Организация распределенной системы диагностики состояния сердца

УДК 004.75: 616.12-07

С. А. Балахонова, О. Н. Бодин, Д. С. Логинов, Е. А. Ломтев, М. И. Сафронов

ОРГАНИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СЕРДЦА

S. A. Balahonova, О. N. Bodin, D. S. Loginov, Е. A. Lomtev, М. I. Safronov

ORGANIZATION OF THE DISTRIBUTED HEART STATE

DIAGNOSIS SYSTEM

Аннотация. Актуальность и цели. Предметом исследования являются неинвазив-ные методы автоматической оценки состояния сердца, основанные на применении портативных кардиоанализаторов совместно с «облачным» сервисом хранения и обработки данных пациентов из группы риска сердечно-сосудистых заболеваний. Целью исследования является обоснование подхода к разработке распределенной системы автоматической оценки состояния сердца. Материалы и методы. Используются методы автоматической оценки состояния сердца, методы разработки медицинских информационных систем и распределенных баз данных. Результаты. В рамках трехзвенной структуры распределенной системы автоматической оценки состояния сердца рассмотрено информационное взаимодействие, предложены алгоритмы работы, отвечающие современным требованиям к безопасности и отказоустойчивости. Распределенная система автоматической оценки состояния сердца, основанная на взаимодействии персональных кардиоанализаторов и ресурсов облачного сервиса для автоматической оценки состояния сердца, позволяет производить своевременную диагностику состояния пациента, своевременно осуществлять вызов скорой помощи и предоставлять специалистам всю необходимую информацию о пациенте. Выводы. На современном этапе развития науки и техники все большее значение принимают информационные технологии. При этом внимание фокусируется на IT-технологиях, совмещающих в себе мобильность и возможность удаленной работы практически из любой точки мира. Согласно этим тенденциям необходимо модернизировать и подходы к оценке состояния сердца. Функциональные возможности разработанной распределенной системы автоматической оценки состояния сердца заключаются: в оценке состояния сердца на сервере компьютерной диагностической системы «Кардиовид»; предоставлении удаленного доступа к данным пациента; вызове скорой помощи к местоположению пациента в случае необходимости.

Abstract. Background. The subject of the study are non-invasive methods of automatic evaluation of heart condition, based on the use of portable cardiological together with the "cloud" storage and data processing service patients at risk of cardiovascular disease. The aim of the study is to validate the approach to the development of a distributed system of automatic evaluation of heart condition. Materials and methods. The article uses the methods of automatic evaluation of heart condition, the development of methods of health information systems and distributed databases. Results. Within the three-tier structure of the automatic evaluation of the heart condition of the distributed system, consider the information interaction, algorithms of work, corresponding to modern requirements for security and resiliency. Distributed system of automatic evaluation of heart condition, based on the interaction between personal resources and cardiological cloud service for automatic evaluation of heart condition, allows timely diagnosis of the patient's condition, make timely call an ambulance and provide experts with all the necessary information about the patient. Conclusions. At the present stage of development of science and technology are increasingly important information technology. At the same time, more attention is focused on IT-technologies that combine mobility and the ability to work remotely from virtually anywhere in the world. According to these trends is necessary to modernize and approaches to assessing the state of the heart. The functionality of a distributed sys-

tem developed automatic evaluation of heart condition are to: Assessing the state of the heart on the server computer diagnostic system (CDS) "Kardiovid"; Providing remote access to patient data; First aid to the patient's location when necessary.

Ключевые слова: распределенная информационная система, облачный сервис, диагностика состояния сердца.

Key words: distributed system, cloud service, heart state diagnosis.

