Персональный телемедицинский комплект для дистанционного контроля жизненно важных параметров состояния здоровья человека
PERSONAL TELEMEDICINE KIT FOR REMOTE MONITORING OF VITAL PARAMETERS OF HUMAN HEALTH

Настоящее изобретение относится к медицинской диагностике для выявления угрожающих здоровью людей ситуаций с использованием радиосвязи и передачи данных на центральную станцию и/или несколько подстанций. Предлагаемое техническое решение предназначено для одновременного дистанционного мониторинга параметров функций наиболее важных для жизнедеятельности человека с целью правильной постановки медицинского диагноза, выбора способа лечения и методов восстановления пациента в ходе реабилитации и постреабилитационный период.
Как известно, с 1 января 2018 г. вступил в силу Федеральный закон от 29 июля 2017 г. N 242-ФЗ "О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации по вопросам применения информационных технологий в сфере охраны здоровья" (далее закон о телемедицине). Согласно этому документу, в правовое поле введено понятие телемедицинских технологий и разрешены удаленные консультации пациента.
С 1 сентября 2018 г. введен в действие первый нормативный акт в области телемедицины - национальный стандарт ГОСТ Р 57757-2017 "Дистанционная оценка параметров функций жизненно важных для жизнедеятельности человека", открывающий собой серию документов по стандартизации в этой новой области. В нем содержатся общие требования к технологиям дистанционного получения и обработки информации, ее передачи и оценки врачом (фельдшером). Порядок организации и оказания медицинской помощи с применением телемедицинских технологий определен приказом Министерства здравоохранения Российской Федерации (Минздрава) от 30 ноября 2017 г. N 965н.
Известна "Радиоканальная система кардиомониторинга, предупреждения и действий в критических ситуациях" по патенту RU №2630126, А61В 5/0404, G08B 25/10, в которой на территориально-распределенном медицинском объекте (в больнице, пансионате с прилегающими территориями и т.п.) размещена комбинированная внутриобъектовая радиосеть, работающая в диапазонах так называемых «нелицензируемых частот». Указанная радиосеть включает в себя радиоканал гигагерцового (ГГц) диапазона (2,4 ГГц), например, сети WiFi и/или Bluetooth - для работы внутри помещений, находящихся в зоне радиусом до 100 м, и радиоканал мегагерцового (МГц) диапазона (433 или 868 МГц) для работы в зоне радиусом порядка 2 км. Требования к информационнокоммуникационным технологиям (ИКТ), использующим диапазоны «нелицензируемых частот», определены в Решении ГКРЧ от 07.05.2007 №07-20-03-001. Общей особенностью таких ИКТ является относительно невысокая мощность излучения (не более 10 мВт). В соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 12.10.2004 №539, эти устройства могут эксплуатироваться пользователями без регистрации в Роскомнадзоре.
Согласно указанному изобретению, пользователи (пациенты), оснащаются портативными носимыми телемедицинскими комплектами «телеметронами» для получения возможности их мониторинга не только внутри реанимационного отделения, но и на всей территории медицинского учреждения. То есть принцип работы реанимационного подразделения переносится на больничные палаты и практически на всю больничную территориию, что позволяет существенно повысить эффективность работы всего медицинского учреждения. Система содержит центр контроля состояния здоровья пациентов, подключенный к сетям связи и передачи данных (СПД), связывающим его со службами скорой медицинской помощи и с глобальной сетью Интернет. Каждый телеметрон выполнен в виде моноблока, содержащего неинвазивные датчики контроля сердечной деятельности и дыхательной активности пациента, блок контроля гемодинамики и датчик контроля двигательной активности, подключенные к микроконтроллеру, с которым связаны клавиатура, дисплей, блок звукового оповещения и модемы МГц и ГГц диапазонов.
Медицинские задачи, решаемые указанной системой, относятся к так называемой «тревожной медицине» («alarm-Health»), ориентированной на своевременное выявление непосредственной угрозы жизни человека и принятием экстренных мер по ее устранению. Однако только этими задачами телемедицинская диагностика не ограничивается. Как указано в п. 14 вышеупомянутого приказа Минздрава, консультации (консилиумы врачей) могут проводиться не только в экстренной форме - при внезапных острых заболеваниях, состояниях, обострении хронических заболеваний, представляющих непосредственную угрозу жизни больного, но и в неотложной форме - при внезапных острых заболеваниях, состояниях, обострении хронических заболеваний без явных признаков угрозы жизни больного, а также в плановой форме при проведении профилактических мероприятий, при заболеваниях и состояниях, не сопровождающихся угрозой жизни больного и не требующих экстренной или неотложной медицинской помощи.
Объем телемедицинской информации в этих ситуациях может быть значительно большим, чем в экстренных случаях, а указанные ситуации с пациентом могут возникать не только во время его пребывания в медицинском учреждении, но и за его пределами, в том числе на работе и дома. Это требует более высокой пропускной способности и дальности действия ИКТ, чем в указанном выше аналоге.
2
С целью увеличения объема и улучшения качества передаваемой телемедицинской информации об основных параметрах функций жизненно важных для жизнедеятельности человека до уровня, обеспечивающего возможность дистанционного мониторинга и контроля за указанными параметрами, как этого требует п. 5.3.1 стандарта ГОСТ Р 57757-2017, а также для расширения зоны его действия на внебольничную территорию был предложен "Радиоканальный комплекс домашней телемедицины" (патент RU №2709225, А61В 5/0205, G16H 10/60, G16H 15/00), в котором в описанный выше аналог были введены дополнительно телемедицинский хаб, установленный в зоне действия сети ГГц диапазона, и модуль приемопередачи телемедицинских данных по каналу МГц диапазона. При этом телемедицинский хаб выполнен с возможностью приема данных от радиомодемов ГГц диапазона, входящих в комплект телемедицинских модулей, и передачи по каналу МГц диапазона в центр контроля состояния здоровья пациентов экстренных данных, свидетельствующих об угрозах жизни пациента. Данные, не связанные с угрозами жизни больного, передаются по каналу ГГц диапазона через сеть Интернет в облачное хранилище и/или в ближайший центр контроля состояния здоровья пациентов. Комплект телемедицинских модулей размещен в портативном телемедицинском "чемодане-укладке", включающем в себя различные телемедицинские модули: электрокардиоблок для снятия ЭКГ, измеритель артериального давления (тонометр), измеритель уровня сахара в крови (глюкометр), измеритель частоты пульса и сатурации SpO (пульсоксиметр), измеритель показателей дыхания (спирометр), браслет безопасности, бесконтактный датчик частоты пульса и дыхания, термометр (пирометр) и ряд других медицинских приборов, позволяющих проводить полноценные дистанционные обследования пациента в домашних условиях или в помещении ближайшего фельдшерского пункта, а также дистанционно осуществлять текущий мониторинг его состояния и медицинские консультации. Каждый медицинский модуль содержит модем беспроводной связи ГГц диапазона, например, Bluetooth или Wi-Fi модем, обеспечивающий возможность взаимодействия с сетью Интернет. В качестве модуля приема и передачи телемедицинских данных может быть использовано какое-либо мобильное инфокоммуникационное средство, напримр, смартфон или планшет пациента, на которых установлены соответствующие медицинские программные приложения.
