Автореферат и диссертация по медицине (14.03.08) на тему:Оптимизация процесса оказания медицинской помощи средствами телемедицины для задач космической и экстремальной медицины

На правах рукописи

переведенцев олег викторович

оптимизация процесса оказания медицинской помощи средствами телемедицины для задач космической и экстремальной медицины

14.03.08 - авиационная, космическая и морская медицина

автореферат 2 8 НОЯ 2013

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-2013

005540286

005540286

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук.

Научные руководители:

доктор медицинских наук, член-корреспондент Российской академии наук

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, главный научный сотрудник — заместитель заведующего отделом сенсомоторной физиологии и профилактики Федерального государст-вешюго бюджетного учреждения науки Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем Российской академии наук

доктор медицинских наук, профессор кафедры «Экологическая и экстремальная медицина» Факультета фундаментальной медицины Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Орлов Олег Игоревич

Беркович Юлий Александрович

Шипов Алексей Алексеевич

Логинов Василий Анатольевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А.Гагарина".

Защита диссертации состоится « ]$ » (У////..£) 2013 г. в I С- часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.01, созданного на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Государственного научного центра Российской Федерации — Института медико-биологических проблем Российской академии наук по адресу: 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе д.76а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем Российской академии наук по адресу: 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе д.76а.

Автореферат разослан

«А/» Ш^А

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

М.А. Левинских

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования. По определению, данному в ГОСТ Р ИСО/ТО 16056-1:2009, «Телемедицина - использование передовых телекоммуникационных технологий для обмена информацией о здоровье и предоставления услуг здравоохранения независимо от географических, временных, социальных и культурных барьеров». Телемедицина (ТМ) позволяет обеспечить доступность высококвалифицированной медицинской помощи на всех уровнях организации здравоохранения. Одним из основных факторов сокращения смертности и увеличения процента выживаемости пострадавших в экстремальных условиях (ЭУ) и чрезвычайных ситуациях (ЧС) является оперативность постановки диагноза и выработки тактики оказания медицинской помощи. Использование ТМ в ургентных ситуациях помогает в значительной степени снизить риск осложнений и потери здоровья, ускорить лечебно-диагностический процесс и реабилитацию путем организации на ранних этапах активного дистанционного обмена медицинской информацией, предоставляющей объективную картину заболевания. [Григорьев А.И. с соавторами, 2001; Орлов О.И., 2003; Сенкевич Ю.И., 2008]. Основными объективными факторами, влияющими на длительность телемедицинской консультации (ТМК), являются регламент ее проведения и используемые средства связи. Регламент ТМК определяет условия и порядок информационного обмена, формат и объем передаваемой медицинской информации. Длительность передачи этой информации непосредственно зависит от пропускной способности используемых каналов связи. В связи с тем, что оказание медицинской помощи в ЭУ и ЧС приходится осуществлять, как правило, при отсутствии наземной инфраструктуры связи, основным способом передачи данных в таких ситуациях является применение спутниковых систем связи (ССС). Существующие в настоящее время технологические ограничения в скорости передачи данных в ССС, могут приводить к существенному увеличению длительности ТМК. В качестве альтернативы может использоваться ТМ-консультирование в формате видеоконференцсвязи, однако без передачи объективной медицинской информации эффективность такой ТМК существенно снижается [Калинчук C.B. с соавт.,2008; Камаев И.А. с соавт. 2001; Камкамидзе К. с соавт., 2009].

Несмотря на важность сокращения длительности ТМК, возможности оптимизации по этому критерию регламентов проведения ТМК для ургентных и

экстремальных условий, и, в частности, для случаев возникновения ЧС на этапе приземления космических экипажей, в современной научной литературе исследованы явно недостаточно. Нет сведений о средствах автоматической оптимизации регламентов ТМК для различных телемедицинских систем (ТМС) при их использовании в ЭУ и ЧС. Отсутствует научное обоснование методики оптимального использования спутниковых систем связи в ходе ТМК при оказании медицинской помощи в ургентных ситуациях и ЭУ. Именно этот круг актуальных задач решается в настоящей диссертационной работе применительно к процессу оказания медицинской помощи средствами телемедицины в ЭУ и ЧС, в т.ч. при приземлении экипажей космических кораблей. Цель и задачи исследования

Целью диссертации является оптимизация процесса оказания медицинской помощи средствами телемедицины для задач космической и экстремальной медицины путем минимизации длительности телемедицинской консультации без уменьшения объема передаваемой медицинской информации и без увеличения скорости передачи данных по каналам связи. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- провести сравнительный анализ опыта использования телемедицины для оказания медицинской помощи в экстремальных условиях, ургентных и чрезвычайных ситуациях;

