Разработка системы ЭКГ-диагностики критических состояний

УДК 53.088.7, 612.172.4

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭКГ-ДИАГНОСТИКИ КРИТИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ

Л. Ю. Кривоногое, Д. В. Папшев

DEVELOPMENT OF A ECG-DIAGNOSTICS SYSTEM FOR CRITICAL STATES DETECTION

L. Yu. Krivonogov, D. V. Papshev

Аннотация. Актуальность и цели. Высокая смертность от сердечно-сосудистых заболеваний требует создания новых высокоэффективных приборов и систем для ранней диагностики этих заболеваний. Цель данного исследования - разработка телеметрической системы электрокардиографической (ЭКГ) диагностики, обеспечивающей автономное автоматическое определение жизнеугрожающих состояний в реальном времени и при свободной активности пациентов. Материалы и методы. При создании приложений применялась методология объектно-ориентированного программирования. Тестирование системы проводилось на электрокардиосигналах (ЭКС) из базы физиологических сигналов веб-ресурса PhysioNet. Результаты. Рассмотрены предпосылки и сформулированы требования к системе. Приведены основные принципы построения системы. Разработана структура системы и структура ее программного обеспечения. Предложена модель принятия решений в системе. Разработан макет портативного регистратора ЭКС и мобильное приложение. Выводы. Разработанная система позволяет повысить эффективность оказания неотложной помощи при жизнеугрожающих состояниях сердечно-сосудистой системы.

Ключевые слова: система, ЭКГ-диагностика, критические состояния сердца.

Abstract. Background. High mortality from cardiovascular diseases requires the creation of new high-performance devices and systems for the early diagnosis of these diseases. The purpose of this investigation is developing a telemetry ECG-diagnostics system, providing independent automatic on-line critical states detection of the patient's free activity. Materials and methods. Software applications created on base of object-oriented programming. System testing was carried out on ECG signal from the database of physiological signals of a web resource PhysioNet. Results. The preconditions are considered and system requirements are formulated. The basic principles of the system are given. A structure of the system and the structure of software are developed. A model of decision making in the system is proposed. A prototype portable recorder ECG signal and mobile applications are developed. Conclusions. The developed system allows to improve the efficiency of emergency care for critical states of the cardiovascular system.

Key words: system, ECG-diagnostics, critical states of the heart.

Введение

Успехи автоматизации электрокардиографических исследований пробудили интерес врачей к мониторингу состояния сердечно-сосудистой системы в реальном времени и при свободной активности пациентов с целью оперативного обнаружения, количественной оценки и сигнализации различных патологий. В первую очередь речь идет об опасных для жизни нарушениях сердечного ритма, которые имеют преходящий характер, то есть появляются достаточно редко или в условиях физических и эмоциональных нагрузок.

Именно поэтому их можно обнаружить только при продолжительном исследовании ЭКС в естественных условиях жизнедеятельности пациента. Задачи мониторинга ЭКС с целью определения различных критических состояний (КС) существуют в космической и спортивной медицине, при оценке состояния операторов объектов повышенной опасности, сотрудников спецподразделений во время профессиональной деятельности.

Все эти задачи в полной мере могут решить лишь специальные телеметрические системы ЭКГ-диагностики, предназначенные для работы в условиях свободной активности пациентов.

Появление в начале 1960-х гг. метода холтеровского мониторирования и соответствующей аппаратуры было первым шагом на пути выявления критических состояний в условиях свободной активности. Основным недостатком холтеровских мониторов является отсроченный анализ, не позволяющий оперативно оказывать медицинскую помощь при появлении жизнеугрожаю-щих состояний [1].

Сформулируем основные требования к разрабатываемой телеметрической системе ЭКГ-диагностики критических состояний (ЭКГ ДКС):

- высокая помехоустойчивость, гарантирующая достоверные автоматические заключения в условиях свободной активности пациентов;

- применение новейших информационно-коммуникационных средств и технологий, обеспечивающих оперативное получение и обработку информации, беспроводной обмен информацией между элементами системы;

- автономное (без участия врача и стационарных вычислительных средств) принятие решений о наличии КС;

- возможность подтверждения/опровержения автономного решения, а также более подробный анализ ЭКС врачом или вычислительными средствами сервера;

- определение местоположения пациента, обеспечивающее оказание ему медицинской помощи в случае определения КС;

- возможность оперативного формирования рекомендаций и доставки их пациенту;

- длительное время работы (не менее 24 часов) портативных частей системы без подзаряда источников питания.