Недостатком такого технического решения является сложность и неудобство использования «чемодана-укладки» в тех случаях, когда человек с признаками недомогания либо с какими-либо хроническими заболеваниями, находится на работе и не имеет возможности отвлекаться на сеансы медицинских измерений показателей своего здоровья. Во время рабочей смены его состояние может внезапно ухудшиться. Возможна даже полная потеря работоспособности, что может привести к аварии или дорожно-транспортному происшествию, последствия которых наиболее страшны на производствах, связанных с опасными операциями, например, на атомных и химических предприятиях, при перевозке токсичных грузов и др.
Для решения такого рода задач авторами данного изобретения ранее был предложен «Радиоканальный комплекс для дистанционного контроля состояния здоровья и рабочей активности сотрудников промышленных и транспортных предприятий», содержащий альтернативный вариант реализации носимого комплекта телемедицинских модулей (патент RU №2739126, А61В 5/0205). Суть предложенного технического решения заключалась в том, что наиболее индикативные с точки зрения возможности дистанционного контроля потенциально опасных отклонений в состоянии здоровья человека портативные неинвазивные сенсоры было предложено разместить не в «чемодане-укладке», а встроить (вшить) в материал спецодежды, например, куртки, выдаваемой работнику для выполнения производственных операций, безопасность которых существенно зависела от влияния "человеческого фактора". Практическая реализация этого технического решения стала возможной, благодаря последним достижениям микроэлектроники и текстильной промышленности, в частности, появлению разнообразных микроэлектромеханических систем (MEMS) и специального трикотажа с токопроводящими нитями, способными выступать в качестве проводов и отведений медицинских сенсоров, например, электрокардиографов. Указанный радиоканальный комплекс содержит центр контроля состояния здоровья пациентов, выполненный с возможностью обмена информацией с помощью сетей СПД с глобальной сетью Интернет, и через нее с пультами скорой медицинской помощи, облачными хранилищами данных и с персональными носимыми комплектами пользователей, в состав каждого из которых входят съемный центральный блок и комплект блоков и датчиков, встроенных в материал специальной рабочей одежды (выполненной с применением трикотажа, содержащего токопроводящие нити). Съемный центральный блок, расположенный, например, во внутреннем или внешнем кармане рабочей куртки, содержит последовательно связанные микроконтроллер, блок селекции каналов и комплект радиомодемов, работающих в сетях СПД. Все соединения съемного центрального блока с комплектом датчиков, встроенных в материал рабочей одежды, выполнены с помощью проводов, расположенных в швах рабочей одежды пользователя, и подключаемых к соответствующим входам съемного центрального блока с помощью многоконтактного разъема, встроенного в корпус съемного центрального блока. Комплект модемов включает в себя модули ГГц диапазона стандартов Wi-Fi или Bluetooth, и/или модули МГц диапазона ("малой дальности действия"), выполненные с возможностью работы в соответствующих сетях СПД. Входы/выходы указанных модулей служат коммуникационными портами указанного комплекта радиомодемов. К микроконтроллеру подключен также навигационный блок, включающий в себя модуль GPS/ГЛОНАСС и блок инерциальных датчиков. В представленном в указанном патенте примере реализации указанного носимого комплекта в состав датчиков измерений параметров функций, жизненно важных для жизнедеятельности человека, включены встроенные в манжеты рукавов рабочей куртки два датчика ЭКГ на одно отведение каждый и пульсоксиметр. В состав встроенных сенсоров входят также датчик температуры человека и датчики параметров окружающей среды, например, внешней температуры и давления воздуха, расположенные, соответственно, во внутреннем и внешнем швах рабочей одежды.
Указанный комплекс предоставляет работодателю уникальную возможность дистанционного мониторинга состояния здоровья и рабочей активности персонала в течение рабочей смены, обнаружения в реальном времени внезапного ухудшения состояния здоровья и работоспособности того или иного работника и своевременного реагирования на него силами и средствами скорой медицинской помощи и аварийно-спасательных служб данного промышленного или транспортного предприятия. Входящий в его состав персональный телемедицинский комплект выбран в качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения.
Его главный недостаток становится очевидным в ситуациях, когда внезапная потеря работоспособности людей, вследствие травм и/или заболеваний, начинает носить массовый характер. В такой обстановке указанный комплекс становится малоэффективным. В первую очередь, это касается эпидемических чрезвычайных ситуаций (ЧС) и пандемий, охватывающих целые регионы (страны).
История борьбы с эпидемиями и пандемиями показывает, что в фазе, предшествующей появлению эффективной вакцины против нового вида инфекции, главным средством противодействия ее распространению является медицинская сортировка (МС) инфицированных людей, выявленных путем тестирования (как тяжело больных, так и бессимптомных переносчиков заразы), распределение инфицированных людей по различным зонам пребывания (зонирование), введение режимов карантина и самоизоляции. Согласно «Методическим рекомендациям» МЧС (ФБГУ «Защита», 2016), процедура МС определяется как разделение выявленных путем тестирования больных на группы, исходя из нуждаемости в однородных лечебно-профилактических мероприятиях, в зависимости от медицинских показаний, возможного объема медпомощи и принятого порядка медицинской эвакуации. В соответствии с «Методикой работы стационарных отделений скорой медицинской помощи» (2015 г.) МС осуществляется на основе балльной оценки по шкале METTS характеристик пульса, артериального давления, сатурации крови и температуры тела пациентов. Те из пациентов, у кого обнаружены признаки тяжелого заболевания, связанного с угрозой жизни, например, обширного воспаления легких, инфаркта и т.п. госпитализируют. Пациентов же с признаками ОРВИ или какого-либо другого более легкого респираторного заболевания, а также бессимптомных больных направляют на самоизоляцию. Все полученные данные об указанных выше пациентах заносятся в базы данных дежурной службы медицинской помощи. Медицинским и персональным данным этих пациентов присваивают единый идентификационный номер (маркирование), и они получают статус «объектов мониторинга».
Один из главных недостатков описанной выше штатной процедуры МС заключается в необходимости очного контакта медицинских работников с пациентами, независимо от вида заболевания и степени тяжести его протекания. В случаях эпидемических ЧС это неизбежно приводит к заражениям и потерям среди медицинских работников даже несмотря на использование ими современных средств индивидуальной защиты (СИЗ). При особо масштабных эпидемических ЧС, например, в условиях поразившей мир пандемии COVID-19 людские и экономические потери становятся недопустимо большими.
Одним из возможных путей решения этой крайне актуальной в настоящее время проблемы является применение технологий искусственного интеллекта (ИИ), обеспечивающих возможность дистанционной дифференциальной диагностики для предварительной селекции больных с тяжелой формой заболевания (требующих срочной госпитализации), от больных с более легким формами протекания COVID-19, которые могут проходить лечение амбулаторно или на дому, а также от бессимптомных больных и от пациентов с другими видами заболеваний.
