СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО МЕДИЦИНСКОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ЗДОРОВЬЯ ХРОНИЧЕСКИХ БОЛЬНЫХ

19.04.2023 |

Комплексная цифровизация медицины, использование технологии Интернета вещей, беспроводных медицинских смарт сенсоров и сенсорных сетей открывают широкие перспективы для поддержки качества жизни хронических больных, людей пожилого возраста, спортсменов, и всех тех, кто подвергается большим физическим и психологическим нагрузкам при выполнении своих служебных обязанностей, а значит, находится в зоне риска.
Реализация индивидуальных средств поддержки высокого качества жизни включает следующие направления: создание новых и использование существующих миниатюрных медицинских сенсоров для измерения в реальном времени медицинских параметров пациента, миниатюрных интерфейсов для сбора и первичной обработки полученных от медицинских сенсоров данных, приемопередатчиков для передачи данных в удаленные медицинские центры мониторинга и диагностики, инжекторов с автоматическим дистанционным управлением ввода медицинских препаратов в критических случаях. Современное состояние и развитие средств такого мониторинга рассмотрено в настоящей публикации.
Как уже было отмечено, цифровизация основных направлений человеческой деятельности привела к появлению такого направления как цифровая медицина. Цифровая медицина в первую очередь ориентирована на предупреждение болезни и обеспечение высокого качества жизни. Исходя из этого, можно выделить следующие базовые направления развития цифровой медицины:
1. Разработка и создание носимых медицинских систем мониторинга на основе смарт-сенсоров для измерения в реальном времени медицинских параметров и объединение их в беспроводную сенсорную сеть (БСС).
2. Разработка и создание носимых средств первичной обработки измеренных медицинских параметров.
3. Разработка и создание носимых средств передачи измеренных в реальном времени медицинских параметров в удаленные диагностические центры.
4. Разработка и создание управляемых дистанционно носимых инжекторов для введения медицинских препаратов в соответствии с поставленным пациенту диагнозом.
Перечисленные средства и технологии на их основе рассчитаны на оказание медицинской помощи тысячам пациентов. Однако, если носимые смартсенсоры и БСС на их основе, включая дистанционные инжекторы, уже нашли применение в медицинской практике, то постановка диагноза по результатам анализа переданных в удаленные центры медицинских параметров все еще остается прерогативой врача. Это свидетельствует о том, что современный уровень искусственного интеллекта пока еще не позволяет удаленным центрам самостоятельно без участия врача принимать решение об оказании пациенту необходимой медицинской помощи.
Современный уровень развития микроэлектроники позволил уже сегодня освоить в промышленном производстве недорогие системы носимых медицинских смарт-сенсоров и обеспечить ими не только хронических больных, но и спортсменов, и специалистов, которые при выполнении своих профессиональных обязанностей испытывают большие физические и психологические нагрузки.
В качестве примера рассмотрим ряд схемотехнические решения для построения носимых систем мониторинга медицинских параметров, которые предлагают ведущие компании в области микро-электроники.
Ко всем носимым системам мониторинга медицинских параметров предъявляются одинаковые требования: они должны быть валидными, миниатюрными и работать продолжительное время без замены элементов питания.
Для обеспечения этих требований используются многоканальные аналоговые интерфейсы в микроэлектронном исполнении, предназначенные для подключения носимых сенсоров, регистрации и первичной обработки в реальном времени измеренных медицинских параметров. К этим параметрам относятся уровень насыщения крови кислородом, ЭКГ, фотоплетизмограмма, артериальное давление, частота сердечного ритма и дыхания, температура тела и многие другие, которые до последнего времени измерялись, как правило, в клинических условиях.
Мониторинг этих параметров важен для пациентов пожилого возраста, в послеоперационный период, для постинсультных и постинфарктных больных, которые продолжают находиться в зоне риска. Кроме того, дистанционный мониторинг медицинских параметров, как уже отмечалось, важен для спортсменов и специалистов, профессии которых связаны с большими физическими и психологическими нагрузками.
Поэтому дистанционный мониторинг медицинских параметров за пределами медицинских учреждений является важной составляющей современной медицинской практики. Следует отметить, что в настоящее время в мире находится в эксплуатации достаточно много носимых медицинских систем мониторинга, предназначенных для слежения за несколькими медицинскими параметрами.
Это может быть мониторинг частоты сердечного ритма, совмещенный с датчиком движения, или мониторинг частоты сердечного ритма, совмещенный с измерением импеданса кожи, по показаниям которого определяется уровень стресса или состояние пациента во сне. Как правило, в большинстве случаев для измерения разных параметров используются интерфейсы разных типов, что приводит к применению нескольких однотипных модулей или ИМС, каждая из которых содержит АЦП, процессор, вторичный источник питания и другие однотипные узлы.