1. Предпосылки и принципы создания системы ЭКГ ДКС

Техническими и технологическими предпосылками разработки системы ЭКГ ДКС являются:

- массовое распространение и доступность мобильной связи, Интернета, системы спутникового позиционирования;

- наличие у населения и доступность смартфонов, имеющих достаточную вычислительную мощность, программное обеспечение, поддержку необходимых функций и протоколов связи;

- высокие темпы роста услуг мобильной связи и Интернета по сравнению с медицинскими услугами.

В качестве портативного вычислительного устройства системы ЭКГ ДКС целесообразно использовать современные смартфоны с мобильным приложением, специально разработанным для электрокардиографической диагностики критических состояний.

Кроме существующих на сегодняшний день информационно-коммуникационных средств и технологий, основой для разработки системы ЭКГ ДКС стали:

- методы и алгоритмы помехоустойчивой обработки ЭКС, основанные на преобразовании Гильберта - Хуанга и адаптивной агрегации фильтров (новизна подтверждена патентами РФ № 2410023, 2440022, 2486862, 2568817, свидетельством о госрегистрации программы для ЭВМ № 2012612695);

- методы и алгоритмы формирования диагностических признаков критических состояний (новизна подтверждена патентом РФ № 2547783 и АС СССР № 1358931, 1502008, 1528445, 1616600, 1641272, 1739967);

- алгоритм экспресс-анализа критических состояний сердца (новизна подтверждена патентом РФ № 2567271);

- структурные решения входного узла (новизна подтверждена патентами РФ № 2452364, 2540528).

Синергетическое объединение существующих технологий и разработанных методов, алгоритмов и структурных решений дает научную основу создания системы электрокардиографической диагностики нового поколения, обеспечивающей высокую достоверность автоматических заключений о наличии критических состояний в условиях свободной активности пациентов, доступность широким слоям населения и простоту применения.

Рассмотрим основные принципы построения системы ЭКГ ДКС.

Мобильность - способность функционирования системы при перемещении пациента.

Автономность - возможность самостоятельного принятия решений мобильным приложением без участия врача и без использования вычислительных возможностей сервера.

Многоуровневое иерархическое принятие решений - принятие решений различной степени детализации и на различных уровнях с подтверждением и/или уточнением решения более низкого уровня иерархии. Автономность рассматривается как первый уровень иерархии.

Портативность - обеспечение малой массы и габаритов, удобство эксплуатации носимой части системы.

Индивидуальность - принадлежность носимой части системы отдельному пациенту.

Высокая помехоустойчивость - устойчивость к помехам, гарантирующая высокую достоверность принятия диагностических решений в условиях воздействия интенсивных помех, проявляющихся при длительной регистрации и свободной активности пациентов.

Контроль качества входного (регистрируемого) ЭКС - обеспечение условий использования для диагностики и принятия решений относительно наличия критических состояний только электрокардиосигналов, достоверно характеризующих состояние сердечно-сосудистой системы и не содержащих помех с интенсивностью выше допустимого уровня.

Информационная безопасность - это состояние защищенности информационной среды. Информация, обрабатываемая при функционировании системы ЭКГ ДКС, является персональными данными и может составлять врачебную тайну.

Электробезопасность - наличие мер и средств, обеспечивающих защиту пациента и медицинского персонала от опасного воздействия электрического тока.

Высокая производительность - производительность системы, достаточная для обработки и анализа ЭКС в реальном времени (по мере поступления входных данных).

2. Разработка структуры и структуры программного обеспечения

системы ЭКГ ДКС

Система ЭКГ ДКС состоит из портативного регистратора ЭКС, смартфона, сервера приложений и автоматизированного рабочего места (АРМ) врача-кардиолога [2]. Структура системы с обозначением протоколов связи между элементами системы показана на рис. 1. Портативный регистратор ЭКС представляет собой миниатюрное устройство, закрепленное на торсе пациента и обеспечивающее регистрацию и беспроводную передачу ЭКС на мобильное вычислительное устройство (смартфон). Смартфон с установленным мобильным приложением осуществляет прием зарегистрированного ЭКС, обработку и анализ ЭКС с целью выявления критических состояний. На экране смартфона отображается графическая информация (зарегистрированный ЭКС), а также результаты измерений и анализа, сформированные заключения и рекомендации. Модуль навигации в составе смартфона взаимодействует с навигационными спутниками ГЛОНАСС/ОР8 с целью позиционирования пользователя.