В настоящее время наиболее индикативным средством выявления COVID-19 считается биологическое тестирование, включающее в себя иммунноферментный анализ, или тестирование на антитела и тест на выявление активного возбудителя инфекции - так называемый молекулярный или ПЦР тест. Указанные биологические тесты наиболее достоверны, но требуют значительных финансовых и временных затрат (сутки и более, в зависимости от удаленности и пропускной способности биолаборатории), а главное, для их проведения необходим очный контакт пациента с медицинским работником, что, как указывалось выше, может приводить к заражению коронавирусом медперсонала и пациентов, не являющихся носителями этого вируса. Другим существенным недостатком указанного тестирования является то, что с его помощью можно установить лишь наличие в организме человека возбудителя болезни, но не определить степень ее тяжести для принятия адекватных мер МС (госпитализация, лечение на дому, самоизоляция и др.)
15 декабря 2020 года агенство ТАСС со ссылкой на публикацию в личном блоге мэра Москвы Сергея Собянина сообщило о том, что уже десять месяцев для диагностики ковидной пневмонии в Москве используется так называемый «КТ-калькулятор» программное обеспечение для анализа снимка легких, полученного с помощью компьютерного томографа (КТ), действующее на основе технологий ИИ.
Это новый медицинский сервис, позволяющий определять степень тяжести пневмонии по результатам анализа крови, сатурации, общей клинической картины пациентов, у которых была диагностирована ковидная пневмония, и сопоставления их с результатами КТ - снимков этих же пациентов. "КТ-калькулятор" это нейронная сеть для оценки степени поражения легких. Она помогает врачу спрогнозировать вероятность легкого (КТ 0-1), среднего (КТ 1-2) или тяжелого (КТ 3-4) течения пневмонии и выбрать адекватную тактику лечения. По словам мэра, пандемия резко ускорила внедрение цифровых сервисов в систему здравоохранения Москвы. "Без технологий ИТ решить задачу массовой и точной диагностики ковидной пневмонии было бы практически невозможно. Сегодня мы делаем следующий шаг в использовании ИИ для диагностики COVID-19", написал мэр в своем блоге. По его словам, "КТ-калькулятор" уже встроили в столичную Единую медицинскую информационно-аналитическую систему (ЕМИАС) г. Москвы и добавил, что технологии машинного обучения и ИИ позволяют создать и другие инновации для спасения жизней (https://tass.ru/moskva/102579877rb).
Наиболее востребованными из них, в первую очередь с точки зрения безопасности самих медицинских работников и тестируемых граждан являются, комплексные технологии цифровой обработки медицинской информации с применением ИИ и телемедицины, которые позволяют оперативно выявлять у пациентов наиболее индикативные биомаркеры инфекционного заболевания и путем их совместного использования принимать необходимые решения по МС, зонированию заболевших и выбору адекватных методов их лечения.
Как показали научные исследования, проведенные у нас в стране и за рубежом, в качестве таких биомаркеров могут быть использованы результаты цифрового анализа спектрограмм голоса, а также звуков дыхания, кашля и чихания пациентов. Так. в монографии «Компьютерная бронхофонография респираторного цикла». Под ред. Геппе Н.А., Малышева B.C. М.: «Медиа Сфера», 2016, описываются современные технологии для объективизации звуковых феноменов, которые добавляют к аускультативной картине визуализацию звуков и объективизацию их с помощью специальных компьютерных программ. В частности, описан разработанный в России метод компьютерной бронхофонографии (КБФГ), основанный на регистрации специфических звуковых эффектов, возникающих при дыхании больных с респираторной патологией, и последующего анализа и математической обработки частотных и временных характеристик спектра звуковых аномалий.
На весьма устойчивую связь характера звуков, издаваемых пациентами, больными COVID-19 при кашле, впервые у нас в стране указал главный врач 40-й больницы в Коммунарке Денис Проценко: "У этого кашля особенные интонации. Не глубокие надсадные, а такие как бы поверхностные. Плюс чувство непроходящего першения. Сразу можно ставить диагноз" (https://www.m24.ru/news/obshchestvo/01082020/127474).
Над приложениями для мобильных ИКТ, позволяющими «любому человеку «покашлять в смартфон» и получить предварительный диагноз на COVID-19, активно работают и за рубежом. В основу этого нового диагностического направления положен алгоритм, который ученые из Массачусетского технологического института разрабатывали ранее для определения признаков болезни Альцгеймера. Поскольку данное заболевание связано с нервно-мышечной деградацией, ученые стремились оценить по речи и кашлю степень ослабления голосовых связок. Затем им стало понятно, что некоторые пациенты с COVID-19 могут испытывать схожие неврологические симптомы, поэтому алгоритм решили адаптировать для диагностики коронавирусной инфекции. Данные собирали онлайн. Любой желающий мог заполнить анкету и отправить аудиозапись своего кашля и речи независимо от наличия у него установленного диагноза COVID-19. Было доказано, что различия в кашле невозможно достоверно расшифровать на слух, однако предлагаемые алгоритмы ИИ на основе нейроподобных сетей в состоянии достаточно точно определять и классифицировать все случаи COVID-19 особенно у бессимптомных носителей коронавируса. По аналогии с обследованием при болезни Альцгеймера постановка предварительного диагноза базировалась в экспериментах на четырех биомаркерах - силе голоса, эмоциональному тону речи, характеристиках дыхания и степени мышечной деградации голосовых связок. Оказалось, что частотные параметры этих звуков существенно меняются при наличии COVID-19 даже при отсутствии у пациента прямых симптомов этой болезни (https://hightech.plus/2020/10/30/ii-so-100-tochnostyu-opredelyaet-bessimpto-mnii-covid-19-po-kashlyu).
Первый в России алгоритм ИИ, в соответствии с которым звуковые файлы голоса, дыхания и кашля превращаются в спектрограммы, показывающие распределение энергии по звуковым частотам, а затем анализируются с помощью глубокой сверточной нейронной сети, разработала и испытала лаборатория ИИ компании "Сбер» (РИА «Новости» от 12 января 2021 года). Хотя в проведенных испытаниях не удалось достичь точности диагностирования, обеспечиваемой при биологическом ПЦР-тесте, первые экспериментальны результаты оказались сопоставимыми по точности и были достаточно обнадеживающими. Было наглядно показано, что бесконтактная процедура сдачи теста и получения результата занимает не более одной минуты, может проводиться дистанционно с помощью обычного смартфона и не требует больших финансовых затрат. Разработчики признают, что данная ИКТ не является полноценным диагностическим инструментом, но может успешно использоваться в качестве одного из важных элементов предварительного заочного тестирования на коронавирус. В ближайшее время компания "Сбер" планирует создать специальное мобильное приложение с этим алгоритмом для смартфона.
Очевидно, однако, что только одного цифрового анализа звуковых эффектов не достаточно для уверенной диагностики COVID-19. Как указывают сами специалисты компании «Сбер», проводившие описанный выше эксперимент, одновременно необходим инструментальный анализ симптоматики пациента с использованием традиционных биомаркеров (https://ria.ru/20210112/koronavirus-1592686640.html).