Ежегодно в России свыше 1 млн человек умирают вследствие заболеваний, связанных с работой сердца. Среди трудоспособного населения в зоне риска находятся свыше 10 млн человек, в том числе спортсмены, военные, работники тяжелого физического труда, лица, перенесшие операцию на сердце, а также страдающие хроническими обострениями в работе сердца и др. Современные медицинские учреждения, связанные с лечением заболеваний сердца (центры сердечно-сосудистой хирургии), позволяют вылечить как медикаментозным, так и хирургическим способом большинство пациентов даже с критическими отклонениями в работе сердца. Удачный сценарий лечения возможен только при своевременном обращении в скорую помощь либо в соответствующее лечебно-профилактическое учреждение. Однако очень часто ухудшение работы сердца возникает внезапно, и больной не успевает обратиться за помощью. Несмотря на то, что внезапному ухудшению работы сердца предшествует возникновение различных сбоев в работе организма, в том числе и сердца, больной, как правило, заранее не может предвидеть резкое ухудшение, и решение обратиться за помощью приходит с большим запозданием.

По мнению авторов, своевременная диагностика состояния сердца позволила бы в большинстве случаев минимизировать риск внезапного ухудшения работы сердца и не доводить состояние здоровья пациента до необходимости хирургического способа лечения в тех случаях, когда можно было бы обойтись курсом медикаментозного лечения либо скорректировать для пациента режим труда и отдыха.

Работа авторов направлена на улучшение своевременности диагностики состояния сердца путем использования портативных кардиоанализаторов (ПКА) совместно с использованием ресурсов облачного сервиса для автоматического анализа показаний работы сердца. Помимо этого, работа направлена на повышение оперативности вызова службы скорой помощи при диагностике критического состояния сердца, а также на улучшение качества оказания помощи пациенту путем предоставления врачу данных по состоянию сердца, собранных облачным сервисом КДС «Кардиовид».

Для достижения указанных целей авторами предложена схема организации распределенной системы диагностики состояния сердца (рис. 1).

Рис. 1. Организация распределенной системы диагностики состояния сердца

На рис. 1 приведены следующие элементы:

а) ПКА - портативные кардиоанализаторы, которыми предлагается оснащать пациентов, находящихся в зоне риска;

б) ЛПУ - любые лечебно-профилактические учреждения, оснащенные медицинскими информационными системами (МИС);

в) служба 112 - единая система взаимодействия экстренных оперативных служб при реагировании на происшествия и чрезвычайные ситуации;

г) скорая медицинская помощь - вид медицинской помощи, оказываемой гражданам при заболеваниях, несчастных случаях, травмах, отравлениях и других состояниях, требующих срочного медицинского вмешательства;

д) облачный сервис КДС «Кардиовид» - система, обеспечивающая предоставление облачных услуг, связанных с диагностикой состояния сердца пациентов.

По мнению авторов, актуальность приведенной схемы обусловлена следующими факторами:

1. В настоящее время активно осуществляются разработки портативных устройств, позволяющих производить оценку состояния сердца, в том числе в условиях свободной двигательной активности. Одним из таких устройств является портативный кардиоанализатор [1], состоящий из устройства регистрации параметров работы сердца и смартфона, который принимает информацию от устройства регистрации и осуществляет автоматическую экспресс-диагностику состояния сердца.

По мнению авторов, применение устройств данного типа совместно с облачным сервисом КДС «Кардиовид» является перспективным направлением развития медицинской техники, поскольку данные устройства оснащены большим количеством интерфейсов (GSM, GPRS, GPS/ГЛОНАСС, SMS и др.), благодаря чему легко решаются задачи сетевого взаимодействия с сервисом КДС.

2. Увеличивается доля лечебно-профилактических учреждений, в основе функционирования которых лежит использование медицинских информационных систем, позволяющих в максимальной степени структурировать информационные процессы, происходящие в ЛПУ. МИС обеспечивают: работу с электронной историей болезни (ЭИБ) [2] и учет связанных с ЭИБ процессов, взаимодействие с различной медицинской аппаратурой, организацию документооборота и бухгалтерского учета ЛПУ. Представить себе современное эффективное ЛПУ без МИС уже невозможно. Преимуществом использования МИС является развитая сетевая инфраструктура, в том числе наличие каналов защищенной цифровой связи с Интернет, что позволяет организовать взаимодействие между несколькими ЛПУ, а также между ЛПУ и облачным сервисом КДС «Кардиовид».

