На правах рукописи

ПЕРМИНОВ Владимир Витальевич УНИФИЦИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ ОБМЕНА ДАННЫМИ В ТЕЛЕМЕДИЦИНСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ (специальность 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2009 1

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН)

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор, чл.-корр. РАН, Никитов Сергей Аполлонович

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор, чл.-корр. РАН, Орлов Олег Игоревич доктор технических наук, профессор, Петров Андрей Борисович

Ведущая организация: кафедра информатики МФТИ.

Защита диссертации состоится Ф_25_Ф ноября2009 г.

в 15.00 на заседании диссертационного совета ДМ 521.019.01 при РосНОУ совместно с ИРЭ РАН по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук.

Автореферат разослан У25Ф октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 521.019.01 доцент Растягаев Д.В.

2

Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

Использование компьютерной техники и различных телекоммуникационных технологий в медицинской практике привело к возникновению совершенно новой отрасли здравоохранения - телемедицине. Телемедицина - это направление на стыке нескольких областей - медицины, телекоммуникаций, информационных технологий, образования.

Направление это достаточно новое, особенно для России.

Телемедицина (греч. tele - дистанция, лат. mederi - излечение) - использует электронные коммуникации и информационные технологии для обеспечения медицинской помощи на расстоянии. Редкий термин телездоровье обозначает использование информационных коммуникаций в медицинском обучении, научной деятельности, профилактике, администрировании.

Одним из главных достоинств телемедицины является возможность приблизить высококвалифицированную и специализированную помощь в отдалённые районы. Оказание телемедицинской помощи характеризуется преимущественно двумя признаками:

Х вид передаваемой информации (описание истории болезни, видеоизображения эндоскопической и УЗ-картины, рентгеновских снимков, микроскопических мазков, данные лабораторных анализов и т.п.);

Х способ передачи информации (телефонные линии, спутниковая и сотовая связь и т.п.).

Простейшим видом телемедицины является контроль и консультирование больного врачом или медицинской сестрой с помощью телефонной связи. Сложная телемедицинская система использует интерактивное видео и аудиоканалы. Она состоит из стандартных телефонных линий, цифровых информационных технологий, компьютеров, периферического оборудования, волоконной оптики, спутников связи, программного обеспечения (ПО).

Для проведения телеконсультаций используются самые разнообразные технологии, наиболее распространённые из них в нашей стране - телемосты, но используется также и передача информации через Internet в режиме online, или посредством электронной почты.

Эти технологии удобны, но накопление данных с их помощью представляется затруднительным, т.к. общение участников консультации обычно проходит в свободной форме, что делает практически невозможной машинную обработку данных. Однако накопление опыта оказания медицинской помощи имеет большое значение, т.к. такой опыт необходим для повышения качества медицинской помощи. Современные средства накопления данных - базы данных - требуют формализации хранимых данных, разделения информации на атомарные поля (первая нормальная форма), что и является препятствием для накопления опыта телеконсультаций, проводимых в формате телеконференции или переписки по электронной почте. Решают эту проблему созданием телемедицинских информационных систем с учётом формализации данных. Формализованные данные, сохранённые в базе данных, далее могут повторно использоваться огромным числом способов, реализуемых современными информационными технологиями. Системы управления базами данных уже предоставляют возможности быстрого поиска по формализованной базе данных, фильтрации данных SQL-запросами и программный интерфейс для встраивания базы данных в программное обеспечение. Таким образом, накопленные данные могут быть далее использованы в других системах и для других целей, например Х для подготовки и переподготовки медицинских специалистов Х для создания систем поддержки принятия решений Х для создания баз знаний и экспертных систем Наряду с большими перспективами у информационных систем есть и недостатки, например, часто информационные системы не обладают достаточной гибкостью для эффективной работы в быстроразвивающемся мире информационных технологий, для взаимодействия с меняющимся окружением. Для этого информационная система должна быть слабо связана с этим окружением, а её архитектура и используемые протоколы должны обеспечивать слабую связь. Медицинская специфика вносит дополнительные нюансы в архитектуру телемедицинской информационной системы: медицинские центры работают практически независимо друг от друга и если используемые ими информационные системы объединить в сеть, эта сеть будет одноранговой: без выделенного координирующего центра.

В таких сетях встаёт проблема маршрутизации, и создание информационной системы, способной эффективно работать в таких условиях, является важным шагом в построении единого медицинского информационного пространства.

Актуальность исследований, проведённых в диссертационной работе, определяется в рамках программ фундаментальных исследований Президиума РАН Фундаментальные науки - медицине и Проблемы создания национальной научной распределенной информационно-вычислительной среды на основе GRID технологий и современных телекоммуникационных сетей. Работа вписывается в означенные программы исследований и посвящена отдельным вопросам разработки телемедицинских информационных систем - проектированию распределённых систем и механизмов поддержки распределённой инфраструктуры равноправных узлов. Помимо чисто научных интересов, при этом имеют место и практические приложения к решению проблемы оказания квалифицированной медицинской помощи при нехватке средств местного здравоохранения.

Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является разработка унифицированной модели обмена данными в телемедицинских информационных системах с учётом распределённой архитектуры системы, задаваемой медицинской спецификой: размещением узлов системы в разных медицинских центрах, и разработка системы телемедицинских консультаций для проверки разработанной модели.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

Х анализ существующих веб-технологий, стандартов и протоколов;

Х разработка унифицированной модели обмена данными в телемедицинских информационных системах;

Х логическое проектирование системы телемедицинских консультаций на основе разработанной модели;

Х реализация системы телемедицинских консультаций.

Методы исследования.