Как показали многочисленные исследования, проведенные у нас в стране из рубежом, такими биомаркерами могут служить различные показатели патологических изменений, происходящих при COVID-19 в жизненно важных органах человека, в первую очередь, в его дыхательной и сердечно-сосудистой системах. Как отмечается в бюллетене Американской коллегии кардиологов (АСС) от декабря 2019 года, согласно полученному ей отчету об обследовании 138 госпитализированных пациентов с COVID-19: «у 19,6% развился острый респираторный дистресс-синдром, у 16,7% аритмия, у 8,7% шок, у 7,2% острое повреждение сердца, а у 3,6% острое повреждение почек…, «…сообщалось о смерти 61-летнего мужчины с анамнезом длительного курения,…перенесшего острый респираторный дистресс, сердечную недостаточность и остановку сердца, … неопубликованные отчеты из первых рук предполагают, что, по крайней мере, у некоторых пациентов развивается миокардит» (https://medspecials.ru/for_doctors/3/31265).
Из вышеизложенного следует, что при существующем уровне техники принципиально возможно создание ИКТ для предварительной дистанционной дифференциальной диагностики (тестирования) COVID-19. Уникальность и высокая практическая ценность указанной процедуры заключается в том, что ее проведение не требует очного контакта врача и пациента, а результаты позволяют установить степень тяжести заболевания. Это дает надежду на значительное сокращение числа случаев заражения и потерь медицинских работников, вследствие их заражения коронавирусом после очных контактов с заболевшими и, соответственно, на значительное снижение нагрузки на медицинскую отрасль в периоды пиков пандемии. Такая ИКТ должна представлять собой комплекс программно-аппаратных решений по обеспечению дистанционного контроля жизненно важных параметров состояния здоровья человека, в первую очередь патологических изменений в его дыхательной и сердечно-сосудистой системах, сопровождающих протекание COVID-19, а также по выявлению на основе технологий ИИ наиболее индикативных маркеров этого заболевания. Отсутствие в этой области промышленно реализуемых инновационных решений является технической проблемой, на решение которой и направлено настоящее изобретение. Эта проблема заключается в необходимости расширения арсенала технических средств, используемых в борьбе с наиболее опасными эпидемическими ЧС, в первую очередь с пандемией COVID-19. Техническим путем решения указанной проблемы является создание персонального телемедицинского комплекта для контроля жизненно важных параметров функций состояния здоровья человека, применение которого позволило бы медицинским работникам дистанционно (без очного контакта врача и пациента) на основе результатов комплексных инструментальных измерений достаточно уверенно отделять случаи заболевания COVID-19 от обычных вирусных инфекций, а также формировать предварительные рекомендации по проведению МС и последующего зонирования больных. Это позволило бы, с одной стороны, ослабить требования самоизоляции для значительной части населения, а с другой стороны, снизить нагрузку на медицинскую отрасль и повысить эффективность ее работы в условиях повышенной готовности и разгара эпидемических ЧС. Ожидаемый технический результат состоит в реализации указанного назначения.
В основе предлагаемого изобретения лежит новое конструктивное решение вышеупомянутой идеи авторов о размещения комплекта неинвазивных датчиков параметров жизненно важных функций человека в материале одежды. Впервые эта идея была материализована авторами в виде объекта промышленной собственности в вышеупомянутом патенте на изобретение RU №2739126. В предлагаемом в настоящей заявке персональном телемедицинском комплекте вместо рабочей куртки предложено использовать нательную одежду (нижнее белье, футболку, майку и т.п.), выполненную из материала, обеспечивающего плотное прилегание к коже человека, например, с применением лайкры. Это позволяет добиться плотного контакта поверхности датчика с кожей человека, что необходимо для обеспечения наиболее высокой для класса неинвазивных измерителей точности регистрации биомаркеров, используемых для предварительной дифференциальной диагностики (тестирования) кардиореспираторных заболеваний, в том числе COVID-19. Другой важной особенностью предлагаемого технического решения является применение в нем комплексирования медицинских датчиков с аудиодатчиками и последующего цифрового анализа спектрограмм звуков голоса и бронхофонограмм респираторного цикла, а также кашля и чихания с помощью нейроподобных алгоритмов, что позволяет выявлять специфические виды вирусных заболеваний типа COVID-19 и определять степень их тяжести..
Указанный выше технический результат планируется достичь благодаря тому, что в ближайшем аналоге, включающем в себя съемный центральный блок, содержащий последовательно связанные друг с другом блок модемов, работающих в сетях СПД, блок селекции каналов и микроконтроллер, к которому подключены выходы навигационного блока, а также встроенный в материал одежды пользователя комплект неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека, выходы которых с помощью проводов и встроенного в корпус съемного центрального блока разъема подключены к информационным входам блока селекции каналов, осуществлены следующие конструктивные изменения:
В материал одежды дополнительно к комплекту неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека встроен комплект аудиодатчиков, а в съемный центральный блок введены последовательно включенные блок формирования спектрограмм, блок анализа спектрограмм, выполненный с возможностью предварительного ввода в него и образцов спектрограмм голоса, звуков дыхания, кашля и чихания человека, и блок принятия решений. Встроенный разъем выполнен с дополнительным контактом, а микроконтроллер с дополнительным входом, к которому подключен выход блока принятия решений, и дополнительным выходом, к которому подключен второй вход блока принятия решений. Дополнительный контакт встроенного разъема соединен со входом блока формирования спектрограмм и с помощью провода, расположенного с изнаночной стороны одежды, подключен к выходу комплекта аудиодатчиков, причем одежда пользователя выполнена плотно прилегающей к коже человека.
В предпочтительном варианте построения комплекта неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека в его состав могут входить датчик электрокардиограммы, пульсоксиметр - датчик частоты пульса и сатурации Sp02, а также датчик температуры (пирометр) и тонометр датчик артериального давления человека. При этом все указанные датчики выполнены с возможностью соединения со входами блока селекции каналов с помощью проводов, расположенных с изнаночной стороны одежды и подключаемых к съемному центральному блоку с помощью многоконтактного разъема, установленного в его корпусе.
Комплект аудиодатчиков включает в себя два вида MEM устройств: трехкоординатный MEM акселерометр, встроенный в нательное белье (в районе грудной клетки), позволяющий отслеживать вибрации тела при дыхании, кашле и чихании, а также определять положение тела, удары, падение и интенсивность движения человека, и один или несколько MEM микрофонов, вшиваемых в районе грудной клетки и в воротник одежды типа футболки, а также интерфейс, входы которого подключены к выходам указанных MEM устройств, а выход служит выходом комплекта аудиодатчиков.
В состав навигационного блока входят модуль GPS/ГЛОНАСС, выход является первым выходом навигационного блока, и блок инерциальных датчиков, выход которого служит вторым выходом навигационного блока.
В возможных вариантах реализации предлагаемого персонального телемедицинского комплекта блок модемов может включать в себя модули Wi-Fi и/или Bluetooth, модуль GSM/GPRS/3G/4G/LTE и/или модуль "малой дальности действия", выполненные с возможностью работы в сетях СПД, при этом информационные входы/выходы указанных модулей выполняют роль информационного порта указанного блока модемов.
Блок формирования спектрограмм обычно выполняется в виде блока дискретного преобразования Фурье, а блок анализа спектрограмм и блок принятия решений в виде единого процессора сверточной нейронной сети.
В качестве нательной одежды пользователя, в материал которой вшиты комплекты аудиодатчиков и неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека, могут быть использованы различные варианты плотно прилегающих к телу нижнего белья, футболки или майки.
