Разработка концепции, модели и архитектуры киберфизического окружения палат в стационарных учреждениях социального и медицинского обслуживания

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 проекта 22-71-10092

НазваниеРазработка концепции, модели и архитектуры киберфизического окружения палат в стационарных учреждениях социального и медицинского обслуживания

Руководитель Левоневский Дмитрий Константинович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук" , г Санкт-Петербург

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 слова медицинская 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».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1117/12.2669244

2. 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)

3. Левоневский Д.К., Мотиенко А.И. Моделирование и автоматизация процессов сбора и обработки данных в умной медицинской палате Программная инженерия, Том 14. No 10. С. 502-512 (год публикации - 2023)
10.17587/prin.14.502-512

4. Левоневский Д.К., Мотиенко А.И. A conceptual model of a smart medical ward for patient care in inpatient facilities 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), P. 488-493 (год публикации - 2023)
10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272941

5. Жукова Н., Мотиенко А., Левоневский Д., Субботин А., Ань Ф. Т. Smart room for patient monitoring based on IoT technologies AICCC '23: Proceedings of the 2023 6th Artificial Intelligence and Cloud Computing Conference, AICCC '23: Proceedings of the 2023 6th Artificial Intelligence and Cloud Computing Conference, p. 151-158 (год публикации - 2023)
10.1145/3639592.3639630

6. Левоневский Д.К., Мотиенко А.И. Conceptual Model for Data Collection and Processing in a Smart Medical Ward Lecture Notes in Networks and Systems, LNNS,volume 891 (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-99-9524-0_2

7. Мотиенко А.И. Remote Monitoring of Patient Health Indicators Using Cloud Technologies Lecture Notes in Networks and Systems, LNNS,volume 934 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-54813-0_20

8. 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)
10.1007/978-3-031-21435-6_26

9. Л.М. Ценципер, А.И. Мотиенко, И.С. Терехов, Д.К. Левоневский, К.А. Самочерных, А.Н. Кондратьев Цифровое решение для определения тяжести синдрома пароксизмальной симпатической гиперактивности у пациентов с повреждением головного мозга Вестник анестезиологии и реаниматологии, Том 20, № 6 (год публикации - 2023)
10.24884/2078-5658-2023-20-6-90-96

10. Левоневский Д.К., Мотиенко А.И. Modeling and evaluating the operation of smart medical wards during monitoring and treatment of patients 2024 7th Artificial Intelligence and Cloud Computing Conference (AICCC 2024) (год публикации - 2025)

11. Левоневский Д., Мотиенко А. Using Mobile Applications for Patient Monitoring in Smart Medical Wards 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), С. 833-837 (год публикации - 2024)
10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694098