3. В последнее время благодаря федеральной целевой программе «Служба 112» [3] повышается оснащенность экстренных служб современными информационными технологиями, в том числе: использование центров обработки данных для записи и учета всех обращений от граждан и различных служб, возможность применения средств фиксации обращений с различных датчиков (мониторинга пожарной безопасности, климата, загрязнения и т.д.). При наличии средств автоматической фиксации обращений о критическом состоянии сердца пациента, исходящих от портативных кардиоанализаторов, в рамках службы 112 можно было бы организовать вызов службы скорой медицинской помощи по координатам, предоставляемым кардиоанализаторами.

Как видно из рис. 1, центральным элементом схемы организации распределенной системы диагностики состояния сердца является облачный сервис КДС «Кардиовид» - система, обеспечивающая предоставление через Интернет услуг, связанных с диагностикой состояния сердца пациентов, и разрабатываемая с учетом бизнес-модели SaaS [4]. К функциям облачного сервиса КДС «Кардиовид» относятся:

а) прием информации с ПКА о состоянии сердца пациента;

б) анализ принятой информации;

в) вызов службы скорой медицинской помощи в случае диагностики критического состояния сердца пациента;

г) опрос ЛПУ, оснащенных МИС и зарегистрированных в базе данных сервера, с целью получения актуальных данных об истории болезни пациента;

д) предоставление собранных данных о пациенте в ЛПУ, в котором осуществляются меры по лечению пациента.

Схема организации облачного сервиса КДС «Кардиовид» представлена на рис. 2.

Рис. 2. Организация облачного сервиса КДС «Кардиовид»

Как видно из рис. 2, сервис КДС «Кардиовид» представляет собой сложную распределенную систему, состоящую из множества серверов, часть из которых является внутренними (функциональными) и недоступны для сетевых обращений из внешнего мира, а часть серверов является внешними (транзитными) и служит для организации сетевого взаимодействия между клиентами (ПКА, ЛПУ и прочие) и активным функциональным сервером.

Рассмотрим отличительные особенности схемы организации облачного сервиса КДС «Кардиовид»:

а) распределенность. Облачный сервис КДС «Кардиовид» может быт развернут одновременно на нескольких виртуальных или физических серверах как на собственном серверном оборудовании, так и в различных дата-центрах. Сервера КДС «Кардиовид» подразделяются на внутренние (функциональные) и внешние (транзитные). На внутренних серверах работает функциональная часть системы, в которой хранятся данные и выполняется их обработка. Взаимодействовать с внутренними серверами могут только внешние сервера по заранее определенным протоколам обмена данными. Возможность выполнять запросы напрямую к внутренним серверам отсутствует, благодаря чему исключена возможность организации ББ08-атак на функциональную часть системы;

б) репликация. В один момент времени только один из функциональных серверов КДС «Кардиовид» является активным, а все остальные - резервными. Транзитные сервера могут взаимодействовать только с активным функциональным сервером. Однако в любой момент времени резервный сервер может начать выполнять функции активного сервера, например, если в аппаратном или программном обеспечении предыдущего активного сервера произошел сбой. К этому моменту резервный сервер должен иметь всю информацию, накопленную активным сервером за время его работы. Это достигается за счет использования технологии репликации. Суть этой технологии заключается в том, что резервный сервер периодически (например, раз в минуту) отправляет активному серверу запрос на поиск новой информации в базе данных. Если в базе данных активного сервера новая (относительно предыдущего запроса, поступившего от резервного сервера) информация имеется, то она отсылается резервному серверу в ответ на его запрос;

