ЦИФРОВОЙ СТЕТОСКОП
DIGITAL STETHOSCOPE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электронным приборам медицинского назначения, в частности к устройствам для аускультации - физическому методу медицинской диагностики, заключающемуся в выслушивании и анализе звуков, образующихся в процессе функционирования внутренних органов человека или животного. Использование устройства возможно для телемедицинских консультаций и телемедицинского мониторинга в реальном режиме времени, вне зависимости от расстояния между пациентом и врачом.
Предпосылки создания изобретения
Механические стетоскопы были разработаны для обнаружения звуков, производимых телом, например звуков сердца и легких. Стетоскоп - базовый инструмент, используемый при диагностике заболеваний и состояний сердечно-сосудистой системы. Он служит наиболее часто используемым методом для диагностики таких заболеваний и состояний в первичной медико-санитарной помощи и в обстоятельствах, когда сложное медицинское оборудование недоступно, например, в отдаленных районах.
Врачи ценят возможность постановки диагноза на основе звуков, слышимых через стетоскоп. Это умение приобретается и совершенствуется годами. Задача акустического обнаружения аномальной сердечной деятельности осложняется тем фактом, что сердечные тоны часто отделены друг от друга очень короткими периодами времени, и что сигналы, характеризующие сердечные нарушения, часто менее слышны, чем нормальные сердечные тоны. Врачи часто тратят много времени на запоминание характеристик нормальных и аномальных звуков тела, например звуков сердца и легких, слышимых с помощью их конкретного стетоскопа. Например, шумы в сердце классифицируются в зависимости от характерной громкости звуков.
Современные цифровые фонендоскопы могут сохранять получаемую в ходе исследования информацию, передавать ее в персональный компьютер (ПК) для ретроспективного анализа. Такие устройства требуют достаточно высокой квалификации медицинских работников для правильной интерпретации получаемых результатов и применяются в основном при очном контакте врача/фельдшера с пациентом в больничных и амбулаторных условиях. Цифровые стетоскопы описаны в WO2013086112 A1, WO2002032313 A2, US6544198 B2, RU196687 U1, KR20110041455 А, KR20130022141 A.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретения является система аускультации, раскрытая в международной заявке WO2013086112 A1 (электронный стетоскоп 3M ™ Littmann, модели 3100, 3200). Данная система включает в себя локальную часть и удаленную часть. Локальная часть содержит датчик, схему аналоговой обработки для предварительной фильтрации и усиления сигналов, генерируемых датчиком, источник питания, пользовательский интерфейс, диспетчер конфигурации и первый модуль связи. Удаленная часть содержит цифровой фильтр, включающий микропроцессор, сконфигурированный для применения цифровой фильтрации обработанных сигналов, источник питания, второй модуль связи. Модули связи могут включать в себя беспроводные приемопередатчики для приема и передачи данных через беспроводное соединение. В примере реализации для телемедицины беспроводная гарнитура для измерения сигнала от человека передает обработанный сигнал на беспроводные наушники через Bluetooth.
Недостатком данного решения и в целом существующего уровня техники является использование аппаратных фильтров (например, полосовой фильтр на основе резисторов и конденсаторов) и микроконтроллеров для фильтрации аналоговых сигналов синтеза аудиосигнала из цифрового потока и для применения к аудиосигналу цифровых. В микроконтроллерах, которые синтезируют звук и применяют фильтры-алгоритмы, проводящие это действие, имеют жесткие предустановленные параметры, что существенно осложняет обновление этих алгоритмов (в ряде устройств это даже не предусмотрено). Встроенные в микроконтроллеры цифровые фильтры представляют собой заранее предустановленные варианты эквалайзеров, которые невозможно изменить исходя из предпочтений врача специалиста. При этом данные цифровые фильтры в наиболее близком аналоге служат для психоакустической имитации работы существующих в линейке компании механических стетоскопов. Это существенно удорожает устройство, а также крайне затрудняет внедрение улучшенных алгоритмов обработки звука.
Более того, в наиболее близком аналоге и в существующих решениях запись и сохранение аудиосигнала происходит после применения к получаемому звуку цифровых фильтров, что затрудняет анализ звуков другим специалистом, так как у разных врачей может быть различное психоакустическое восприятие звуков, а записавший звук специалист мог применить неверный цифровой фильтр. Стоит отметить, что длительность записи аудиосигнала в стетоскопе, принятым за наиболее близкий аналог, ограничена по длительности в секундах и по количеству записей, хранящихся в памяти стетоскопа. Это затрудняет сохранение информации о редко возникающих диагностических сигналах (редкие экстрасистолы, хрипы и т.д.).
Таким образом, технической проблемой современного уровня техники является отсутствие простых устройств, в которых
1) обработка сигнала вынесена за пределы аппаратной части устройства, что позволяет использовать стетоскоп с одной или несколькими беспроводными гарнитурами одновременно в режиме реального времени на одном или нескольких пользовательских устройствах,
2) существует визуализация получаемого аудиосигнала в реальном режиме времени, которая является важной составляющей диагностического процесса при восприятии врачом получаемой информации,
3) существует возможность применения нейронной сети в качестве помощника врача при работе с данными, получаемых со стетоскопа,
существует возможность аудиовизуального контакта в реальном режиме времени между врачом и пациентом.