- разработать критерии и параметры оптимизации процесса оказания медицинской помощи в чрезвычайных и неотложных ситуациях средствами телемедицины при неизменных объемах передаваемой медицинской информации;

- выполнить имитационное моделирование типовых процедур и регламентов проведения телемедицинских консультаций на основе анализа статистических данных, полученных при использовании различных телемедицинских комплексов;

- разработать методику оптимизации регламентов телемедицинских консультаций для задач космической и экстремальной медицины с использованием разработанного программного обеспечения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

- анализ и систематизация медико-биологических данных, полученных при экспериментальных испытаниях телемедицинского комплекса экспресс-диагностики космонавтов на месте посадки и мобильного телемедицинского комплекса;

- имитационное моделирование процедур в процессе телемедицинского консультирования с применением программного комплекса GPS S/W;

- статистические методы анализа экспериментальных данных.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые получены оценки эффективности различных вариантов проведения ургентных телемедицинских консультаций при различных объемах передаваемой медико-биологической информации и скоростях передачи данных по каналам связи;

- разработаны новые способы оптимизации регламентов проведения телемедицинских консультаций в экстремальных условиях и ургентных ситуациях, обеспечивающие сокращение длительности телеконсультации без уменьшения объёма передаваемой медицинской информации за счёт параллельного выполнения диагностических процедур, пересылки полученных медицинских данных эксперту и анализа экспертом полученных медицинских данных по мере их поступления;

- создана и апробирована в условиях эксперимента оригинальная методика оптимизации регламентов телемедицинских консультаций в телемедицинских системах для экстремальных условий и ургентных ситуаций с использованием разработанного программного обеспечения;

- разработаны и апробированы в условиях организационного эксперимента несколько аппаратпо-программных телемедицинских комплексов (получены патенты РФ на полезные модели № 61536, 20.10.2006 г. «Мобильный телемедицинский комплекс»; № 59954, 20.10.2006 г. «Носимый телемедицинский комплект»; № 93655, 22.12.2009 г. «Носимый телемедицинский диагностический комплект»; 107465, 27.04.2011 г. «Система телебиологической поддержки космических экипажей на месте приземления и этапах эвакуации»).

Научно-практическая значимость работы:

- Предложенные регламенты проведения телемедицинских консультаций позволили без уменьшения объемов передаваемой медицинской информа-

ции сократить длительность подготовительного этапа телеконсультации до 47% от исходной.

- Применение дополнительных средств беспроводной связи совместно с оптимизацией регламента телемедицинской консультации позволило сократить её общую длительность до 36% в телемедицинской системе на базе мобильного телемедицинского комплекса со штатной системой спутниковой связи.

- Использование разработанного программного обеспечения оптимизации регламентов телемедицинских консультаций позволяет формировать минимальные по длительности регламенты телеконсультаций без необходимости формального описания исследуемых телемедицинских систем.

- Полученные в диссертации результаты использовались в ГНЦ РФ ИМБП РАН при разработке портативного телемедицинского комплекса экспресс-диагностики для экстремальных и неотложных ситуаций в рамках работ по программе целевых расходов Президиума РАН «Поддержка инноваций и разработок» на 2012 г.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные регламенты проведения телеконсультаций, основанные на параллельном выполнении диагностических процедур регистрации биомедицинских параметров организма пациента и пересылке полученных блоков медицинских данных эксперту с независимым анализом каждого блока данных, обеспечивают сокращение длительности подготовительного этапа телеконсультаций до 47% от исходного.

2. Применение дополнительных средств беспроводной связи совместно со средствами спутниковой связи УБАТ в составе мобильного телемедицинского комплекса при использовании оптимизированных регламентов телеконсультирования позволяет сократить время с момента прибытия комплекса к месту оказания медицинской помощи до получения рекомендаций эксперта до 36,2%.

3. Предложенная методика минимизации длительности телемедицинских консультаций для задач космической и экстремальной медицины с использованием разработанного программного обеспечения позволяет сократить длительность телеконсультации до 30% за счет оптимизации последовательности выполнения диагностических исследований.