в) устойчивость к DDOS-атакам. Функциональные сервера защищены от целевых ББ08-атак за счет того, что отсутствуют известные злоумышленникам доменные имена и 1Р-адреса. Функциональные сервера также защищены от нецелевых ББ08-атак, направленных на серверное оборудование либо оборудование дата-центра, за счет наличия одного или нескольких резервных функциональных серверов, расположенных, например, в других дата-

центрах и готовых в любой момент принять роль активного сервера. Транзитные сервера также защищены от DDOS-атак за счет того, что их может быть сколь угодно много и они могут быть расположены в различных дата-центрах. Большое количество транзитных серверов может быть достигнуто благодаря простоте их развертывания и дешевизне необходимого оборудования и программного обеспечения;

д) высокая степень доступности. Сервис КДС «Кардиовид» может работать круглосуточно в бесперебойном режиме, при этом показатель «доступность» (Uptime) составляет более 99,9 %. За счет распределенной структуры организации отсутствует необходимость полного останова сервиса даже при выполнении операций технического обслуживания и обновления программного либо аппаратного обеспечения;

е) аппаратная масштабируемость. Возможность в любой момент времени провести оптимизацию производительности функционального либо транзитного сервера. В случае, если функциональный сервер развернут на виртуальной машине (VDS), то такие параметры, как объем ОЗУ, количество ядер процессора, размер устройства хранения информации (HDD или SSD), скорость сети, можно нарастить несколькими щелчками мыши.

Особенности взаимодействия портативного кардиоанализатора с сервисом КДС «Кардиовид»

Используемый пациентом ПКА устанавливает соединение с облачным сервисом КДС «Кардиовид» в случае диагностирования отклонений в работе сердца. В том случае, если обнаруженное отклонение не признано критическим, ПКА отсылает сервису КДС «Кардиовид» зарегистрированные параметры работы сердца (при наличии соединения с сервисом), затем сервис КДС осуществляет автоматическую компьютерную диагностику состояния сердца и при необходимости отправляет заявку в службу 112 для вызова скорой медицинской помощи. Если же ПКА обнаружил критическое отклонение, то он при отсутствии соединения с сервисом КДС может самостоятельно отправить заявку в службу 112. Подробный алгоритм взаимодействия ПКА с сервисом КДС «Кардиовид» в случае диагностирования отклонений в работе сердца приведен на рис. 3.

Задействование ресурсов сервиса КДС «Кардиовид» для диагностики состояния сердца

Нет

Рис. 3. Алгоритм взаимодействия ПКА с сервисом КДС «Кардиовид»

Преимущество использования сервиса КДС заключается в том, что благодаря использованию высокопроизводительного аппаратного обеспечения и наличию современных алгоритмов диагностики состояния сердца сервис КДС позволяет более точно, по сравнению с ПКА, диагностировать состояние сердца пациента и тем самым избежать ошибок «первого рода» (игнорирование критического состояния сердца) и «второго рода» (ошибочная диагностика критического состояния сердца).

Схема взаимодействия сервиса КДС «Кардиовид» с ЛПУ с учетом особенностей территориального размещения ЛПУ и транзитных серверов представлена на рис. 4.

Регион 4 1 ! Регион 3

_______________I _________________

Рис. 4. Схема взаимодействия сервиса КДС «Кардиовид» с ЛПУ

Как видно из рис. 4, функциональный сервер КДС взаимодействует с ЛПУ не напрямую, а через транзитные сервера. Подключение ЛПУ к функциональному серверу может быть произведено через любой транзитный сервер, однако целесообразнее отдавать приоритет транзитному серверу, наиболее близко расположенному к ЛПУ, особенно учитывая протяженность территории Российской Федерации.