Сущность изобретения поясняется на рисунках фиг. 1 фиг. 6.
Фиг. 1 показывает место предлагаемого персонального телемедицинского комплекта в городской (региональной) информационно-телекоммуникационной инфраструктуре.
На фиг. 2 показана структурная схема рассматриваемого персонального телемедицинского комплекта пользователя.
На фиг. 3 приведены графические изображения футболки со встроенными комплектами датчиков:
фиг. 3а с лицевой стороны одежды, с которой видно расположение съемного центрального блока;
фиг. 3б с изнаночной стороны, с которой видны соединительные провода между датчиками, встроенными в материал одежды, и съемным центральным блоком.
На фиг. 4 представлен возможный состав комплекта аудиодатчиков.
На фиг. 5 показан возможный состав навигационного блока.
На фиг. 6 показан возможный состав блока модемов, работающих в сетях СПД.
На рисунках использованы следующие обозначения: 1 комплект датчиков, встраиваемых в материал одежды; 2 съемный центральный блок; 3 разъем; 4 комплект неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека; 5 комплект аудиодатчиков; 6 датчик ЭКГ; 7 пульсоксиметр; 8 микроконтроллер; 9 блок селекции каналов, 10 навигационный блок; 11 модуль GPS/ГЛОНАСС; 12 модуль инерциальных датчиков; 13 блок модемов; 14 датчик температуры; 15 тонометр; 16 модуль «малой дальности действия»; 17 модули Wi-Fi и/или Bluetooth; 18 модуль GSM/GPRS/3G/4G/LTE; 19 блок формирования спектрограмм; 20 блок анализа спектрограмм; 21 блок принятия решений; 22 трехкоординатный MEM акселерометр; 23 MEM микрофон; 24 интерфейс.
Рассматриваемый телемедицинский комплект для дистанционного контроля жизненно важных параметров состояния здоровья человека включает в себя съемный центральный блок 2, содержащий последовательно связанные друг с другом блок 13 модемов, работающих в сетях СПД, блок 9 селекции каналов и микроконтроллер 8, к которому подключены выходы навигационного блока 10, а также комплект 1 датчиков, встраиваемых в материал одежды пользователя, включающий в себя комплект 4 неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека, выходы которых с помощью соединительных проводов и многоконтактного разъема 3, встроенного в корпус съемного центрального блока 2, подключены к информационным входам блока 9 селекции каналов. При этом в материале одежды дополнительно к указанному комплекту 4 неинвазивных датчиков размещен встроенный в одежду комплект 5 аудиодатчиков, микроконтроллер 8 выполнен с дополнительными входом и выходом, а встроенный разъем 3 с дополнительным контактом. Съемный центральный блок 2 содержит, кроме того, последовательно соединенные блок 19 формирования спектрограмм, блок 20 анализа спектрограмм, выполненный с возможностью предварительного ввода в него образцов спектрограмм голоса, звуков дыхания, кашля и чихания человека, и блок 21 принятия решений, выход которого соединен с дополнительным входом микроконтроллера 8, а второй вход соединен с дополнительным выходом микроконтроллера 8. К дополнительному контакту разъема 3 подключены вход блока формирования 19 спектрограмм и провод, соединяющий этот контакт с выходом комплекта 5 аудиодатчиков. При этом одежда пользователя, в которую встроены вышеупомянутые комплект 5 аудиодатчиков и комплект 4 неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека, выполнена из материала, плотно прилегающего к коже человека нательной одежды.
В возможных вариантах реализации предлагаемого персонального телемедицинского комплекта для контроля жизненно важных параметров состояния здоровья блок 13 модемов может включать в себя модули 18 Wi-Fi и/или Bluetooth, модуль 17 GSM/GPRS/3G/4G/LTE и модуль 16 "малой дальности действия", выполненные с возможностью работы в сетях СПД, при этом информационные входы/выходы указанных модулей являются информационным портом указанного блока 13 модемов.
В предпочтительном варианте реализации комплекта 4 неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека, в указанный комплект могут входить датчик 6 ЭКГ; пульсоксиметр 7 - датчик частоты пульса и сатурации - SpO2, а также датчик 14 температуры и датчик артериального давления человека тонометр 15, при этом все указанные датчики выполнены с возможностью подсоединения ко входам блока 9 селекции каналов с помощью проводов, расположенных с изнаночной стороны одежды и подключаемых к съемному центральному блоку 2 с помощью разъема 3, встроенного в его корпус.
В состав навигационного блока 10 могут входить модуль 11 GPS/ГЛОНАСС и модуль 12 инерциальных датчиков.
Комплект 5 аудиодатчиков включает в себя два вида MEM устройств трехкоординатный MEM акселерометр 22, встроенный в нательную одежду (в районе груди), позволяющий отслеживать вибрации тела при дыхании, кашле и чихании, а также определять положение тела, удары, падение и интенсивность движения человека, и один или несколько MEM микрофонов 23, вшитых предпочтительно в воротник одежды типа футболки, а также интерфейс 24, входы которого подключены к выходам указанных MEM устройств, а выход служит выходом комплекта 5 аудиодатчиков.
Блок 19 формирования спектрограмм может быть выполнен в виде блока дискретного преобразования Фурье, а блок 20 анализа спектрограмм и блок 21 принятия решений в виде единого процессора сверточной нейронной сети.
В разработанном заявителями опытном образце персонального телемедицинского комплекта пользователя съемный центральный блок выполнен на базе покупного изделия SC20-E Smart Module (производство Quectel), включающий в себя микроконтроллер 8 модели NRF52840 (Nordic Semiconductor) работающий под управлением операционной системы Android 6.0/7.1, имеющий следующие основные характеристики:
ARM Cortex-M4 32-bit processor with FPU, 64 MHz,
1 MB flash/256 kB RAM;
12-bit 200ksps ADC;
4-level comparator;
2-channels digital microphone interface (PDM), audio I2S;
QSPI, 4xSPI, 2xI2C, 2xUART, USB2.0 FS (12 Mbps);
Bluetooth 5, IEEE 802.15.4-2006, 2.4 GHz transceiver;
NFC-A tag.
В навигационном блоке 10 в качестве модуля 11 глобального позиционирования используется GPS/ГЛОНАСС/BeiDou, модуль 12 инерциальных датчиков выполнен на микросхеме 3D-акселерометр+3D-gyroscope LSM6DSL (ST) с характеристиками:
частота оцифровки 12.5…6643Hz,
диапазон +-2G…+-16G, чувствительность 0.061…0.488 mg/LSB и шум 80…130 μg по ускорению,
диапазон +-125…+-2000dps,
чувствительность 4.375…70 mdps/LSB и шум 4 mdps/√Hz по угловой скорости.
Блок 13 модемов включает в себя GSM/GPRS/3G/4G/LTE (модуль 17), модули WiFi, 2,4ГГцG/5.8ГГц, Bluetooth 2.1+EDR/3.0/4.1 LE (модуль 16) и модуль "малой дальности действия" на трансивере типа АХ5243 (ON Semiconductors), Его отличительными особенностями являются:
- низкое энергопотребление;
- высокая чувствительность;
- широкий диапазон измерения и регулирования уровня мощности принимаемого сигнала;
- применение технологий Frequency Hopping ("прыгания по частотам") и LBT ("прослушивания эфира перед передачей"), позволяющих эффективно использовать ограниченный частотный диапазон, избегать коллизий при множественном доступе и бороться с "замиранием" сигналов из-за интерференции.