Рис. 1. Структурная схема интерфейса семейства ADPD4xxx

Все это усложняет систему мониторинга в целом, и что особенно важно, увеличивает потребление и снижает ее надежность при эксплуатации. Отсюда следует вывод о целесообразности применения одного универсального интерфейса для подключения к нему необходимых числа сенсоров.
Рассмотрим особенности такого интерфейса на примере ИМС семейства ADPD4000/ADPD4001 компании Analog Devices, структура которого приведена на рис. 1. Интерфейс дает возможность подключать медицинские сенсоры с симметричным и несимметричным выходом, он содержит 8-канальный мультиплексом, два усилителя с программируемым коэффициентом усиления, два фильтра, два интегратора, 14-разрядный АЦП с частотой выборки 1 МГц, процессор с памятью для первичной обработки данных, драйверы светодиодов и источники сигналов возбуждения.
С помощью этого интерфейса можно измерять разные медицинские параметры, например, частоту сердечного ритма или уровень насыщения крови кислородом. Он может быть использован для съема и обработки кардиосигналов. Кроме того, этот интерфейс формирует сигналы возбуждения для измерения импеданса кожи, а также опорное напряжение для электродов при измерении биопотенциалов.
ИМС интерфейса не требует дополнительных вычислительных ресурсов для первичной обработки измеренных данных. В интерфейсе предусмотрена синхронизация измерения разных медицинских параметров для определения корреляции между ними. Так на рис. 2 показано, как ЭКГ измеряется синхронно с измерением пульсовых волн. По форме пульсовой волны может быть определено артериальное давление, что важно для пациентов, страдающих гипертонией.
Для оптического измерения пульсовых волн (ПВ)в ИМС ADPD4000 имеется восемь программируемых драйверов светодиодов. Еще одним примером микроэлектронного интерфейса для мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы является ИМС компании Analog Devices ADPD188GG.
Хорошо известно, что оценка состояния сосудистого русла, включая капилляры, дает возможность еще на ранней стадии выявить различные болезни сердечно-сосудистой системы. Одним из методов скрининговой сосудистой диагностики является фотоплетизмография. Этот экспресс-метод основан на определении объема крови в микроциркуляорном русле.
Принцип действия оптической системы мониторинга на основе ИМС интерфейса ADPD188GG состоит в следующем. Светодиодный источник света облучает палец пациента, а фотоприемник в зависимости от интенсивности отраженного или поглощенного светового потока формирует пульсовую волну, форма которой зависит от периодического изменения объема крови в облучаемом пальце при каждом сокращении сердечной мышцы. Он также фиксирует частоту и вариабельность сердечного ритма.

Рис. 2. Диаграммы синхронного измерения ЭКГ
и пульсовых волн

По форме нарастания и спада пульсовой волны за время сокращения сердечной мышцы можно диагностировать состояние сердечно-сосудистой системы в целом. Структурная схема оптической системы для съема фотоплетизмограммы приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема оптического модуля для съема
фотоплетизмограммы

Таким образом, на основе ИМС интерфейса ADPD188GG может быть построена носимая система слежения за состоянием сердечно-сосудистой системы пациента. В общем случае дистанционная система мониторинга содержит определенное количество носимых сенсоров с аналоговыми интерфейсами, дистанционно управляемые инжекторы и модуль беспроводного обмена данными, как показано на рис. 4.

Носимые сенсоры через аналоговый интерфейс подключены к модулю обмена данными. Кроме передачи данных в удаленный диагностический центр, этот модуль поддерживает управление носимыми инжекторами, которые предназначены для введения необходимых медицинских препаратов.
Следует принять во внимание, что дистанционный медицинский мониторинг заключается не только в организации беспроводных каналов передачи данных, но и в организации и поддержке инфраструктуры функционирования системы мониторинга в целом. Это предполагает организацию Интернет-сервисов, хранение и защиту данных в удаленном сервере, создание прикладного программного обеспечения, поддержку работы системы мониторинга в реальном времени, обеспечение длительной работы сенсоров без обслуживания и замены элементов питания.