4) возможна аускультация пациентов с высокозаразными заболеваниями (например, COVID-19). В существующих решениях для аускультации врач вынужден нарушать целостность защитного костюма для того, чтобы вставить трубки стетоскопа в уши.
Таким образом, существует потребность в создании нового цифрового стетоскопа, который бы решал все перечисленные выше проблемы.
Суть изобретения
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание простого, удобного в использовании универсального цифрового стетоскопа, который бы устранял все существующие проблемы аналогичных приборов и позволял бы с высоким качеством и скоростью обработки сигнала анализировать и интерпретировать сигнал врачом и/или искусственным интеллектом в реальном режиме времени.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается повышении качества и скорости обработки сигнала, возможности анализа и интерпретации сигнала врачом и/или искусственным интеллектом в реальном режиме времени.
Дополнительный технический результат заключается в снижении энергопотребления.
Технический результат обеспечивается за счет того, что цифровой стетоскоп включает устройство для обнаружения аналоговых акустических сигналов от пациента и по меньшей мере одну систему обработки данных, реализуемую через безопасный зашифрованный веб-протокол и доступную через пользовательский интерфейс прогрессивного веб-приложения на по меньшей мере одном портативном вычислительном устройстве пациента и/или врача с подключенными по меньшей мере одними наушниками, причем устройство для обнаружения аналоговых акустических сигналов от пациента содержит последовательно подключенные аудиомикрофон, предварительный усилитель аналогового сигнала, АЦП, микроконтроллер, аккумуляторную батарею; микроконтроллер выполнен с возможностью объединения сигналов от АЦП и сигналов о состоянии устройства в единый цифровой пакет и передачи пакета, содержащие цифровые данные, через беспроводной канал передачи данных в систему обработки данных; а по меньшей мере одна система обработки данных выполнена с возможностью получения указанного цифрового пакета и его программной обработке в реальном режиме времени в прогрессивном веб-приложении, запущенном на устройстве врача и/или пациента, при этом прогрессивное веб-приложение сконфигурированного для выполнения следующих команд:
- получение информации о пациенте и сохранение данных в хранилище данных,
-  обработка полученного цифрового пакета данных с последующим преобразованием данных из пакета в аудиосигнал и в данные о состоянии устройства для обнаружения аналоговых акустических сигналов,
- сохранение данных о состоянии устройства и запись аудиосигнала в хранилище данных,
- отображение аудиосигнала в реальном режиме времени в виде аудиограммы в окне веб-браузера врача,
- обработка аудиосигнала на основе пользовательских настроек, в том числе, применение программных алгоритмов шумоподавления к аудиосигналу, программное наложение по меньшей мере одного цифрового фильтра на аудиосигнал,
- вывод обработанного аудиосигнала в реальном режиме времени через аудиоканал портативного вычислительного устройства пациента и/или врача на по меньшей мере одни наушники,
- сохранение данных о примененных цифровых фильтрах к аудиосигналу и данных об анализе, произведенным врачом и/или нейронной сетью, в хранилище данных.
В некоторых вариантах осуществления изобретения устройство для обнаружения аналоговых акустических сигналов от пациента дополнительно содержит по меньшей мере один светодиод и элемент включения или выключения устройства, подключенные к микроконтроллеру, причем микроконтроллер выполнен с возможностью подачи управляющего сигнала на по меньшей мере один светодиод для его включения в случае снижения заряда аккумуляторной батареи и/или в случае включения и/или выключения устройства. При этом сигналами о состоянии устройства являются сигналы, выбранные из группы: информация о заряде аккумуляторной батареи, информация о включении устройства, информация о степени усиления аналогового сигнала, полученная от предварительного усилителя аналогово сигнала.
В некоторых вариантах осуществления изобретения программный интерфейс прогрессивного веб-приложения обеспечивает множество интерфейсных вызовов, выбранных из группы: интерфейс для личного использования, интерфейс для очной аускультации, интерфейс пациента для телемедицинской консультации, интерфейс врача для телемедицинской консультации.
В некоторых вариантах осуществления для проведения телемедицинской консультации включает два портативных вычислительных устройства, одно из которых принадлежит пациенту, а другое-врачу, причем система обработки данных, доступная через пользовательский интерфейс прогрессивного веб-приложения в веб-браузере на портативном вычислительном устройстве пациента, выполнена с возможностью получения цифрового пакета данных от устройства для обнаружения аналоговых акустических сигналов посредством телекоммуникационного канала, а система обработки данных, доступная через пользовательский интерфейс прогрессивного веб-приложения в веб-браузере на портативном вычислительном устройстве врача, выполнена с возможностью получения цифрового пакета данных от системы обработки данных пациента и его программной обработке в реальном режиме времени.
В некоторых вариантах осуществления соединение между веб-браузером пациента и веб-браузером врача устанавливается по протоколу WebRTC, в рамках которого браузеры обмениваются аудио, видео и цифровыми данными.
В некоторых вариантах осуществления пользовательский интерфейс прогрессивного веб-приложения сконфигурирован, чтобы пользователю выбирать режимы, выбранные из группы: режим для приема ввода информации от пациента или врача, режим записи аудиосигнала, режим визуализации аудиосигнала в виде аудиограммы и применения к нему по меньшей мере одного цифрового фильтра, режим записи анализа обработанного аудиосигнала.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одно портативное вычислительное устройство врача и/или пациента выбирается из группы: смартфон, персональный компьютер, планшет.