Для снятия ЭКГ используется микросхема ADS1298 (TI):
8-Channel, 24-Bit Analog Front-End for Biopotential Mesurements:
частота оцифровки 250…32000 Hz,
шум 4μ Vpp (150Hz BW).
В качестве датчика температуры используется интегральный цифровой сенсор Si7051 (Silicon Labs) сгабаритами 3×3 мм; заводская калибровка.
Комплект 5 аудиодатчиков выполнен на MEM чипах, подробный обзор которых приведен в (https://kit-e.ru/sensor/mems-mikrofony).
На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на пьезоэффекте. На этом принципе построен использованный в опытном образце трехкоординатный MEM акселерометр 22, модели LSM6DSL (ST).
Массовый тип MEM устройств - микроскопические микрофоны. В опытном образце один из MEM микрофонов 23 модели MP34DT06J (ST): digital (PDM), 64dB SNR, AOP = 122.5 dBSPL выполняет функции фонендоскопа, а другой дифференциальный датчик давления MP3V5050DP (NXP) (0…50 kPa) функции стетоскопа.
Таким образом, промышленная реализуемость предлагаемого технического решения не вызывает сомнений.
Рассматриваемый персональный телемедицинский комплект для дистанционного контроля жизненно важных параметров состояния здоровья человека (далее, Комплект) работает следующим образом.
Место Комплекта в городской (региональной) информационно-коммуникационной инфраструктуре показано на фиг. 1. Данный рисунок носит иллюстративный характер и приведен для лучшего понимания технической идеи, реализуемой предлагаемым изобретением. Как видно из рисунка, рассматриваемый Комплект относится к классу переносных объектовых приборов, применяемых в системах дистанционного контроля обширных территорий. В рассматриваемом случае этот контроль медицинский, а размеры контролируемых территорий могут выходить далеко за пределы отдельных медицинских учреждений (больницы, реабилитационного центра и т.п.). Поэтому в системе присутствует глобальная сеть Интернет, связывающая воедино центр контроля состояния здоровья пациентов (подробно описан в ближайшем аналоге), облачные хранилища данных, пульты скорой медицинской помощи, сети СПД и Комплекты, которыми оснащены пользователи (пациенты), рассматриваемые в качестве маркированных объектов дистанционного контроля и последующих МС, зонирования и медицинской помощи. Комплект, структурная схема которого показана на фиг. 2, содержит комплект 1 датчиков, встроенных в материал одежды пользователя, и внешнее носимое портативное устройство съемный центральный блок 2, размещаемый, например, в переднем накладном кармане футболки (фиг. 3а). В корпус съемного центрального блока 2 встроен многоконтактный разъем 3. Комплексную информацию о состоянии здоровья пациента получают с помощью вшитых в одежду (нижнее белье, футболку, майку и т.п.) комплекта 4 неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека и комплекта 5 аудиодатчиков. С помощью соединительных проводов, расположенных с изнаночной стороны одежды, и многоконтактного разъема 3 эта информация передается в съемный центральный блок 2, в корпус которого встроен указанный разъем 3. Небольшие пластиковые или силиконовые модули с микрочипами измерительных датчиков вшиты в материал одежды с изнаночной стороны (фиг. 3б) и плотно прилегают к кожному покрову пользователя. В частности, в манжеты левого и правого рукавов футболки вшиты по одному датчику 6 ЭКГ на одно отведение каждый. Электроды, используемые в отведениях указанного датчика "безгеливые", но не бесконтактные, как, например, предлагается в "Устройстве бесконтактной регистрации ЭКГ человека" по патенту на полезную модель №163596, А61В 5/04 и в "Устройстве регистрации ЭКГ человека для непрерывного контроля" по патенту на полезную модель №176791, А61В 5/04. В предлагаемом Комплекте применяется контактный способ снятия ЭКГ, реализуемый с помощью вышеупомянутых встроенных модулей с микрочипами. Используемый эластичный электропроводящий трикотаж обеспечивает достаточно плотный и, что самое главное, непрерывный контакт между электродами и кожей человека, практически не ограничивая при этом его движений. Это позволяет существенно снизить влияние помех и искажений ЭКГ, характерных для устройств бесконтактной регистрации ЭКГ у человека, связанных с изменениями расстояния между электродом и кожей во время движения и физических нагрузок. В манжету одного их рукавов встроен также пульсоксиметр 7, позволяющий непрерывно измерять частоту пульса и сатурацию (показатель SpO2). Перед встраиванием в одежду некоторые датчики и места их соединения с проводом заливаются силиконовым компаундом. Так как размеры датчиков невелики (порядка 3×3×1 мм), то их встраивание в материал одежды не вызывает особых проблем и не приводит к ухудшению потребительских свойств одежды.
Функциональным ядром съемного центрального блока 2 (фиг. 2) является, как и в ближайшем аналоге, микроконтроллер 8, содержащий процессор, память и встроенное программное обеспечение (ПО). Микроконтроллер 8 обеспечивает управление по заданной программе приемом телемедицинской информации от комплекта 4 датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека (фиг. 3а, б) и от комплекта 5 аудиодатчиков (фиг. 4). Указанная информация через соединительные провода и встроенный разъем 3 поступает параллельно на информационные входы блока 9 селекции каналов. Выбор измерительного канала для последующей цифровой обработки поступающей из него информации в процессоре микроконтроллера 8 осуществляется путем подачи из него по заданной программе сигнала управления на коммутирующее устройство блока 9 селекции каналов.
Из навигационного блока 10 в микроконтроллер 8 поступает текущая информация о местоположении человека, скорости его перемещения и ориентации тела (относительно земли), получаемая с помощью модуля 11 GPS/ГЛОНАСС и модуля 12 инерциальных датчиков (фиг. 5). Принятые антенной приемника модуля 11 GPS/ГЛОНАСС радиосигналы спутниковых систем оцифровываются и обрабатываются в соответствии с алгоритмами координатометрии в глобальных спутниковых системах, после чего полученные результаты преобразуются в формат, необходимый для их приема и обработки в микроконтроллере 8. Эти данные нужны для ускорения процессов идентификации пациента и поиска медицинскими работниками необходимой медицинской информации о нем в центре контроля состояния здоровья пациентов (фиг. 1).
