КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-71-10092
НазваниеРазработка концепции, модели и архитектуры киберфизического окружения палат в стационарных учреждениях социального и медицинского обслуживания
РуководительЛевоневский Дмитрий Константинович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-520 - Интеллектуальные технологии для робототехнических и мехатронных систем
Ключевые словамедицинская киберфизическая система, "умная" палата, интеллектуальные пространство, человеко-машинное взаимодействие, интеллектуальное видеонаблюдение, обработка гетерогенных данных, облачные вычисления, мониторинг состояния здоровья, персонализированная медицина
Код ГРНТИ28.23.27
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку комплексного подхода к организации киберфизического окружения палат – «умных» палат в больницах, клиниках, интернатах, домах престарелых и других стационарных учреждениях с учётом современных требований к организации пребывания пациентов в таких учреждениях и в соответствии с парадигмами Industry 4.0. Реализация такого подхода расширит существующие возможности в области охраны здоровья населения благодаря использованию современных технологий в области человеко-машинного взаимодействия, интеллектуального видеонаблюдения, обработки данных, интеллектуальных пространств. Подход позволит повысить точность и оперативность выявления ситуаций, требующих вмешательства, скорость реагирования на такие ситуации. Предложенные решения могут упростить пациентам выполнение различных действий, автоматизировать ряд операций по обслуживанию палат, что, в конечном счёте, качественно улучшит их условия пребывания в стационаре.
Некоторые проблемы, связанные с построением «умных» палат, являются предметом исследования ведущих научных коллективов. Однако, при наличии отдельных разработок в этой области, отсутствует целостный, комплексный подход к организации киберфизического окружения палат в больницах, клиниках, интернатах, домах престарелых и иных стационарных учреждениях с учётом современных требований к организации пребывания пациентов.
К основным задачам, которые предполагается решить в рамках данного исследования, относятся:
1. Построение концептуальной модели «умной» палаты, включающей спецификации ситуаций, поведение и компоненты ее киберфизического окружения;
2. Построение и апробация модели функционирования киберфизического окружения «умной» палаты на логическом уровне, включая алгоритмы выявления нештатных ситуаций, выбор сценария поведения при возникновении такой ситуации;
3. Разработка архитектуры киберфизического окружения «умной» палаты;
4. Разработка алгоритмов распределения ресурсов системы для реализации сценариев поведения с учётом приоритизации заданий, оценки эффективности исполнения сценариев, расчёта необходимых ресурсов для обеспечения достаточной эффективности функционирования системы при всех рассматриваемых сценариях;
5. Создание и тестирование экспериментальной модели IoT-инфраструктуры «умной» палаты и программных прототипов, реализующих алгоритмы управления киберфизическими компонентами системы.
Научная новизна заключается в том, что предлагается построить модель функционирования киберфизического окружения «умной» палаты на логическом уровне, которая отличается использованием новых алгоритмов распознавания штатных и нештатных ситуаций и выбора сценариев поведения в этих ситуациях, что позволяет медицинскому персоналу более точно и оперативно принимать решения в интересах обеспечения здоровья пациентов. Также предлагается ввести новые показатели оценки эффективности исполнения сценариев, которые отличаются учётом требований предъявляемых к «умным» палатам, что позволяет выбирать оптимальные стратегии поведения киберфизического окружения и оценивать качество функционирования «умной» палаты в различных ситуациях.
Планируемые результаты отвечают потребностям в создании устойчивой, доступной и безопасной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры высокоскоростной передачи, обработки и хранения больших объемов данных, что является одной из целей национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации».
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения данного проекта планируется разработать концепцию, модель и архитектуру киберфизического окружения палат в стационарных учреждениях социального и медицинского обслуживания. Последние достижения в области информационных технологий здравоохранения открыли огромные возможности для научного прогресса и разработки новых инструментов, которые могут улучшить здоровье и благополучие пациентов. Они позволяют говорить о переходе к персонализированной медицине, которая является одним из приоритетных направлений в Стратегии развития медицинской науки в Российской Федерации на период до 2025 года.