В некоторых вариантах осуществления хранилище данных является облачным и/или локальным.
В некоторых вариантах осуществления хранилище данных является публичным и/или частным и/или гибридным.
В некоторых вариантах осуществления хранилище данных выполнено с возможностью копирования на удаленный телемедицинский веб-сервер в целях синхронизации между портативными вычислительными устройствами пациента и/или врача через Интернет, предоставления доступа врачам или нейронным сетям для ретроспективного анализа сохраненных записей, а также для обучения нейронной сети, которая может быть использована врачом в качестве онлайн помощника при аускультации.
В некоторых вариантах осуществления беспроводной канал для передачи цифрового пакета данных функционирует согласно стандарту, выбранному из группы: BLE, WiFi, ATM, SS/7, X.25, WiMAX, SCCP, DUP, B-ISUP, ISUP, TUP, TCAP, SSCOP, H.323, SIP, BICC, IS-41, IS-634, CAS, CS1, CS2, R2, CAMEL, INAP, MAP.
В некоторых вариантах осуществления что цифровые фильтры представляют собой эквалайзер с шагом управления полосой частот 50 Гц, а также с возможностью управление громкостью и уровнем аудиосигнала.
В некоторых вариантах осуществления цифровые фильтры могут быть настроены врачом самостоятельно, исходя из его индивидуальных психоакустических особенностей, или выбраны врачом из готовых настроек.
В некоторых вариантах осуществления информация о пациенте может быть выбрана из группы: полное уникальное имя, возраст, половая принадлежность, контактные данные, номер истории болезни, видеозапись телемедицинской консультации, полное имя лечащего врача и другое.
В некоторых вариантах осуществления наложение по меньшей мере одного цифрового фильтра на аудиосигнал осуществляется последовательно или одновременно.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.
На фиг. 1 изображена схема устройства стетоскопа.
На фиг. 2 представлен алгоритм обработки цифрового сигнала в режиме реального времени для телемедицинской консультации.
На фиг. 3 изображена схема работы устройства в режиме «пациент - врач».
На фиг. 4 изображена схема работы устройства в режиме «самостоятельное использование».
На фиг. 5 изображена схема работы устройства в режиме «телемедицинская консультация».
На фиг. 6 изображена схема режима работы «очная консультация».
На фиг. 7 представлена работа заявленного изобретения в режиме «пациент-врач» на смартфоне врача. На фиг .7А изображена начальный экран приложения с данными пациента (слева) и экран старта аускультации, на котором видны элементы управления и выбора режима аускультации (справа). На фиг. 7Б изображен экран аускультации с применением эквалайзера, на котором представлено графическое представление результата аускультации в реальном режиме времени пациентки (слева), и экран приложения с финальным этапом примененного алгоритма, на котором видно окно с возможностью сохранения аудиосигнала и возможность заполнения поля с врачебным заключением.
Подробное описание изобретения
В целом, настоящее изобретение направлено на создании простого и универсального цифрового стетоскопа, использование которого дает возможность врачу проводить аускультацию как при личном осмотре, так и при телемедицинской консультации в реальном режиме времени, используя одно и то же устройство. Более того, в экстренных случаях цифровой стетоскоп может быть использован самим пациентом. Заявляемый цифровой стетоскоп предназначен для аускультации сердца, легких, крупных сосудов, кишечника, а также сердцебиения плода при беременности после 30-й недели. Возможно использование стетоскопа в ветеринарной практике.
Цифровой стетоскоп представляет собой программно-аппаратный комплекс, в состав которого входит:
• аппаратная часть - устройство, для обнаружения аналоговых акустических сигналов от человеческого тела и генерации цифровых сигналов на основе обнаруженных акустических сигналов; и
Программное обеспечение платформонезависимо и работает на смартфоне, персональном компьютере (далее – ПК), планшете через интерфейс веб-приложения. Современные компьютеры и смартфоны имеют большие вычислительные возможности что программному обеспечению обрабатывать информацию с большой скоростью и в реальном режиме времени, с сохранением привычного интерфейса и режимов работы. При этом обеспечивается безопасность личных данных с помощью шифрования передаваемой информации.
В предлагаемой конфигурации цифрового стетоскопа генерация и цифровая фильтрация звукового сигнала происходит не в микроконтроллере устройства для обнаружения аналоговых акустических сигналов (далее – стетоскоп), а в программном обеспечении, установленном (запущенном) на устройстве пользователя или врача (веб-приложении), которое с помощью Web Bluethooth API получает из стетоскопа пакеты данных и генерирует поток байт, из которого с помощью Web Audio API или любой другой коммуникационной сети API браузера согласно настройкам приложения генерируется звук.
Это существенно удешевляет цифровой стетоскоп и позволяет оперативно поставлять пользователям новые алгоритмы по генерации и обработке получаемого звука. Благодаря этому стандартный смартфон, ПК или планшет может быть использован в качестве базы для одновременного подключения и стетоскопа, и беспроводных и/или проводных наушников, поскольку стетоскоп подключается к смартфону, ПК или планшету по беспроводному каналу передачи данных, а не как гарнитура, например Bluethooth гарнитура. При этом канал Bluethooth (или любой другой беспроводной канал) остается свободным для подключения гарнитуры и решается проблема одновременного использования двух Bluethooth устройств с одним устройством. При этом пакет данных со стетоскопа одновременно может быть передан посредством сети Интернет в реальном режиме времени на неограниченное число смартфонов, ПК или планшетов и транслироваться в наушники, подключенные к этим портативным вычислительным устройствам.