Личный вклад автора заключается в проектировании и разработке телемедицинских комплексов для использования в экстремальных условиях, чрезвычайных и ургентных ситуациях, выполнении основного объема теоретических и расчетных исследований, включая разработку имитационных моделей и создание новых способов модификации регламентов телеконсультаций для сокращения их длительности, а также в разработке программного обеспечения для оптимизации регламентов телеконсультаций.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации доложены на II Международной конференции «Современные информационные и телемедицинские технологии для здравоохранения» (Беларусь, Минск, 2008), 14-ой Международной конференции «Антикризисный и инновационный потенциал телемедицины и электронного здравоохранения» (Москва, 2009), III Научно-практической конференции ПФО «Актуальные проблемы медицинской информатики, телемедицины, электронного здравоохранения» (Нижний Новгород, 2010), 5th International Congress of Medicine in Space and Extreme Environments (Germany, Berlin, 2010), Космическом форуме 2011 (Москва, 2011).

Публикации. По теме диссертации имеется 16 публикаций, включая 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 5 патентов и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, списка литературы и приложений. Работа содержит 122 страницы основного текста, 20 таблиц, 49 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 108 наименований (81 отечественных и 27 зарубежных).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается выбор и актуальность темы исследования, показывается научная новизна и практическая значимость исследования, формулируются цель и задачи работы, а также положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу опыта использования ТМ-технологий для поддержки жизнедеятельности человека и оказания медицинской помощи на различных этапах космических экспедиций, в экстремальных условиях, чрезвычайных и неотложных ситуациях.

За время существования пилотируемой космонавтики неоднократно возникали ЧС, требующие оказания неотложной медицинской помощи космонав-

там на месте их приземления. В случае посадки спускаемого аппарата по баллистической траектории появляются дополнительные факторы, повышающие риск для здоровья приземляющихся космических экипажей. Такими факторами являются более значимые величины динамических и ударных перегрузок, воздействующих на организм космонавтов, а также значительная удаленность места посадки от базового района приземления, где концентрируются основные силы оперативно-технической группы и средства медицинского обеспечения. Еще одним фактором, затрудняющим проведение поисково-спасательных мероприятий в местах приземления космических экипажей, являются неблагоприятные погодные условия. Так, в 1997 году произошла «жесткая» посадка спускаемого модуля «Союз ТМ-25» из-за преждевременного срабатывания двигателей мягкой посадки, а в 2003 и 2008 годах спуски по баллистической траектории спускаемых аппаратов «Союз ТМА-1» и «Союз ТМА-11», соответственно, происходили с высокими перегрузками и на существенном удалении (более 400 км) от базового района приземления. Кроме того, необходимость в срочной медицинской помощи на месте посадки возникает в случаях эвакуации членов космических экипажей из-за болезни или травмы [Железняков А.Б., 2011; Ста-жадзе JI.JI. с соавт., 1977].

При анализе данных по травматизму в России установлено, что ежегодно происходит порядка 15 000 ЧС, в которых получают травмы различной тяжести около 30 тыс. человек. При этом для ЧС техногенного, биолого-социалыюго и социального характера доля пострадавших средней и тяжелой степени может превышать 50% [Дроговоз В.А., 2009].

В медицине существует так называемое «правило золотого часа», т.е. необходимость оказания медицинской помощи в период, когда здоровье попавшего в критическое положение человека балансирует на грани жизни и смерти, и когда пострадавшему можно оказать наиболее действенную помощь. Применение ТМ в процессе оказания медицинской помощи в ЭУ и ЧС позволяет существенно улучшить результат лечения именно за счет организации информационного обмена на ранних стадиях заболевания. Например, в случае проведения ургентной ТМК для пациентов с показаниями к хирургическому лечению травм время пребывания на койке сократилось в 2,85 раза, а длительность болевого синдрома сократилось в 2,76 раза [Калинчук C.B. с соавт., 2008]. Применение мобильных телемедицинских комплексов в условиях ЧС с массовым по-

ражением людей увеличивает процент выживаемости пострадавших на догоспитальном и последующих этапах оказания медицинской помощи от 60% до 80% от общего числа пострадавших [Дроговоз В.А., 2009; Орлов О.И., 2003].

Действенным методом увеличения эффективности медицинской помощи является оптимизация регламентов ТМК. Регламенты ТМК перечисляют и описывают по порядку этапы (действия), которые должны предпринимать участники ТМК для ее успешного выполнения. Помимо этого, регламент описывает требования к объемам и форматам медицинских данных и управляющей информации, а также структуру заявки на ТМК и заключения в соответствии с целью ТМК. Отметим, что объем и качество медицинской информации существенным образом влияет на результативность ТМК [Камаев И.А., Леванов В.М., Сергеев Д.В., 2001; Леванов В.М., Переведенцев О.В., Орлов О.И., 2006].