Для решения поставленных в диссертации задач использовались следующие методы:

Х разделение архитектуры системы на три уровня для обеспечения слабого связывания и гибкости подсистем Х разделение системы на равноправные модули, составляющие одноранговую сеть Х обмен данными по кроссплатформенному протоколу, основанному на XML с поддержкой структурированных данных Х анализ и систематизация данных, полученных при тестировании системы телемедицинских консультаций Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены следующие результаты:

1. Построена унифицированная модель обмена данными в телемедицинских информационных системах, основанная на парадигме обмена сообщениями между равноправными узлами системы и учитывающая распределённый характер таких систем, задаваемый медицинской спецификой, и сложность структур передаваемых медицинских данных.

2. Решена проблема маршрутизации в таких системах, состоящих из равноправных слабосвязанных узлов. Используя возможность передачи метаданных в заголовке SOAP-конверта, реализуется маршрутизация между равноправными узлами распределённой телемедицинской системы без необходимости хранения на каждом узле топологии всей системы, что избавляет клиентское ПО от необходимости знать топологию системы и даёт возможность естественным образом адаптироваться к изменениям в структуре системы.

Научно-практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложенное использование современных информационных технологий в телемедицине предъявляет меньшие требования к качеству и скорости канала связи по сравнению с технологией телеконференции и позволяет передавать формализованные текстовые и мультимедийные данные в отличие от технологии телефонной (голосовой) связи. Кроме этого передача мультимедийных данных осуществляется без потери качества из-за использования цифровых технологий передачи данных.

2. Использование достижений современных информационных систем предоставит врачам такие возможности как автоматизированный сбор показаний диагностической аппаратуры, сбор информации по клиническому случаю и гарантированная доставка этой информации на сервер телемедицинской системы удалённых консультаций, позволит советоваться с экспертами даже из удалённых медицинских центров, снижая тем самым частоту врачебных ошибок.

3. Система телемедицинских консультаций позволяет решить проблему оказания скорой медицинской помощи в условиях катастроф. Такая помощь осуществляется оперативными группами парамедиков - тренированных специалистов широкого профиля, оказывающих медицинскую помощь в неамбулаторной обстановке. Чтобы оказывать помощь эффективно, нужно быстро и точно провести диагностику состояния пострадавшего, но в сложных случаях постановка диагноза может оказаться нетривиальной задачей. В этом случае парамедику может понадобиться помощь квалифицированного эксперта. Такой эксперт может находиться в медицинском центре далеко от места происшествия, и система телемедицинских консультаций позволяет установить с ним связь, которая позволила бы эксперту оказывать информационную поддержку специалисту.

4. Накопление медицинских данных в базе данных позволяет повторно использовать их для построения баз знаний или экспертных систем, поскольку накопление информации имеет большое значение для точности диагностирования.

5. Использование накопленных медицинских данных в учебном процессе открывает широкие возможности в плане подготовки и переподготовки медицинских специалистов.

6. Использование современных информационных технологий позволяет автоматизировать обработку информации развитыми средствами автоматизации.

7. Предоставление системой программного интерфейса открывает возможность интеграции информационных систем разных медицинских центров в единое информационное пространство.

Положения, выносимые на защиту.

Х Разработанная модель обмена медицинскими сообщениями даёт способ построения модульных слабосвязанных распределённых телемедицинских систем.

Х Разработанная архитектура телемедицинской системы предоставляет способ организации полного цикла обмена медицинскими данными от формирования пакета на клиенте до сохранения информации на сервере в базе данных.

Х Разбиение данных в структуры с атомарными полями и поддержание этих структур через всю архитектуру системы даёт возможность машинного поиска по этим данным в соответствии с требованиями первой нормальной формы реляционных баз данных.

ичный вклад автора заключается в выполнении основного объёма теоретических и расчётных исследований, включая разработку унифицированной модели обмена данными в телемедицинских системах, разработку системы поддержки распределённой инфраструктуры в телемедицинских системах равноправных узлов, проектирование базы данных для хранения медицинских консультаций в системе, участие в проектировании и реализации системы телемедицинских консультаций на основе построенной модели обмена данными, разработку веб-клиента к системе телемедицинских консультаций с учётом возможностей построения тонкого клиента, использующего преимущества системы поддержки распределённой инфраструктуры, разработку стационарного клиента к системе телемедицинских консультаций, предоставляющего возможность подключать модули для считывания медицинских данных с подключенного к компьютеру оборудования, такого как, например, кардиограф, энцефалограф, микроскоп.

Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Интерпретация основных научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций.

Апробация результатов исследования.

Основные результаты диссертации доложены и получили положительную оценку на XLVI научной конференции МФТИ, секция прикладных информационных технологий (Долгопрудный, МФТИ, 2003 г.); ежегодном конкурсе молодых учёных, специалистов, аспирантов и студентов имени И.В. Анисимкина (Москва, ИРЭ РАН, 2004 г.); семинаре по открытым информационным системам (Москва, ИРЭ РАН, 2004 г.); международной конференции AITTHТ2005 Decision support system, knowledge bases, medical databases and registers (Минск, UIIP NASB, 2005 г.); конференции Фундаментальные науки - медицине (Программа фундаментальных исследований Президиума РАН, Москва, 2006 г.); российскогерманском семинаре по ИКТ (Москва, Ассоциация международного научно-технического сотрудничества, 2008 г.); 14 международной конференции ISfTeH (Москва, 2009).

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006613842 Система телемедицинских консультаций.

Публикации.

По теме диссертации имеется 8 публикаций, включая 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложения, работа содержит 96 страниц основного текста, 25 таблиц, 9 рисунков, список цитируемой литературы содержит 85 наименований.

Основное содержание работы