Рис. 5. Структура многопротокольной смарт-системы дистанционного медицинского мониторинга

В настоящее время используется много стандартов и протоколов для беспроводных сенсорных сетей, которые могут успешно использоваться в системах медицинского мониторинга. Среди них можно выделить следующие: Bluetooth, BluetoothLE, BluetoothSmart, IEEE 802.15.4, ZigBee, Thread, WirelessHART и другие. Примером смарт-системы дистанционного медицинского мониторинга, в которой используется несколько протоколов обмена данными, является разработанная в Институте кибернетики НАН Украины система, структура которой приведена на рис. 5.

Для работы сети в пределах клиники может быть использован только один протокол, например, Zig-Bee. В этом случае все узлы беспроводной сети (мониторы, ретрансляторы, координатор сети) могут быть выполнены на базе микроконтроллера JN5168 компании NXP, который содержит 32-разрядный RISC-процессор с тактовой частотой 32 МГц и беспроводной модуль для передачи данных в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4. Для реализации этой сети использован стек ZigBee Pro.

Рис. 6. Беспроводной микроконтроллер RF52840

Основным узлом управления БСС является узел координатора сети. Кроме того, разработанный координатор предназначен для сбора, первичной обработки, визуализации и передачи данных в удаленный диагностический центр для постановки диагноза. В случае необходимости координатор может обеспечивать связь с сетью Интернет или облачной средой.
Рабочим местом врача в такой сети является ПК с адаптером ZigBee/USB. Если пациенты с носимыми медицинскими сенсорами находятся вне клиники, целесообразно дополнить протокол ZigBee протоколом Bluetooth 5.0, который обладает высокой энергоэффективностью, что особенно важно для носимых средств передачи данных с батарейным питанием.
Если число носимых медицинских сенсоров достаточно велико, протокол Bluetooth 5.0 позволяет развернуть сеть типа Bluetooth Mesh, которая может одновременно поддерживать слежение за состоянием здоровья большого числа пациентов. Для реализации такой сети предлагается использовать беспроводной микроконтроллер типа nRF52840 фирмы Nordic Semiconductor (рис. 6) который поддерживает работу сети под управлением протоколами Bluetooth, Thread, ZigBee, 802.15.4 и др.
Микроконтроллер с тактовой частотой 64 МГц выполнен на базе 32-разрядного процессора с ядром ARM Cortex-M4. Он включает интерфейсы типа SPI и QSPI, а также USB-порт и встроенное зарядное устройство для подзарядки аккумуляторной батареи.

Как следует из вышеизложенного, дистанционные смарт-системы медицинского мониторинга благодаря развитию информационных технологий и микроэлектронной элементной базы уже сегодня являются предметом инженерных разработок и практического применения, что нельзя сказать о когнитивных удаленных центрах диагностики с применением искусственного интеллекта.
Принятие решения по-прежнему остается за врачом. Это означает, что слежение за медицинскими параметрами с помощью носимых медицинских сенсоров, практически, не решает проблему поддержки состояния пациента на необходимом уровне. С ростом числа медицинских параметров, передаваемых в диагностический центр, увеличивается и вероятность ошибочного диагноза.
Кроме того, до настоящего времени отсутствуют международные стандарты для аппаратно-программных средств медицинского мониторинга, что затрудняет обеспечение их совместимости в системах мониторинга разных производителей. По этим причинам могут возникать проблемы как валидности данных, поступающих в удаленные центры диагностики, так и достоверности диагноза на основе этих данных.
ВЫВОДЫ
1. Новая технология Интернета вещей (IoT), которая опирается на искусственный интеллект и пока находится в начальной стадии своего применения в медицинской практике, по нашему мнению, сможет решить перечисленные проблемы. Благодаря внедрению этой технологии сенсорные сети могут стать надежными помощниками врачей в задачах дистанционного контроля состояния здоровья большого числа пациентов в реальном времени.
2. Еще одна проблемой дистанционного медицинского мониторинга, которая подлежит решению, заключается в дополнении сети смарт-сенсоров сетью исполнительных механизмов (дистанционных инжекторов) под управлением искусственного интеллекта. Решение этой проблемы связано с разработкой и созданием новой технологии для применения в здравоохранении – технологии интеллектуального Интернета вещей.