Ряд авторов предпринимали попытки сформулировать критерии оптимизации ТМК с точки зрения ее длительности, используя параметры «оперативность ответа» и «своевременность ТМК», однако методы оптимизации разработаны не были (Владимирский A.B., 2007; Сенкевич Ю.И., 2008]. Длительность ТМК зависит от количества этапов ТМК, длительности каждого этапа и времени, затрачиваемого на передачу данных между участниками ТМК. Задачу оптимизации процесса оказания медицинской помощи средствами телемедицины в чрезвычайных ситуациях на этапе приземления космических экипажей и в экстремальных условиях мы сформулировали следующим образом - минимизировать длительность ТМК без снижения вероятности постановки правильного диагноза, т.е. без уменьшения объёма и качества передаваемой медицинской информации по имеющимся каналам связи.

Во второй главе исследуются используемые в настоящее время регламенты ТМК в экстремальных условиях, в чрезвычайных и ургентных ситуациях, и рассматриваются вопросы их оптимизации с точки зрения сокращения длительности ТМК без уменьшения объема и качества передаваемой медицинской информации. В результате проведенного анализа регламентов ТМК выявлено, что среднее значение общей длительности ТМК зависит от длительности и вероятности выполнения отдельных этапов ТМК и описывается формулой (1):

5

7

О)

где Т| - длительность подготовки запроса на ТМК, Т2 - длительность передачи запроса эксперту, Т3 - длительность сбора медицинской информации об объекте ТМК, Т4 - длительность передачи медицинской информации эксперту, Т5 - длительность анализа медицинских данных экспертом, Тб - длительность подготовки запроса на дополнительные данные, Т7 - длительность передачи запроса на дополнительные данные абоненту ТМК, Т8 — длительность видеоконсультации, Т9 — длительность регистрации результатов видеоконсультации, Т]0 -длительность подготовки рекомендаций абоненту, Ти - длительность передачи рекомендаций абоненту, Р1 — вероятность запроса экспертом дополнительных медицинских данных, Р2 — вероятность проведения видеоконсультации.

В соответствии с формулой (1) сокращение общей длительности ТМК может быть достигнуто путём сокращения длительности этапов ТМК и/или понижения вероятностей Р1 и р,.

Длительность этапов, связанных с передачей информации между абонентом и экспертом, Т2, Т4, Т7 и Ти зависит от объема передаваемой информации и от скорости передачи данных (СПД). Уменьшение объема передаваемых данных или применение технологий сжатия информации может привести к ошибкам при постановке диагноза и/или повлечь за собой увеличение вероятности Р1 запроса экспертом повторного проведения диагностических исследований или выполнения дополнительных исследований. Сокращение длительности процедур передачи данных для ТМК путем повышения СПД либо практически невозможно для большинства применяемых в настоящее время ССС, либо влечет за собой существенное увеличение эксплуатационных расходов.

Длительность сбора медицинской информации о пациенте зависит от ряда факторов, в том числе от объема выполняющихся диагностических исследований средствами, входящими в состав ТМ-комплекса абонента. Длительность Т3 будет тем выше, чем больше различных диагностических исследований можно выполнить. Таким образом, для исследуемой телемедицинской системы уменьшение длительности Тз возможно путем сокращения количества диагностических исследований, что, однако, может привести к постановке ошибочного диагноза, а также к возрастанию вероятности Р1 и Р2 и к существенному увеличению общей длительности ТМК.

В соответствии с существующими в настоящее время регламентами ТМК. процедура сбора медицинской информации о пациенте может быть представле-

на как последовательность выполнения диагностических исследовании с регистрацией получаемых блоков медицинских данных (БМД). Может осуществляться фиксация результатов опроса и осмотра пациента, регистрация физиологических параметров организма пациента, фотографирование травм пациента и так далее. Получающийся в результате вектор БМД {БЩ^БЩ2,...,БЩЫ), где N - количество БМД, зависящее от перечня регистрируемых параметров и используемых инструментальных диагностических методов, накапливается в информационном хранилище ТМ-комплекса абонента. Далее все содержимое информационного хранилища по спутниковой сети передачи данных передаётся в ТМ-комплекс эксперта, где эксперт выполняет анализ этих данных. Такой вариант регламента, в котором все этапы ТМК выполняются последовательно, мы называем исходным.