Создание медицинской киберфизической системы призвано обеспечить комфортное пребывание пациента в учреждениях медицинского и социального обслуживания, а также облегчить работу медицинского персонала. Предлагаемое решение может быть применено в лечебно-профилактических учреждениях, в небольших медицинских центрах и на дому у пациента. «Умная» палата предназначена для улучшения качества оказания медицинских услуг, наблюдения за пациентами в режиме реального времени, удаленной диагностики заболеваний с помощью телемедицинских технологий и т.п. Инструменты визуализации и аналитики медицинских данных также позволят упростить специалистам принятие врачебных решений.
Концептуальная модель «умной» палаты включает спецификации ситуаций, поведения и компонентов киберфизического окружения палаты. Разрабатываемая архитектура киберфизического окружения «умной» палаты позволит комплектовать это окружение компонентами исходя из задач и нагрузки для каждого отдельного случая. Разрабатываемые требования к киберфизическому окружению «умной» палаты с учётом современных правил к организации пребывания пациентов в стационаре позволят получить перечень необходимых спецификаций для различных сценариев.
Также предусматривается разработка алгоритмов выявления нештатных ситуаций, выбора сценария поведения при их возникновении и оценка эффективности исполнения сценариев. Алгоритмы распределения ресурсов системы для реализации сценариев поведения с учётом приоритизации заданий, расчёта необходимых ресурсов обеспечат достаточную эффективность функционирования системы при всех рассматриваемых сценариях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Умные медицинские палаты, являясь по сути медицинскими киберфизическими системами, являются многообещающим решением для повышения качества оказания медицинской помощи в больницах, клиниках, интернатах, в домах престарелых и иных стационарных учреждениях. Они предназначены для интеграции передовых технологий, сбора и анализа данных и автоматизации процессов ухода за пациентами, повышения их безопасности и оптимизации рабочего процесса. Умные палаты используют ряд инновационных инструментов, таких как носимые устройства, датчики, электронные медицинские карты и системы мониторинга в режиме реального времени, чтобы предоставить медицинским специалистам исчерпывающую и актуальную информацию о состоянии пациентов, что позволяет быстрее и более информированно принимать врачебные решения.
В исследовании выполнен аналитический обзор современного состояния исследований в области существующих подходов, методов, моделей и систем, используемых для построения умных палат. В настоящее время существует довольно много решений в области умных палат, предназначенных для автоматизации тех или иных задач в учреждении здравоохранения. При этом указанные решения являются частными, используют различные технологии и протоколы и реализуют отдельные сценарии функционирования палат. В случае, когда необходимо реализовать более комплексный подход к автоматизации ведения пациентов в умных палатах, применение этих решений оказывается недостаточным, поскольку при этом возникают проблемы совместимости и интеграции разнородных модулей, систем и протоколов, а также дублирования компонентов, что приводит к растущим затратам и снижению рентабельности. Кроме того, повышаются и риски нарушения информационной безопасности, которые неизбежны при усложнении комплекса умной палаты.
На основе существующего опыта можно выделить как минимально необходимые, так и рекомендуемые требования к организации киберфизического окружения умной палаты. Они связаны с обеспечением интеграции данных, информационной безопасности, совместимости, рентабельности, реализации подхода 4П-медицины (персонализация, предикция, превентивность, партисипативность).
На базе выполненного обзора и поставленных требований разработана концептуальная модель умной палаты, включающая спецификацию ситуаций, поведения и компонентов киберфизического окружения палаты. Создание такой модели является первым шагом к разработке умной палаты. Модель описывает основные понятия предметной области и связи между ними. На этом этапе важно выделить и охарактеризовать основные типы сущностей, которыми мы оперируем, и определить отношения между ними. Это позволяет в дальнейшем строить частные модели, описывающие решение тех или иных конкретных задач в умной палате. К основным сущностям концептуальной модели относятся цели, задачи, акторы, модули, интерфейсы, сценарии функционирования и показатели эффективности их выполнения.