Фиг. 1 иллюстрирует представление устройства для обнаружения аналоговых акустических сигналов (стетоскопа) от человеческого тела, работающее в соответствие с принципами примерного варианта осуществления настоящего изобретения в виде модуля аппаратного обеспечения, функциональных возможностей и передачи данных. Стетоскоп содержит последовательно подключенные микрофон 20, предварительный усилитель аналогового сигнала 21, АЦП 22, микроконтроллер 23 для объединения сигналов от АЦП и сигналов о состоянии стетоскопа (информации о заряде аккумуляторной батареи 25 посредством светодиода 27 и о рабочем статусе устройства (включено), информации о степени усиления сигнала посредством светодиода 27) в единый цифровой пакет данных и модуль передачи цифровых данных 24, который выполнен с возможностью передавать единый цифровой пакет, содержащий цифровые данные, на систему сбора и обработки информации. При этом микроконтроллер 23 управляет сигнальным светодиодом 27 стетоскопа для сигнализации пользователю об уровне заряда аккумулятора 25 и о режиме работы предусилителя аналогового сигнала 21, а также в случае включения и/или выключения стетоскопа.
В неограничивающих вариантах осуществления единый цифровой пакет передается по стандарту BLE (Bluetooth Low Energy) версии 5.0 или новее. Беспроводной канал для передачи цифрового пакета может функционировать согласно стандарту, выбранному из группы, состоящей из WiFi (см., например, IEEE Standard 802.11), ATM (Asynchronous Transfer Mode), SS/7 (Signaling System #7; см., например, ITU-T Recommendation Q.700), X.25 (см., например, ITU-T Recommendation X.25), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, см., например, IEEE Standards 802.16-802.16e), SCCP (Signalling Connection Control Part), DUP (Data User Part), B-ISUP (B-ISDN User Part), ISUP (ISDN User Part), TUP (Telephone User Part), TCAP (Transaction Capabilities Application Part), SSCOP (Service-Specific Connection Oriented Protocol), H.323, SIP (Session Initial Protocol), BICC (Bearer Independent Call Control protocol), IS-41, IS-634, CAS, CS1, CS2, R2, CAMEL (Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic), INAP (Intelligent Network Application Part), MAP (Mobile Application Part).
Все компоненты устройства, отраженные на фиг. 1, скомпонованы в пластиковом корпусе оригинального дизайна. Следует понимать, что устройство, иллюстрированное на фиг. 1, не ограничено никакой конкретной конфигурацией или вариантом осуществления касаемо его размера.
Блок-схема цифрового стетоскопа, иллюстрирующая примерные логические компоненты узлов аппаратной и программной частей цифрового стетоскопа, в разных режимах работы одного и того же устройства, изображена на фиг. 2-4.
Со стетоскопа 1 (устройства для обнаружения аналоговых акустических сигналов) цифровой пакет данных передается на систему сбора и обработки информации. Система сбора и обработки полученных данных со стетоскопа 1 реализуется через безопасный зашифрованный веб-протокол и доступна через пользовательский интерфейс прогрессивного веб-приложения (PWA), сконфигурированного для выполнения определенных этапов обработки сигналов и отображения их.
Система сбора и обработки данных способна работать как локально, взаимодействуя со стетоскопом (режим самостоятельного использования или режим работы «врач-пациент» в формате очного взаимодействия, фиг. 3, 4), так и удаленно (в режиме работы «телемедицинской консультации» фиг. 2), получая по протоколу WebRTC цифровые пакеты от пользовательского приложения, к которому подключен стетоскоп.
Пользователь (пациент или врач) на своем портативном вычислительном устройстве запускает веб-приложение в окружении веб-браузера, после чего осуществляется соединение веб-приложения со стетоскопом. Одновременно к портативному вычислительному устройству пользователю подключаются наушники. Пакеты с цифровыми данными от микроконтроллера стетоскопа 1 передаются с помощью модуля передачи цифровых данных на портативное вычислительное устройство пользователя (устройство врача 6 или устройство пациента 10), где с помощью программных алгоритмов происходит разбор пакетов, включающего цифровые данные, на служебную и полезную информацию. В качестве устройства пользователя может использоваться смартфон, персональный компьютер (ПК), планшет.
Программный интерфейс прогрессивного веб-приложения (API) обеспечивает множество интерфейсных вызовов, посредством которых пользователь может устанавливать правила. Разработанный согласно настоящему изобретению цифровой стетоскоп поддерживает не менее четырех пользовательских интерфейсов:
1. интерфейс для личного использования, позволяющий прослушать, записать и отправить на анализ врачу или в нейронную сеть звуки своего сердца или легких,
2. интерфейс для очной аускультации, позволяющий прослушать, записать в электронную историю, проанализировать и отправить на анализ в нейронную сеть звуки сердца и легких пациента,
3. интерфейс пациента для телемедицинской консультации, позволяющий выбрать врача и связаться с ним для проведения телемедицинской консультации с использованием стетоскопа,
4. интерфейс врача для телемедицинской консультации, в котором врач удаленно управляет стетоскопом пациента, видит действия пациента выбирает режим и цифровые фильтры и слышит звук в реальном режиме времени, а также может выдавать заключения как по ранее записанным звукам, так и по звукам, которые врач слышит во время телемедицинской консультации. В последующем врач сможет пользоваться онлайн помощниками на основе искусственного интеллекта для проведения анализа звуков, например для сравнения записей в реальном режиме времени.