БМД характеризуется размером С^БМД^, при этом для его формирования абонент затрачивает время Т'ш,, ¡' = 1,2,...,?/, где N — количество процедур регистрации БМД. Каждый БМД, передается эксперту по каналам связи за время, зависящее от СПД и размера БМД,. После получения БМД{эксперт проводит его анализ за время Т,'1А. При рассмотренном выше исходном варианте выполнения подготовительного этапа ТМК его длительность Тпз описывается формулой (2):

-ё-+ ТТы> (2)

ы *-> /»1

где в - скорость передачи данных по каналу связи.

С целью предварительной оценки эффекта от модификации регламента ТМК рассмотрим гипотетическую ситуацию, когда длительность процедур регистрации, передачи и анализа БМД выполняются за одинаковое время т: ПОБМД,)

1ПР £ ' ПА 1 (3)

В этом случае для исходного варианта регламента ТМК длительность подготовительного этапа Тт будет равна:

Тю = //х Тл,, к. Тщ +Ыу. Тш = ЗхЫхт ' (4)

Для сокращения длительности этапа подготовки ТМК без уменьшения объемов передаваемой медицинской информации и увеличения СПД мы предложили новый регламент ТМК с параллельным выполнением медицинских диагностических процедур, пересылкой полученных БМД эксперту и анализом

экспертом каждого БМД. При этом накопление БМД, в отличие от исходного регламента, осуществляется в ТМ-комплексе эксперта. Нами предложены два варианта модификации регламента подготовки ТМК:

- «вариант 1» - передача каждого БМД по каналу связи эксперту и его сохранение в информационном хранилище ТМ-комплекса эксперта сразу после его регистрации абонентом, при этом анализ медицинских данных начинается после записи в хранилище последнего БМД;

- «вариант 2» - отличается от «варианта 1» тем, что эксперт приступает к анализу сразу после получения очередного БМД.

«Вариант 1» модификации этапа подготовки ТМК изменяет только порядок выполнения диагностических исследований и передачу полученных данных эксперту, но, как и в применяемых в настоящее время регламентах, эксперт приступает к анализу данных только после записи в информационное хранилище своего ТМ-комплекса всех БМД. Блок-схема предложенной модификации регламента этапа подготовки ТМК показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Блок-схема «варианта 1» модификации регламента этапа подготовки телеконсультации

Сокращение длительности этапа подготовки ТМК достигается за счет того, что пока БМД, передается по каналу связи, абонент осуществляет регистрацию следующего БЩМ, в результате длительность этапа подготовки ТМК при па-

раллельном выполнении процедур регистрации и передачи БМД может быть сокращена по сравнению с последовательным выполнением этих процедур.

Для случая, соответствующего условию (3), длительность этапа подготовки ТМК при модификации ее регламента по «варианту 1» Т'пэ будет равна:

Пэ=МХТпр+Т%ц+МХТпа=(2ХМ + \)хт (5)

Используя формулы (4) и (5), сокращение длительности этапа подготовки ТМК для регламента по «варианту 1» по сравнению с исходным регламентом можно рассчитать по формуле (6). Приведенная оценка показывает, что экономия времени на этапе подготовки ТМК при модификации регламента по «варианту 1» может превышать 30 %.

ЗГ^ю-Т'пэ ^ЗЛГг-(2# + 1)г^ЗЛГ-2ЛГ-1_ 1__I

(6)

ЪЫт 3 ЗЛГ

Отличием «варианта 2» от «варианта 1» является то, что эксперт приступает к анализу очередного полученного БМД, не дожидаясь получения всех оставшихся БМД. Блок-схема модифицированного по «варианту 2» регламента этапа подготовки ТМК показана на рисунке 2.

Рисунок 2 — Блок-схема «варианта 2» модификации регламента этапа подготовки телеконсультации

При выполнетш условия (3) длительность этапа подготовки ТМК при модификации ее регламента но «варианту 2» Т"а, будет равна:

Тпэ = N х ТПР + + 7£ = {N + 2) X г

(7)

Сокращение длительности этапа подготовки 'ГМК для «варианта 2» модификации регламента по сравнению с исходным регламентом можно рассчитать по следующей формуле:

Следовательно, при выполнении условия (3) экономия времени на этапе подготовки ТМК при модификации ее регламента по «варианту 2» может превышать 60%.