Микроконтроллер 8 выполняет, кроме того, функции управления буферным накоплением, хранением и передачи по радиоэфиру поступающих в него медицинских и координатометрических данных с использованием блока 13 модемов (фиг. 6), работающих в сетях СПД, например, в сетях общего пользования и/или в проприетарной сети Минздрава России. Программным обеспечением микроконтроллера 8 определяется выбор жизненно важных параметров состояния здоровья человека, которые планируется получить, передать и оценить затем врачом (фельдшером) в данном сеансе дистанционного обследования пациента. В процессоре микроконтроллера 8 измеренный параметр ранжируется (с помощью пороговой обработки) по степени угрозы жизнедеятельности человека. При отсутствии превышения порога, соответствующего критической ситуации, микроконтроллер 8 направляет поток поступающей в него телемедицинской информации в свою буферную память для регистрации, хранения и последующего использования, например, при тестировании на COVID-19. В случае превышения каким-либо жизненно важным параметром порога, соответствующего критической ситуации, например, резкого падения показателя сатурации крови, зафиксированного пульсоксиметром 7, недопустимо высокой температуры пациента, измеренной встроенным датчиком 14 температуры или слишком высокого артериального давления, обнаруженного встроенным тонометром 15, микроконтроллер 8 направляет информацию об этом тревожном событии в модуль 16 "малой дальности действия" МГц диапазона, входящий в состав блока 13 модемов, для передачи по радиоканалу «малой дальности действия» сети СПД в центр контроля состояния здоровья пациентов и службу скорой медицинской помощи (фиг. 1).
Вследствие большого объема мониторинговой информации, записываемой в память микроконтроллера 8 в ситуациях, не угрожающих жизни пациента, для последующей периодической трансляции ее в соответствующее специализированное медицинское учреждение используются облачные хранилища, связь с которыми осуществляется по сети Интернет с помощью модуля 17 Wi-Fi и/или Bluetooth и/или модуля 18 GSM/GPRS/3G/4G/LTE (фиг. 6). Для этого в микроконтроллере 8 осуществляется считывание из буферной памяти соответствующих фрагментов зарегистрированной телемедицинской информации и передача их в указанные модули блока 13 модемов, находящегося в съемном центральном блоке 2 Комплекта. Порядок взаимодействия облачного хранилища с медицинскими работниками регламентируется вышеупомянутым приказом Минздрава №965н и в данной заявке не рассматривается, как не относящийся непосредственно к объекту патентования.
Рассмотрим более детально пример применения Комплекта для предварительного тестирования пациента на COVID-19. Допустим, пациент находится у себя дома и имеет в своем распоряжении описанный выше Комплект и какое-либо инфокоммуникационное средство, оснащенное приложением, обеспечивающим взаимодействие со съемным центральным блоком 2 и сетью Интернет, например, смартфон, рассматриваемый в этом случае как элемент сети СПД. На пациента надета футболка с указанным Комплектом, который зарегистрирован в медицинском учреждении, осуществляющем тестирование пациента на предмет наличия у него COVID-19 и предварительного определения степени тяжести этого заболевания. Сеанс тестирования начинается с заочного контакта пациента с медработником по голосовой связи и сообщения ему внешних симптомов заболевания (недомогания, слабости, жара, озноба, головной боли, потери обоняния и вкуса и др.). После активирования Комплекта из блока 13 модемов на компьютизированное рабочее место медработника начинают поступать результаты цифровой обработки в съемном центральном блоке 2 сигналов измерений жизненно важных биомедицинских параметров, полученных от комплекта 4 неинвазивных датчиков, Обработка и ранжирование полученных показателей по виду и степени угрозы здоровью пациента, осуществляются в микроконтроллере 8 и блоке 9 селекции каналов с помощью тех же алгоритмов, что и в ближайшем аналоге. В рассматриваемом Комплекте это позволяет медработнику дистанционно оценить и практически в реальном масштабе времени контролировать симтоматику заболевания и выявлять биомаркеры, необходимые для предварительной дифференциальной диагностики COVID-19. Уже этой функции достаточно для того, чтобы существенно уменьшить количество необоснованных вызовов скорой помощи. Для возможности, кроме того, выявления больных COVID-19, находящихся в тяжелом состоянии, среди больных с легкой формой заболевания, а также от бессимптомных больных коронавирусом и пациентов с другими видами респираторных и сердечно-сосудистых патологий служат вновь введенные в ближайший аналог комплект 5 аудиодатчиков и цепочка спектрограммометрии, включающая в себя блок 19 формирования спектрограмм, блок 20 анализа спектрограмм и блок 21 принятия решений, выполненные в виде нейронного сетевого процессора. Принцип работы этой цепи заключается в следующем.
Как известно, звук представляет собой акустическую волну, которая характеризуется двумя атрибутами амплитудой и частотой. Человек воспринимает амплитуду звуковой волны как громкость, а ее частоту как музыкальную высоту звука. У звуков есть еще одна важная характеристика тембровая окраска. Именно этот показатель, с одной стороны, легко воспринимается и распознается людьми, а с другой стороны, может служить идентификатором источника звука. Из акустики известно, что тембровую окраску звуку придают гармоники колебания более высоких, кратных частот. Поэтому можно полагать, что для классификации звука можно использовать информацию о его спектральном составе о количестве, амплитудах и частотах колебаний, входящих в распознаваемый акустический сигнал. Именно амплитуды и частоты отдельных гармонических составляющих аудиосигнала могут служить компонентами входного вектора для нейронной сети при ее использовании для распознавания вида заболевания. Решение задачи распознавания включает в себя следующие основные этапы. Сначала исходный акустический сигнал преобразуется с помощью комплекта 5 аудиодатчиков в электрический вид и выполняется его предварительная обработка, в ходе которой удаляются шумы и посторонние сигналы. Затем, отфильтрованный звук подвергается аналого-цифровому преобразованию, т.е. квантуется по времени и кодируется. На следующем этапе цифровой сигнал переводится из временной области обработки в частотную. Для этого используется блок 19 спектрального анализа сигналов, например, блок дискретного преобразование Фурье. Полученные спектральные характеристики звукового сигнала подаются на вход блока 20 анализа спектрограмм, ПО которого построено на основе сверточной нейронной сети, обучаемой, с помощью алгоритма «обратного распространения ошибки».
[
Согласно Википедии (https://ru.wikipedia.org/wiki), сверточная нейронная сеть (англ. convolutional neural network:, CNN) - это архитектура искусственных нейроподобных сетей, нацеленная на эффективное распознавание образов, и входящая в состав технологий глубокого обучения (англ. deep learning).
Название данная архитектура сети получила из-за наличия операции свертки, суть которой состоит в том, что каждый фрагмент массива данных умножается на матрицу (ядро) свертки поэлементно, а результат суммируется и записывается в аналогичную позицию выходного массива данных.
Работа сверточной нейронной сети обычно интерпретируется как переход от конкретных особенностей обрабатываемого массива данных к более абстрактным деталям, и далее к еще более абстрактным деталям вплоть до выделения понятий высокого уровня. При этом сеть самонастраивается и сама вырабатывает необходимую иерархию абстрактных признаков (последовательности карт признаков), фильтруя маловажные детали входного массива данных и выделяя существенные. Подобная интерпретация носит скорее иллюстративный характер. Фактически «признаки», вырабатываемые сложной сетью, малопонятны и трудны для интерпретации настолько, что в практических системах не особенно пытаются понять содержание этих признаков или пытаться их «подправить», вместо этого, как правило, совершенствуют саму структуру и архитектуру сети, чтобы получить лучшие результаты.