Пакеты цифровых данных, получаемые со стетоскопа, содержат полезную и служебную информацию. Служебная информация (заряд аккумуляторной батареи, режим работы предусилителя) выводится в пользовательском интерфейсе прогрессивного веб-приложения, открытого в веб-браузере устройства пользователя, а полезная информация подвергается обработке последовательностью операций подпрограммы приложения согласно настоящему изобретению и объединяется в поток байт, из которых генерируется аудиосигнал, подвергаемый очистке с помощью программных пакетов шумоподавления, программному наложению цифровых фильтров. Полученный в результате такой обработки аудиосигнал передается в наушники 2, 14 врача или пациента и выводится на экран устройства пользователя в виде аудиограммы (фонокардиограммы) в реальном режиме времени. На фиг. 2-4 представлен неограничивающий пример использования беспроводных наушников, однако, необходимо понимать, что настоящее изобретение позволяет использовать как проводные, так и беспроводные наушники. Также заявленное изобретение возможно использовать одновременно с несколькими наушниками, смартфонами, или персональными компьютерами, или планшетами.
Записи звуков, пользовательские персональные данные и персональные настройки, а также заключение врача о результатах аускультации сохраняются в хранилищах данных. Хранилище данных является облачным и/или локальным. Хранилище данных является публичным и/или частным и/или гибридным.
Фиг. 2-4 иллюстрирует использование локальное хранилище данных 5, 9 на устройстве пользователя. Локальное хранилище данных 5, 9 может быть скопировано на удаленный телемедицинских веб-сервер 3 в целях синхронизации между пользовательскими устройствами через Интернет 7, предоставления доступа врачам или нейронным сетям для ретроспективного анализа сохраненных записей, а также для обучения нейронной сети, которая может быть использована врачом в качестве онлайн помощника при аускультации.
Данный онлайн помощник может выдать врачу сигнал о возможных проблемах со здоровьем у обследуемого пациента на основе анализа получаемого звука с учетом наличия других записанных ранее звуков работы обследуемого органа. Обновление помощника происходит автоматически при подключении пользовательского устройства к сети Интернет. В случае необходимости врач может включить онлайн помощника, работающего на базе нейронной сети, непосредственно в устройстве пользователя.
Таким образом, обработка и накопление сигнала идет на портативном вычислительном устройстве пользователя, при этом портативное вычислительное устройство пользователя синхронизирует имеющиеся данные с телемедицинским веб-сервером, который используется для резервного хранения данных, а также для обучения нейронной сети. Синхронизация осуществляется через Интернет 7 (Internet Protocol, IP).
Термин «веб-браузер» подразумевает ссылку на любое программное приложение или комбинацию программного обеспечения/аппаратного обеспечения, которое может действовать как пользовательский агент, извлекать ресурсы, используя протоколы связи и отображение, представление или визуализацию данных, которые были извлечены. Термин «окно браузера», главным образом, относится к фактическому окну экрана, то есть к области, в которой отображено содержимое. Если иначе не отмечено, термин «окно браузера» не подразумевает ссылку на объект окна, управляемый посредством администратора окна.
Термин «прогрессивное веб-приложение» (PWA) в данном контексте предназначен, чтобы описать технологии в веб-разработке, которая визуально и функционально трансформирует сайт в приложение (мобильное приложение в веб-браузере). PWA является гибридным решением и позволяет открыть приложение с помощью мобильного браузера. Одно и то же PWA может запускаться на компьютере, или смартфоне, или планшете с различными операционными системами (iOS, Android, Windows, Unix и т.д.), что существенно удешевляет разработку и поддержку веб-приложения, а также устанавливаться для доступа в изолированных локальных сетях с повышенными требованиями к безопасности. При этом полностью сохраняется функционал нативного приложения: отправка push-уведомлений; работа в режиме офлайн; доступ к аппаратному обеспечению устройства (с ограничениями); установка ярлыка (иконки) на рабочий стол устройства пользователя, визуально не отличающегося от ярлыка нативного приложения. Согласно изобретению веб-сайты рассматриваются в качестве приложений или веб-приложений.
В режиме телемедицинской консультации (фиг. 2) локальный веб-браузер пациента устанавливает соединение с веб-браузером, установленным на устройстве врача по протоколу WebRTC. В рамках этого соединения браузеры могут обмениваться потоком аудиоданных, видеоданных и контента режиме реального времени без установки плагинов или иных расширений.
По каналу цифровых данных веб-браузер пациента 11 пересылает диагностическую информацию в виде потока байт, полученных со стетоскопа 1. Веб-браузер врача 12, получив поток байт от пациента, направляет их в программное обеспечение, которое перенаправляет поток байт через протокол WebRTC в WebAudio API веб-браузера, установленного на устройстве врача для синтеза аудиосигнала, получаемого со стетоскопа 1 пациента. Далее работа с аудиосигналом происходит аналогично работе при самостоятельном использовании устройства и/или при работе в режиме «врач-пациент» (очная консультация). При этом полученный в результате обработки аудиосигнал передается в наушники 2 пациента и одновременно в наушники 14 врача 2, 14 и выводится на экран устройства пользователя в виде аудиограммы (фонокардиограммы) в реальном режиме времени.