Особенности взаимодействия сервиса КДС «Кардиовид» с ЛПУ:

1. ЛПУ, оснащенные МИС и включающие в себя модуль взаимодействия с облачным сервисом КДС «Кардиовид», устанавливают защищенное шифрованное 88Ь-соединение [5] с ближайшим транзитным сервером. 88Ь-сертификат создается как для сервиса КДС «Кардиовид», так и для каждого ЛПУ. Благодаря этому обе стороны, установившие между собой 88Ь-соединение, считают противоположную сторону доверенным источником информации.

2. После диагностирования критического состояния сердца пациента и вызова скорой медицинской помощи сервис КДС «Кардиовид» через подключенные к нему транзитные сервера дает команду для сбора медицинской информации о пациенте со всех ЛПУ.

3. ЛПУ принимают команду сбора информации, производят поиск электронной истории болезни указанного пациента и в случае наличия медицинских электронных записей о пациенте выполняют их подготовку, осуществляют цифровую подпись согласно ГОСТ Р 52636-2006 [2] и передают информацию сервису КДС «Кардиовид».

4. Пациента доставляют в ЛПУ, и лечащий врач с помощью модуля взаимодействия с облачным сервисом КДС «Кардиовид» запрашивает медицинские записи электронной истории болезни, которые были собраны сервисом КДС со всех ЛПУ, а также с ПКА.

Заключение

Благодаря предложенной организации распределенной системы диагностики состояния сердца своевременно диагностируется критическое состояние сердца пациента и осуществляется оперативный вызов скорой медицинской помощи. К моменту доставки пациента в лечебно-профилактическое учреждения врач располагает всей доступной медицинской информацией по данному пациенту, что позволяет повысить эффективность лечения.

Список литературы

1. Патент 2540528 Российская Федерация. Устройство для регистрации электрокардио-сигналов в условиях свободной активности / Бодин О. Н. и др. - № 2013132637/14 ; за-явл. 16.07.2013 ; опубл. 10.02.2015, Бюл. № 4.

2. ГОСТ Р 52636-2006. Электронная история болезни. Общие положения. - URL: http://protect.gost.ru.

3. Федеральная целевая программа «Создание системы обеспечения вызова экстренных оперативных служб по единому номеру «112» в Российской Федерации на 2013-2017 годы». - URL: http://www.mchs.gov.ru.

4. Mell, P. The NIST Definition of Cloud Computing. Recommendations of the National Institute of Standards and Technology / Peter Mell and Timothy Grance. - NIST, 2011.

5. Eric Rescorla. SSL and TLS: Designing and Building Secure Systems. - 1-st. - Addison-Wesley Professional. - 2000, October 27. - Т. 1. - 528 p.

Балахонова Светлана Александровна

аспирант,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: svetlanapage@mail.ru

Бодин Олег Николаевич

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: bodin_o@inbox.ru

Логинов Дмитрий Сергеевич

кандидат технических наук, ведущий специалист по программному обеспечению, ООО «АВТОМАТИКА плюс» (Россия, г. Пенза, ул. Бородина, 21) E-mail: loginov_d@inbox.ru

Ломтев Евгений Александрович

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: rectorat@pnzgu.ru

Сафронов Максим Игоревич

магистрант,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: safTonov.maxim@inbox.ru

Balahonova Svetlana Aleksandrovna

postgraduate student,

Penza State University

Bodin Oleg Nikolaevich

doctor of technical sciences, professor,

sub-department of information and measuring

equipment and metrology,

Penza State University

Loginov Dmitrij Sergeevich

candidate of technical sciences, leading software specialist, Ltd. «AVTOMATIKA plus»

Lomtev Evgenij Aleksandrovich

doctor of technical sciences, professor,

sub-department of information

and measuring equipment and metrology,

Penza State University

Safronov Maksim Igorevich

undergraduate student, Penza State University

УДК 004.75: 616.12-07

Организация распределенной системы диагностики состояния сердца / С. А. Балахонова, О. Н. Бодин, Д. С. Логинов, Е. А. Ломтев, М. И. Сафронов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 2 (16). - С. 131-137.