В классической модели перцептрона, представляющего собой компьютерную версию восприятия информации человеческим мозгом, каждый нейрон связан со всеми нейронами предыдущего слоя, причем каждая связь имеет свой персональный весовой коэффициент. Перцептрон состоит из трех типов элементов, а именно, поступающие от датчиковых элементов сигналы передаются ассоциативным элементам, а затем реагирующим элементам. Таким образом, перцептроны позволяют создать набор «ассоциаций» между входными стимулами и необходимой реакцией на выходе. В биологическом плане это соответствует преобразованию, например, звуковой информации в физиологический ответ от двигательных нейронов. В сверточной нейронной сети в операции свертки используется лишь ограниченная матрица весов небольшого размера, которую «двигают» по всему обрабатываемому слою (в самом начале - непосредственно по входному массиву), формируя после каждого сдвига сигнал активации для нейрона следующего слоя с аналогичной позицией. То есть для различных нейронов выходного слоя используются одна и та же матрица весов, которую также называют ядром свертки. Ее интерпретируют как кодирование какого-либо признака. Тогда следующий слой, получившийся в результате операции свертки такой матрицей весов, показывает наличие данного признака в обрабатываемом слое и его местоположение, формируя так называемую карту признаков (англ. feature map). В сверточной нейронной сети набор весов не один, а целая гамма. При этом ядра свертки формируются самостоятельно путем обучения сети классическим методом обратного распространения ошибки (ru. wikipedia.org).
Метод обратного распространения ошибки (англ. backpropagation) - метод вычисления градиента, который используется при обновлении весов многослойного перцептрона. Это итеративный градиентный алгоритм, который используется с целью минимизации ошибки работы многослойного перцептрона и получения желаемого выхода. Основная идея этого метода состоит в распространении сигналов ошибки от выходов сети к ее входам, в направлении, обратном прямому распространению сигналов в обычном режиме работы. Информацией для обучения нейроподобной сети, на базе которой реализован блок 20 анализа спектрограмм, служат оцифрованные образцы спектрограмм образцов звуков голоса, дыхания, кашля и чихания, собранных у пациентов в клиниках.
В результате цифровой обработки спектральной информации звукового диапазона с помощью описанного выше алгоритма сверточной нейронной сети на выходе блока 20 анализа спектрограмм формируется кодовое сообщение о наличии у пациента COVID-19 и предполагаемой степени тяжести этого заболевания, аналогично тому, как это осуществляется в вышеупомянутом «КТ-калькуляторе» при диагностировании пневмонии по снимкам с компьютерного томографа ((https://tass.ru/moskva/10257987?rb).
Указанное кодовое сообщение поступает на первый вход блока 21 принятия решений, на второй вход которого подается другое кодовое сообщение, сформированное ПО микроконтроллера 8 по результатам, инструментальных измерений, полученных от комплекта 4 неинвазивных датчиков измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека. Указанное кодовое сообщение формируется таким же образом, как в ближайшем аналоге, и играет такую же роль, как и «результаты короткого опроса по симптоматике» в ранее упоминавшемся методе «выявления COVID-19 за минуту по кашлю», разработанном лабораторией ИИ компании «Сбер» (https://ria.ru/20210112/koronavirus-1592686640.html). Однако, в рассматриваемом случае указанная информация получена не в результате субъективной оценки пациентом своего самочувствия, а с помощью объективных инструментальных измерителей и потому является значительно более достоверной. Проблема, решаемая настоящим изобретением, заключается и в том, каким образом комплексировать указанные два вида информации, не ухудшая эргономические параметры носителя всех датчиков одежды, и не ухудшая точности самих измерений. Указанная проблема решается благодаря применению в комплекте 5 аудиодатчиков вышеупомянутых микроэлектромехнических сенсоров, в частности MEM датчиков движения и MEM микрофонов (фиг. 5).
В последнее время такие мобильные инфокоммуникационные устройства, как телефоны, коммуникаторы, смартфоны, планшеты и ноутбуки все чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).
В портативных компьютерах акселерометры выполняют полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально - именно на их основе работают высококачественные системы стабилизации изображения.
Соответствующие чипы давно разработаны и производятся в таких количествах, что цены сбиты до минимума. Типичный MEM акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку и имеет очень малые размеры. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics - всего лишь 3×5×0,9 мм. Причем речь идет именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами - сам кристалл еще меньше.
В рассматриваемом Комплекте используется трехкоординатный MEM акселерометр 22, основанный на пьезоэффекте. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках - под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, давления на пьезокристалл - и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.
Еще более массовый тип MEM устройств - MEM микрофоны 23. Как и в случае с акселерометрами, в них используется пьезоэффект под мембраной ставится пьезокристалл. Давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука. Этот сигнал через интерфейс 24 и разъем 3 подается в съемный центральный блок 2, где подвергается дальнейшей цифровой обработке в вышеупомянутой цепочке спектрограммометрии.
В блоке 21 принятия решений многомерный вектор результатов измерений жизненно важных параметров состояния здоровья человека, сформированный ПО микроконтроллера 8, сравнивается с многомерным вектором результатов анализа спектрограмм голоса, звуков дыхания, кашля и чихания человека, сформированным ПО блока 20 анализа спектрограмм. Указанное сравнение может проводиться, например, с использованием тех же нейроподобных сетевых алгоритмов по аналогии с тем, как это описано в статье Бодин О.Н. и др. «Разработка блока принятия решения в нейросетевом кардиоанализаторе компьютерной диагностической системы «КАРДИОВИД» // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №5 (http://www.science-education.ru/ru/article/view). Результатом работы этих алгоритмов является номер диагностического заключения о состоянии здоровья пациента. Полученному номеру присваивается словесное описание предварительного диагностического заключения о состоянии пациента, которое передается по цепочке «микроконтроллер 8 блок 9 селекции каналов блок 13 модемов» в сеть СПД и поступает медицинскому работнику в качестве рекомендации для принятия решения о МС, зонировании и маркировании пациента в качестве объекта последующего мониторинга (либо экстренной госпитализации). Как альтернативный вариант, указанное сравнение может осуществляться в компьютере медицинского работника. В этом случае работа блока 21 принятия решений упрощается и ограничивается лишь передачей двух указанных видов информации о состоянии пациента в вышеупомянутую коммуникационную цепочку и трансляции в центр контроля состояния здоровья пациентов (фиг. 1). Конкретный выбор алгоритма работы блока 21 принятия решений не играет существенной роли с точки зрения предмета изобретения и поэтому в заявке не рассматривается. Конструктивно блок 20 анализа спектрограмм и блок 21 принятия решений могут быть выполнены в виде единой интегральной схемы процессора нейроподобной сети.
В любом случае на выходе съемного центрального блока 2, и соответственно, Комплекта в целом, получается информация, которая ранее могла бы быть получена лишь при очном контакте врача и пациента. Это позволяет сократить число случаев заражения медицинских работников, вследствие их очных контактов с заболевшими и, соответственно, значительно снизить потери персонала и нагрузку на медицинскую отрасль в периоды пиков пандемии.
Таким образом, предлагаемая совокупность общих с ближайшим аналогом и отличительных существенных признаков изобретения позволяет решить поставленную техническую проблему, состоящую в необходимости расширения арсенала технических средств, используемых в борьбе с наиболее опасными эпидемическими ЧС, в первую очередь с пандемией COVID-19. Достигаемый при этом технический результат состоит в реализации указанного назначения.