Фиг. 5 подробно раскрывает блок-схему работы цифрового стетоскопа для очной аускультации в схеме «пациент-врач» (очная аускультация) или в схеме самостоятельного использования, иллюстрирующую процесс обработки пакета данных, получаемых со стетоскопа 1.
Пациент или врач подключает стетоскоп 1 и по меньшей мере одни наушники 14 для воспроизведения аудиосигнала к портативному вычислительному устройству пользователя, например, к смартфону, или пользовательскому компьютеру, или планшету, по выбранному беспроводному каналу передачи данных, например, по каналу Bluethooth. На устройстве пользователя (врача или пациента) запускают веб-приложение в окружении веб-браузера. Осуществляют соединение веб-приложения со стетоскопом 1 посредством WebBluethooth API (этап 31).
Веб-браузер сконфигурирован таким образом, чтобы переключаться между следующими режимами: режим введения данных, в котором в открытом окне браузера появляются поля для ввода данных, режимы аускультации, режим выбора различных вариантов и настроек эквалайзера, режим сохранения заметок о проведенной аускультации
Пользовательский интерфейс веб-приложения в режиме введения данных сконфигурирован для приема ввода данных от пользователя (врача или пациента). В зависимости от схемы применения устройства пациент или врач вводят данные пациента, которые сохраняются в хранилище данных устройства пользователя и которым присваивается уникальный идентификатор (User ID), например, на основании случайных чисел, либо посредством использования хэш-функции от его данных. Веб-приложение добавляет запись о новом пользователе в список пользователей, который может храниться в хранилище данных. Запись о пользователе может содержать следующие данные: уникальный идентификатор User ID информация о полном (уникальном) имени пациента, его возрасте, половой принадлежности, контактные данные и т.д., не ограничиваясь.
В случае самостоятельного использования пациент после внесения своих данных начинает аускультацию согласно инструкции, прилагаемой к стетоскопу. В инструкции описаны точки для аускультации сердца и легких. В случае очной консультации врач после введения данных приступает к режиму аускультации. В случае повторного использования цифрового стетоскопа врач выбирает из списка пользователей пациента и начинает режим аускультации.
Звук, проходящий через мембрану стетоскопа 1, улавливается аудиомикрофоном. Далее сигнал проходит через усилитель, преобразовывается в цифровой вид, поступает в микроконтроллер, и с помощью беспроводного канала передачи данных поток цифровых данных отправляется в WebAudio API веб-браузера, установленного на устройстве пользователя (врача или пациента) для обработки полученного потока цифровых данных для синтеза аудиосигнала из полученного цифрового пакета данных.
Следующий шаг: пользователь переключает пользовательский интерфейс в режим записи звука. Программное обеспечение генерирует из полученного потока байт звук на частотах 20-3000 Гц – этап 32, на котором происходит интерпретация и наполнение аудио потока. Полученный аудиосигнал анализируется программными алгоритмами на предмет соотношения сигнал/шум. Веб-приложение алгоритмически отличает уровень входящего сигнала и выдает пользователю сигнал о недостаточном качестве сигнала, если в получаемом сигнале некорректное соотношение сигнал/шум. Если сигнал качественный (это психоакустическое понятие, при котором врач четко слышит необходимые звуки дыхания или сердцебиения, при этом ему не мешает фоновый внешний шум), то пользователь (пациент или врач) включает запись звука, который сохраняется локально в хранилище данных 37 на портативном вычислительном устройстве пользователя, а также может быть отправлен на телемедицинский сервер через сеть Интернет для ретроспективного анализа врачом или нейронной сетью. После записи аудиосигнала и сохранения его в хранилище данных режим пользовательского интерфейса переходит в режим визуализации, на котором осуществляют отображение аудиосигнала посредством API Canvas (этап 36). Звук воспроизводится в окне веб-браузера в виде аудиограммы (фонокардиограммы).
Следующий шаг (этап 33 и этап 34): программное обеспечение генерирует и накладывает на полученный на предыдущем шаге аудиосигнал выбранные врачом цифровые фильтры: программно происходит выделение звукового частотного диапазона, необходимого для прослушивания сердца или легких. Цифровые фильтры представляют собой эквалайзер с шагом управления полосой частот 50Гц. а также управление громкостью и уровнем сигнала. Врачу предоставляется возможность настроить собственные цифровые фильтры на основе опыта врача и его индивидуальных психоакустических особенностей, либо воспользоваться готовыми настройками, созданными на основе научных данных о звуковых частотных характеристиках работы клапанов сердца и дыхательных шумов (см. табл. 1, табл.2). В процессе применения цифровых фильтров возможно наложение одного или нескольких фильтров одновременно.