12. Мотиенко А.И., Левоневский Д.К. Building the Prototype of a Smart Ward for Patient Health Monitoring Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Работы в третий год выполнения проекта направлены на создание методов, алгоритмов, моделей и программных прототипов умной палаты для их подготовки к практическому использованию. В ходе работ были проанализированы современные подходы к управлению ресурсами в социокиберфизических системах и, в частности, умных палатах, рассмотрены оптимизационные и эвристические алгоритмы. Показано, что адаптивные эвристики быстро реагируют на новые события, используя заранее заданные правила (приоритеты, простые критерии сортировки). В связи с этим целесообразно разрабатывать алгоритмы управления задачами на основе адаптивных эвристик и комбинированных подходов. Был разработан алгоритм распределения ресурсов палаты с учётом последовательных и параллельных ветвей процесса мониторинга пациентов, приоритизации задач и минимизации времени ожидания. Алгоритм имеет циклический характер и состоит из следующих основных этапов: инициализация, планирование, помещение задач в очередь, приоритизация задач, выбор задач на исполнение, ожидание изменения объёма доступных ресурсов. Также разработаны технические задания для компонентов инфраструктуры палаты (клиентское приложение, серверное приложение, браслет для сбора данных о показателях жизненных функций, административная панель). Построены концептуальные схемы экспериментальной модели инфраструктуры палаты и её прототипа. Схема базируется на предложенном ранее принципе использования двух контуров – киберфизического и информационного. Предложен прототип умной палаты, в рамках которого разработан и протестирован ряд его программных и аппаратных компонентов. Основными разработанными программными компонентами прототипа являются клиентские и серверные приложения. Их основная функциональность включает в себя: сбор и хранение данных о пациентах, управление алгоритмами реализации методик анализа состояния пациента, анализ и визуализация данных о пациентах, взаимодействие с аппаратными модулями и внешними медицинскими и иными системами через плагины импорта и экспорта. К разработанным аппаратным компонентам относится носимое сенсорное устройство, предназначенное для определения глобального местоположения пользователя, оценки его состояния по ряду медицинских показателей и последующей передачи информации на другое устройство или сервер. Устройство выполнено в виде браслета и имеет кнопки с программируемыми функциям, световую и звуковую индикацию для реализации обратной связи с пользователем и подачи сигнала SOS. Предложен подход к интеграции умной палаты с внешними медицинскими и иными системами на базе плагинов клиентского и серверного приложений, с помощью которых выполняется обмен данными с внешними системами. Интеграция с ними реализуется посредством генерации пакетов данных в стандартизированных машиночитаемых форматах. В рамках построенного прототипа реализован экспорт данных в форматах XML, JSON согласно заданным схемам. Для оценки эффективности алгоритмов в различных условиях и при различных нагрузках выполнено моделирование сценариев работы умной палаты. Результаты показали, что распределение времени для всех трёх режимов существенно отличается. В этом случае использование приложение позволяет сократить не только время расчётов, но и время получения данных за счёт их загрузки из информационных систем и снятия с мониторов. Так, в задаче оценки ПСГА использование приложения в автономном режиме позволяет сократить время оценки примерно в 2 раза, при использовании мониторов - в 2,4 раза. При использовании шкалы GRACE время оценки сокращается соответственно в 1,2 и 2,1 раза. Кроме того, точность оценки повышается за счёт снижения влияния человеческого фактора. Получена обратная связь от медицинских специалистов, подтверждающая результаты моделирования для диагностики ПСГА. Таким образом показано, что практическое применение прототипа в задачах оценки здоровья пациентов, подтверждает его эффективность. Моделирование показало, что автоматизация сбора данных и расчётов позволяет сократить затраты времени медицинского персонала более чем в два раза по сравнению с оценкой в ручном режиме. За третий год выполнения проекта опубликовано 3 научных работы в рецензируемых изданиях, индексируемых в Scopus, также одна статья находится на рецензировании. Результаты работ были доложены на международных конференциях AICCC 2024 в Японии и RusAutoCon 2024 в России. Отчётные материалы за третий год выполнения проекта расположены на следующей странице: https://spcras.ru/documents/grants/report-22-71-10092-2025.pdf

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта по разработке умной медицинской палаты имеют широкий потенциал практического применения в социальной сфере Российской Федерации. Внедрение таких систем в учреждения здравоохранения и социального обслуживания способствует развитию высокотехнологичных отечественных продуктов, включая интеллектуальные медицинские сервисы, сенсорные устройства и программные комплексы для мониторинга и анализа состояния пациентов. Это повышает качество медицинской помощи, снижает нагрузку на персонал и издержки на обслуживание, что особенно важно в условиях дефицита кадров и роста потребностей системы здравоохранения. Технологические решения, разработанные в рамках проекта, могут быть масштабированы и адаптированы для разных отраслей — от ухода за пожилыми людьми до реабилитации и дистанционного наблюдения, тем самым формируя научно-технический задел для развития медицинского приборостроения и цифровых платформ. Кроме того, проект способствует созданию новых рабочих мест, развитию экспортного потенциала и цифровой трансформации социальной инфраструктуры.