаковые сообщения, но реагировать на них по-разному, в соответствии с тем, как реализованы у них методы, реагирующие на сообщения.
Объектно-ориентированная технология призвана устранить ограничения, присущие реляционной технологии проектирования БД, и предоставить более естественные и совершенные средства моделирования предметной области. К их числу относятся:
1. Классификация - объекты, обладающие одинаковыми свойствами и поведением, могут рассматриваться как члены одного класса. Таким образом, индивидуальный объект может рассматриваться как частный случай общего понятия.
2. Подклассы и суперклассы - экземпляры некоторого класса могу образовывать подмножество другого класса.
3. Подклассы наследуют атрибуты и поведение своих суперклассов.
4. Наследование атрибутов и поведения позволяет построить иерархию классов: суперкласс, обладающий общими для ряда классов атрибутами, порождает ряд подклассов, которые, наследуя атрибуты своего класса-родителя, добавляют к ним ряд атрибутов, определяющих их собственные свойства. Этот механизм практически реализует концепции обобщения и конкретизации.
5. Агрегирование - позволяет создать сложные объекты из объектов-компонентов, определять отношения типа "часть-целое".
В ИС, построенных на концепции объектно-ориентированных баз данных, функционирование системы рассматривается как взаимодействие связанных объектов путём посылки пользователями сообщений объектам, обработки вызванных объектов, перехода к обработке других объектов и получения требуемых результатов. При этом стирается грань между данными и методами (процедурами) их обработки, и системы управления объектно-ориентированными базами данных (СУООБД) обеспечивают как традиционные функции управления данными, так и функции управления приложениями.
Объектно-ориентированное проектирование БД является альтернативой структурным методам проектирования. В отличие от структурных методов, при которых сам процесс проектирования БД осознанно отделён от основных программ, объектно-ориентированное программирование предполагает инкапсуляцию в одном объекте как данных, так и методов (процедур) их обработки. Это позволяет создавать БД открытой архитектуры с присущими ей свойствами переносимости, мобильности; сократить сроки, стоимость, трудоёмкость разработки БД за счёт распараллеливания процесса создания структур БД и прикладных программ между коллективами разработчиков, а также возможность повторного использования наследованных объектов; обеспечить простоту сопровождения БД и приложений за счёт использования принципа непрозрачности информации, при котором обеспечивается сокрытие в объекте как процедур обработки данных, так и самих данных; свойство полиморфизма позволяет использовать одни и те же процедуры посылки сообщений для разных объектов, различающихся только переменными вызовов.