Таблица 1Диапазоны частот основных аускультативных признаков сердечной деятельности, использованные для предустановки цифровых фильтров
Наименование признака
Общий диапазон частот в Гц
Характерный диапазон частот в Гц
Нормальный I тон
20-1400
90-180
Глухой I тон
20-710
45-90
Хлопающий I тон
20-2800
180-355
Нормальный II тон
20 — 1400
90-180
Металлический II тон
45 — 1400
180-355
III тон (добавочный)
20-1400
20-90
То же при ритме галопа
20-1400
20-90
Щелчок открытия митрального клапана
20-5600
180-355
Диастолический шум митрального стеноза
45-1400
90-180
Диастолический шум аортальной недостаточности
45-2800
355-710
Систолический шум дующий
45-2800
180-710
Шум трения перикарда
90-2800
355-710
Таблица 2Диапазоны частот основных аускультативных признаков дыхания, использованные для предустановки цифровых фильтров
Наименование признака
Общий диапазон частот в Гц
Характерный диапазон частот в Гц
Везикулярное дыхание
45-2800
180-355
Бронхиальное дыхание
45-2800
710-1400
Бронхо-везикулярное дыхание
45-2800
355-710
Крупнопузырчатые хрипы
180-2800
180-360
Среднепузырчатые хрипы, незвучные
90—2800
180-355
Среднепузырчатые хрипы, звучные
45-2800
355-710
Мелкопузырчатые хрипы, незвучные
45-2800
180-355
Мелкопузырчатые хрипы, звучные и крепитация
90-5600
710-1400
Сухие хрипы жужжащие
45 — 1400
180-710
Сухие хрипы свистящие
90—2800
355-710
Шум трения плевры
90-2800
710-1400
Следующий шаг (этап 35). Полученный в результате цифровой фильтрации звук передается в наушники врача с целью его прослушивания. В процессе аускультации врач слышит звук и видит графическое отображение звука на экране (фонокардиограмму или звук дыхательных шумов), что существенно облегчает диагностику и позволяет в реальном режиме времени применять цифровые фильтры в виде настроек эквалайзера, изменяющего те или иные частоты. В случае необходимости врач может включить онлайн помощника, работающего на базе нейронной сети, непосредственно в устройстве пользователя в реальном режиме времени.
Следующий шаг: врач делает заметки относительно поставленного диагноза, выбирает информацию, которую нужно загрузить в хранилище данных, подтверждает загрузку данной информации и сохраняет файл пациента. В некоторых вариантах осуществления веб-приложение осуществляет проверку названий загружаемых файлов, с названиями файлов, которые уже находятся в списке хранилища для выявления возможных коллизий.
Запись звука (этап 37), получаемого со стетоскопа 1, в хранилище данных устройства пользователя происходит в формате WAV, при этом отдельно сохраняется звук, полученный со стетоскопа до применения цифровых фильтров, и информация о примененных цифровых фильтрах, а также о поставленном врачом диагнозе и иные данные, собранные пользовательским интерфейсом (дата и время, геолокация, пол, возраст пациента, номер истории болезни, видеозапись телемедицинской консультации и т.д.).
В момент сохранения звука на устройстве пользователя происходит синхронизация и сохранение звука на удаленном телемедицинском веб-сервере для обеспечения резервного хранения данных, а также автоматического обучения онлайн помощника врача.
Фиг. 6 подробно раскрывает блок-схему работы цифрового стетоскопа для аускультации в режиме телемедицинской консультации.
Пациент подключает стетоскоп 1 и наушники 2 к устройству пользователя, которое может быть выбрано из: пользовательский компьютер, планшет, смартфон, и запускает на своем устройстве прогрессивное веб-приложение 8 в веб-браузере 11, выбирая в нем из списка врача, который готов для проведения консультации, и отправляет врачу запрос на соединение через Интернет 7. Предварительно пациент вводит все свои данные через пользовательский интерфейс аналогичным образом, как и при очной консультации.
Врач на своем устройстве пользователя с подключенными к нему наушниками 14 в своем веб-браузере 12 и веб-приложении 4 подтверждает запрос и получает доступ к данным пациента, звуку в наушниках 14, получаемому со стетоскопа 1. Локальный веб-браузер пациента устанавливает соединение с веб-браузером, установленным на устройстве врача по протоколу WebRTC. В рамках этого соединения браузеры могут обмениваться аудио, видео и цифровыми данными.
В режиме телемедицинской консультации согласно настоящему изобретению по каналу аудиоданных происходит голосовое общение врача и пациента, по каналу видеоданных происходит обмен видеоинформацией с камеры смартфона, или ПК, или планшета врача и пациента – врач и пациент видят друг друга. Устанавливается голосовой и визуальный контакт (этап 41, 42) между пациентом и врачом. Таким образом решается проблема контроля действий пациента, которая может возникать при использовании цифрового стетоскопа пациентом самостоятельно. Врач видит, что звук снимается стетоскопом 1 именно с того пациента, которого он консультирует, а также облегчается получение качественного аудиосигнала со стетоскопа, т.к. врач в реальном режиме слышит звук со стетоскопа 1 и может выдавать руководящие указания пациенту по постановке стетоскопа в то или иное положение.
По каналу цифровых данных веб-браузер пациента пересылает диагностическую информацию в виде потока байт, полученных со стетоскопа 1. Веб-браузер врача, получив поток байт от пациента, направляет их в программное обеспечение, которое перенаправляет поток байт в Web Audio Api браузера врача, и на устройстве врача происходит синтез звука (этап 32), получаемого со стетоскопа пациента. Работа с аудиосигналом происходит аналогично работе при очной консультации. К аудиосигналу применяют цифровые фильтры, включая алгоритмы шумоподавления (фильтрация и ослабление диагностически незначимых звуковых частот, мгновенное вырезание частот на основе анализа сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье). Врач может выбирать цифровые фильтры, а также управлять громкостью и уровнем сигнала (этапы 33-34).