Для того, чтобы более подробно раскрыть отдельные составляющие концептуальной модели, были построены вспомогательные модели, описывающие умную палату в статике и в динамике. В статике применимы модели, отражающую структуру системы – её компоненты и связи между ними. Поскольку умная палата представляет собой киберфизическую систему, в ней происходят как физические, так и информационные процессы. Как информационная система, палата содержит компоненты, которые собирают, хранят, обрабатывают, ищут, выдают информацию. Как физическая система, палата содержит датчики (устройства, получающие информацию из окружающей среды) и актуаторы (устройства, реализующие физические воздействия). Общая структура умной палаты, отражающая акторов, модули и связи между ними, может быть представлена в виде диаграммы потоков данных. Информационная составляющая умной палаты описывается с помощью структур данных. Соответствующие модели были разработаны с использованием диаграмм классов UML. Классы описывают соответствующие типы сущностей, их свойства, действия, отношения к другим типам сущностей.
Характеристика умной палаты в динамике выполняется с помощью моделей, описывающих её поведение. Поведение в общем случае складывается из одного или более типовых сценариев функционирования. Ряд сценариев описан с помощью диаграмм последовательности и активности, в которых задействованы компоненты умной палаты и акторы: в простейшем случае – пациент и врач, в более сложных сценариях – и другие акторы, например, медсёстры, технический персонал.
В качестве практического примера типового модуля, предназначенного для сбора и обработки медицинских данных, предложен модуль решения частной задачи диагностики и стратификации синдрома пароксизмальной симпатической гиперактивности (ПСГА) - одного из осложнений острого тяжелого повреждения мозга. Предложен подход к созданию модуля диагностики ПСГА как интегрированного компонента умной палаты, была построена модель данных, используемая этим модулем. Подобный модуль можно использовать как автономно, так и в составе умной палаты. При автономном использовании модуля ввод данных и получение результатов осуществляется непосредственно человеком, а данные хранятся локально или на отдельном сервере, предназначенном для обслуживания этого модуля. Использование модуля в качестве компонента палаты означает его интеграцию в качестве интегрированного интеллектуального информационного компонента, что обеспечивает ряд преимуществ в области автоматизации сбора, обработки и представления данных.
Такой подход позволяет автоматизировать определение степени тяжести синдрома, упростить выбор алгоритмов лечения, формировать графические представления параметров здоровья пациентов, минимизировать человеческий фактор при подсчете баллов, обновлять приложение при поступлении новых медицинских данных.
В целом, с помощью умных палат можно реализовать комплексный «экологический» подход к автоматизации процесса ведения пациентов. Продуманные решения в области умных палат позволят сделать процесс лечения более эффективным, экономичным и удобным для пациентов и медицинских специалистов. Практика и моделирование на примере ПСГА показывают, что время работы персонала значительно (не менее, чем в 1,5 раза) сокращается за счет автоматизации сбора данных и расчетов по сравнению с ручной оценкой, которая требует до 20 минут.
Отчётные материалы за первый год выполнения проекта расположен на следующей странице:
https://spcras.ru/documents/grants/report-22-71-10092-2023.pdf
Публикации
1. Левоневский Д.К., Мотиенко А.И. Modeling Tasks of Patient Assistance and Emergency Management in Medical Cyber-Physical Systems Lecture Notes in Networks and Systems, Proceedings of the Computational Methods in Systems and Software CoMeSySo 2022: Software Engineering Application in Systems Design, Part of the Lecture Notes in Networks and Systems book series (LNNS,volume 596), pp. 299–308 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/978-3-031-21435-6_26
2. Левоневский Д.К., Мотиенко А.И., Терехов И.С. Automation of diagnosis, stratification and treatment of the paroxysmal sympathetic hyperactivity syndrome in the smart ward environment Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Proc. SPIE 12564, 2nd International Conference on Computer Applications for Management and Sustainable Development of Production and Industry (CMSD-II-2022), 125640E (5 January 2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/12.2669244
3. Левоневский Д.К.,Мотиенко А.И.,Ценципер Л.М., Терехов И.С. Automation of Data Processing for Patient Monitoring in the Smart Ward Environment Lecture Notes in Networks and Systems, - (год публикации - 2023)