Рис. 1. Структура системы ЭКГ ДКС с обозначением протоколов связи между составными частями

При наличии критических ситуаций мобильное приложение обеспечивает вызов скорой помощи к местоположению пациента. При необходимости смартфон взаимодействует с сервером компьютерной диагностической системы (КДС) «Кардиовид»: передает ЭКС и результаты экспресс-анализа, получает заключения и рекомендации. Программное обеспечение (ПО) сервера системы позволяет автоматически производить подробный анализ ЭКС и

обеспечивает связь с АРМ врача. Подобная структура позволяет принимать решения на разных уровнях (смартфон, сервер, врач), а также обмениваться информацией, необходимой для обеспечения эффективного лечебно-диагностического процесса.

В настоящее время проводные соединения между отдельными устройствами медицинских систем целесообразно заменить беспроводными технологиями и соответствующими техническими средствами беспроводной передачи данных. При выборе беспроводной технологии необходимо учитывать целый ряд факторов: расстояние между устройствами и возможность их перемещения, скорость передачи и объем передаваемой информации, энергопотребление, возможность шифрования, уровень помех и т.д. Рассмотрим протоколы связи между составными частями системы ЭКГ ДКС.

При выборе беспроводной технологии передачи данных между портативным регистратором ЭКС и смартфоном основным требованием является экономичность передачи информации в небольшом радиусе действия (до нескольких десятков метров) и наличие соответствующих аппаратных и программных средств в составе смартфона. Выбрана технология мобильной связи Bluetooth, работающая в частотном диапазоне 2400...2483.5 МГц. Этот диапазон ISM (Industrial, Scientific and Médical) является открытым и не требует лицензирования в большинстве стран мира. Протокол Bluetooth 4.0 (Bluetooth Low Energy - BLE) обеспечивает ультранизкое энергопотребление и поддерживается большинством современных смартфонов.

Для связи со спутниками навигации использован NMEA 0183 (National Marine Electronics Association) - текстовый протокол связи морского навигационного оборудования, поддерживаемый модулями навигации смартфонов.

Для отправки SMS-сообщений в службу скорой помощи использован SMPP (Short message peer-to-peer protocol) - стандартный протокол, описывающий взаимодействие конечного клиента с SMS-сервером.

Обмен структурированными сообщениями в распределенной вычислительной среде между смартфоном и сервером КДС «Кардиовид» обеспечивается SOAP (Simple Object Access Protocol) - простым протоколом доступа к объектам.

Взаимодействие сервера КДС «Кардиовид» и АРМ врача обеспечивается набором сетевых интернет-протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol /Internet Protocol).

В соответствии с функциями всей системы и ее отдельных частей разработана структура программного обеспечения системы ЭКГ ДКС (рис. 2), которая включает ПО портативного регистратора ЭКС, мобильное приложение «Система ЭКГ ДКС» и приложение КДС «Кардиовид».

Серверная часть КДС содержит модуль взаимодействия с мобильным приложением, базу данных (БД) и систему управления базой данных (СУБД), модуль взаимодействия с БД. В состав клиентской части (приложение КДС «Кардиовид») входят модули взаимодействия с сервером, анализа, вычислений, выдачи заключений, визуализации, регистрации пациентов. Приложение КДС «Кардиовид» может быть реализовано в двух вариантах: клиентская и серверная части вместе (сервер КДС «Кардиовид»), отдельно клиентская часть (ПО АРМ врача).

Рис. 2. Структура ПО системы ЭКГ ДКС

3. Модель принятия решений в системе ЭКГ ДКС

При создании медицинских информационных систем и систем поддержки принятия решений актуальной является проблема их функционально -сти и пригодности, которая заключается в том, что с увеличением числа функций система становится более сложной, а значит, и менее пригодной для практического применения. Решением проблемы сможет стать разработка многоуровневых иерархических систем, обеспечивающих разделение всего процесса принятия решений на несколько уровней таким образом, чтобы решение задачи на каждом из них было не очень сложным.

Информационное взаимодействие в системе ЭКГ ДКС представлено трехуровневой иерархической моделью принятия решений. Реализация такой модели обеспечивает, с одной стороны, оперативное автономное определение критических состояний, а с другой (при необходимости) - подробный врачебный анализ ЭКС. При этом повышается эффективность оказываемой медицинской помощи (повышается оперативность определения критических состояний и уменьшается стоимость услуг).

Разработанная модель проиллюстрирована диаграммой деятельности иМЬ (рис. 3), охватывает только процессы, связанные с принятием решений о наличии критических состояний и оказании помощи пациенту.

На нижнем уровне иерархии в рамках экспресс-анализа КС (реализуется мобильным приложением) принимаются следующие решения: пригодность ЭКС к анализу, наличие критических состояний, наличие связи с сервером. При наличии связи с сервером полномочия передаются серверу (режим «смартфон-сервер»), при отсутствии происходит переход в автономный режим. При выявлении критических состояний обеспечивается определение местоположения пациента, вызов скорой помощи и сигнализация о вызове скорой помощи.