При необходимости врач в программном обеспечении может включить графическое отображение получаемой звуковой волны в виде фонокардиограммы (ФКГ) как во всем спектре получаемых частот, так и на частотах, которые лучше характеризуют работу того или иного органа, или его части (например, выделить основную несущую частоту звука работы митрального клапана).
При необходимости звук может быть записан полностью или частично с одновременным сохранением информации локально в хранилище данных устройства пользователя с дублированием информации на телемедицинский сервер (3) через Интернет (7), а также выдать заключение по итогам аускультации и внести его в электронную историю болезни пациента. Записываемый звук сохраняется без обработки цифровыми фильтрами до их применения, чтобы врач, который будет ретроспективно анализировать звук, не был ограничен в применении цифровых фильтров и звук воспроизводился полностью, с привязкой информации о примененных врачом цифровых фильтрах и настройках эквалайзера.
Воспроизведение звука (этап 35) осуществляется через наушники врача 14. В некоторых вариантах осуществления изобретения переданный в наушники врача 14 звук с помощью сети Интернет может транслироваться на удаленный смартфон, или ПК, или планшет для анализа с помощью другого врача или искусственного интеллекта. Интересующий врача звук может быть записан и повторно проанализирован другим врачом или использован для сравнительного анализа при последующих аускультациях.
В некоторых вариантах осуществления врач может включить анализ звука в реальном режиме времени с помощью нейронной сети, работающей в веб-приложении.
Главным преимуществом разрабатываемого цифрового стетоскопа является то, что его разделение на аппаратную и программную части позволяют легко обновлять, модернизировать применяемые для обработки аудиосигнала алгоритмы, а также настраивать их в реальном режиме времени под каждого конкретного врача и пациента, используя при этом вычислительные мощности смартфона, ПК или планшета. Обработка звука и цифровая фильтрация происходит на устройстве пользователя с помощью программных алгоритмов, а не в стетоскопе с помощью микропроцессора или полосовых фильтров на основе транзисторов. Использование беспроводных наушников позволяет проводить безопасную аускультацию высокозаразных пациентов.
Пример 1.
Пациентка, 45 лет, с начинающимся пороком аортального клапана (недостаточностью аортального клапана), ожирением 3 степени. Обычная аускультация у верхушки сердца (точка аускультации аортального клапана) у этой пациентки крайне затруднена в силу выраженной подкожной жировой клетчатки, а также молочных желез большого размера. Врач применил разработанный цифровой стетоскоп в схеме «пациент-врач» в режиме усиления +40дБ с и акцентированием эквалайзером на частотах 300-700 Гц. (общее усиление необходимых частот составило +60ДБ, что примерно соответствует усилению громкости в 1000 раз) Выбор параметров был осуществлен в приложении на смартфоне врача. Для этого была создана папка с данными пациентки (фиг. 7А), в которую была сохранена запись аудиосигнала и его программная обработка с заданными выбранными параметрами. Выявлен диастолический шум, видимый и в графическом представлении результата аускультации данной пациентки в реальном режиме времени на фиг.7Б. После чего врач сохраняет врачебное заключение. Диагноз аортального порока был установлен при аускультации.
Пример 2.
На этой же пациентке 45 лет был использован другой электронный стетоскоп. При этом усиление звука в данном стетоскопе было максимальным, в 24 раза. В силу наличия выраженной жировой клетчатки и наличия молочной железы большого размера в точке проекции аортального клапана врачу было недостаточно того усиления звука, которое было ему доступно. При этом также было недоступно акцентирование эквалайзером на частотах 300-700 Гц и не была доступна визуализация получаемого звука. В совокупности это привело к увеличению длительности самой аускультации по времени в 8 раз и потребовало дополнительной верификации диагноза с помощью иных обследований.
Врач отметил, что в данной ситуации, когда имеется только начинающийся порок можно легко и сопутствующие факторы в виде ожирения, можно легко пропустить порок при аускультации имеющимися на рынке стетоскопами. Постановка диагноза в таких случаях происходит гораздо позже, при нарастающей симптоматике и при использовании дополнительных методов обследования.
Таким образом, исходя из представленных примера 1 и примера 2, можно увидеть, что разработанный цифровой стетоскоп обрабатывает аудиосигнал с большим качеством, скоростью обработки, давая возможность врачу интерпретировать аудиосигнал с возможностью адаптации его обработки под свои индивидуальные особенности с целью постановки точного диагноза в реальном режиме времени.
Использование большого усиления звука благодаря возможности применять цифровое усиление, возможность онлайн анализа звука с помощью нейронных сетей дает дополнительное преимущество врачам в скорости постановки диагноза и снижает требования к медицинскому персоналу по наличию достаточного опыта в аускультативном выявлении заболеваний сердца и легких.
В описании и формуле данного изобретения термины «включает» и «включающий» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из».
Несмотря на то что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные варианты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций, понятных для обычных специалистов данной области, без отступления от сути настоящего изобретения.