Рис. 3. Диаграмма деятельности, иллюстрирующая модель принятия решений

в системе ЭКГ ДКС

На среднем уровне иерархии в рамках дифференцированного анализа КС (реализуется приложением КДС «Кардиовид») принимаются следующие решения: подтверждение результатов нижнего уровня, потребность в подробном врачебном анализе (ВА), наличие связи с АРМ врача. Если требуется ВА, то при наличии связи с АРМ данные передаются врачу (режим «смартфон-сервер-врач»). При отсутствии связи с врачом обеспечивается вызов скорой помощи или формирование рекомендаций (режим «смартфон-сервер»).

Решения, принимаемые на верхнем уровне иерархии в рамках подробного врачебного анализа с применением АРМ врача-кардиолога, следующие: вызов скорой помощи, формирование рекомендаций.

В соответствии с трехуровневой моделью при работе системы ЭКГ ДКС возможны три режима работы:

- автономный режим (все задачи по обработке и анализу ЭКС выполняются мобильным приложением);

- режим «смартфон-сервер» (задачи по обработке и анализу ЭКС распределены между мобильным приложением и сервером);

- режим «смартфон-сервер-врач» (все задачи по обработке кардиографической информации возложены на клиентскую часть КДС, а сервер КДС используется лишь для хранения данных).

Заключение

В рамках создания системы ЭКГ ДКС разработан макет портативного регистратора ЭКС [3] и мобильное приложение для смартфона ЭКГ ДКС (в двух вариантах для ОС Android и для ОС Windows Phone). КДС «Кардиовид» была разработана еще несколько лет назад и прошла ряд модификаций [3, 4]. При создании приложений применялась методология объектно-ориентированного программирования.

Тестирование системы проводилось на реальных ЭКС, полученных в условиях лечебных учреждений г. Пензы, а также из базы физиологических сигналов веб-ресурса PhysioNet [5].

Разработанная система ЭКГ ДКС позволяет снизить нагрузку на высококвалифицированных врачей-кардиологов и повысить эффективность оказания неотложной помощи при жизнеугрожающих состояниях сердечнососудистой системы. Внедрение системы ЭКГ ДКС в медицинскую практику требует проведения дополнительных клинических испытаний и может послужить основой успешной конкуренции с ведущими зарубежными фирмами, работающими в данной области.

Список литературы

1. Беспроводная система электрокардимониторинга как альтернатива холтеровским мониторам / О. Н. Бодин, Л. Ю. Кривоногов, А. Г. Иванчуков, М. А. Петровский // Материалы 14-го конгресса Российского общества холтеровского мониторирова-ния и неинвазивной электрофизиологии (РОХМиНЭ), 6-го Всероссийского конгресса «Клиническая электрокардиология» (11-12 сентября 2013 г.). - Иркутск, 2013. - С. 58-59.

2. Кривоногов, Л. Ю. Алгоритмы подавления помех для систем электрокардиодиа-гностики в условиях двигательной активности / Л. Ю. Кривоногов, А. Г. Иванчуков // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 2. - URL: http://www.science-education.ru/129-21873 (дата обращения: 29.09.2015).

3. Портативный ЭКГ-датчик компьютерной диагностической системы «Кардиовид» / М. А. Петровский, О. Н. Бодин, Л. Ю. Кривоногов, А. Г. Иванчуков // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 4. - URL: www.science-education.ru/118-14104 (дата обращения: 25.10.2014).

4. Бодин, О. Н. Принципы построения, структура и особенности компьютерной диагностической системы «Кардиовид» / О. Н. Бодин // Медицинская техника. -2006. - № 1. - С. 33-35.

5. PhysioNet. The Research Resours for Complex Physiologic Signals. - URL: http://www.physionet.org (дата обращения: 12.10.2015).

Кривоногов Леонид Юрьевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра медицинской кибернетики и информатики,

Пензенский государственный университет E-mail: leonidkrivonogov@yandex.ru

Папшев Дмитрий Викторович

ассистент,

кафедра медицинской кибернетики и информатики,

Пензенский государственный университет E-mail: rover_d@mail.ru

Krivonogov Leonid Yurievich candidate of technical science, associate professor, sub-department of medical cybernetics and informatics, Penza State University

Papshev Dmitry Victorovich assistant,

sub-department of medical cybernetics and informatics, Penza State University

УДК 53.088.7, 612.172.4 Кривоногов, Л. Ю.

Разработка системы ЭКГ-диагностики критических состояний / Л. Ю. Кривоногов, Д. В. Папшев // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 1 (17). - С. 281-289.