На практике равенство (3) обычно не выполняется, например, потому, что время передачи данных по каналу связи бывает много меньше, чем длительность проведение диагностических исследований. Вследствие этого, эффект от параллельного выполнения действий по регистрации, передаче и анализу БМД в каждой конкретной ТМС может отличаться от оценок, полученных в выражениях (6) и (8). Для оценки реального сокращения длительности ТМК с помощью предложенных вариантов модификации регламента этапа подготовки ТМК проведено моделирование процесса ТМК с использованием программного комплекса имитационного моделирования GPSS/W. В качестве прототипа использовалась разработанная с нашим участием «Система телебиологической поддержки космических экипажей на месте приземления и этапах эвакуации», на которую получен патент РФ на полезную модель №107465 от 27.04.2011 г. Основным компонентом указанной ТМС является ТМ-комплекс экспресс-диагностики состояния космонавтов на месте посадки (ТКЭД), разработанный с нашим участием в Институте медико-биологических проблем РАН в 2010 году. ТКЭД представляет собой носимый программно-аппаратный комплекс, предназначенный для экспресс-диагностики космонавтов и проведения телемедицинских мероприятий на месте посадки в первые минуты после обнаружения поисково-спасательной службой.

Имитационное моделирование регламентов ТМК осуществлялось для диапазона СТТД от 64 кбит/с до 512 кбит/с, типичного для ССС INMARSAT BGAN. Моделирование было проведено для трех вариантов размеров БМД, которые соответствовали нижней, средней и верхней оценкам размеров БМД для ТКЭД, а также для двух режимов проведения ТМК - штатного и экстренного, в соот-

<5Г" =

Тю-т^ =3Mt-(N + 2)T 3N-N-2 _2 2 Tm ~ 3 Nt ЗіV З З /V

(8)

ветствии с разработанными с нашим участием методиками применения телемедицинских средств экспресс-диагностики космонавтов на месте посадки.

Использованные в имитационных моделях средние значення длительностей выполнения процедур регистрации и анализа БМД, размеры БМД для штатного и экстренного режимов проведения ТМК, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Средние значения параметров имитационной модели

телеконсультацнн

Наименование процедуры Модель с минимальными размерами БМД Модель со средними размерами БМД Модель с максимальными размерами БМД

Т' 1 ПР сек П( БД.,) байт Тпа сек Т 1 ПР сек ОІБД,) байт ТпА сек Тпр сек пШ) байт сек

Штатный режим проведения телеконсультации

Запрос на ТМК 120 232 240 120 232 240 120 232 240

Результаты осмотра и опроса 180 2000 300 180 2000 300 180 2000 300

Электрокардиография 120 11250 300 180 45000 300 420 450000 300

Артериалыюе давление 60 2 60 60 2 60 60 2 60

Экспресс-анализ крови 180 51 180 180 51 180 180 51 180

Фотографирование объекта 60 241664 120 60 860000 120 60 2306048 120

ИТОГО 720 255199 1200 780 907285 1200 1020 2758333 1200

Экстренный режим проведения телеконсультации

Запрос на ТМК 120 232 120 120 232 120 120 232 120

Результаты осмотра и опроса 180 2000 180 180 2000 180 180 2000 180

Электрокардиография 120 11250 180 180 45000 180 420 450000 240

Артериальное давление 60 2 30 60 2 30 60 2 30

Экспресс-анализ крови 180 51 60 180 51 60 180 51 60

Фотографирование объекта 60 241664 60 60 860000 60 60 2306048 60

ИТОГО 720 255199 630 780 907285 630 1020 2758333 690

Для оценки эффективности модифицированного регламента этапа подготовки ТМК были исследованы 120 вариантов последовательности выполнения диагностических исследований с регистрацией БМД. Сокращение длительности этапа подготовки ТМК для «варианта 1» модифицированного регламента по сравнению с исходным регламентом для штатного и экстренного режима проведения ТМК для различных СПД и размеров БМД показано на рисунке 3. При максимальных размерах БМД и для случая СПД, равной 64 кбит/с, наибольшее для штатного режима сокращение длительности подготовительного этапа ТМК составило 13,8%, а для экстренного режима -17,3%.

Сокращение длительности этапа подготовки ТМК для «варианта 2» модификации регламента по сравнению с исходным регламентом для штатного и экстренного режима проведения ТМК при различных значениях СПД и размерах БМД представлено на рисунке 4.

телеконсультации для «варианта 1» модификации регламента

Сокращение длительности этапа подготовки ТМК с предложенным нами «вариантом 2» модификации регламента по сравнению с исходным колеблется для штатного режима в пределах от 32,4% до 46,9%, для экстренного режима -от 38% до 47,2%.

телеконсультации для «варианта 2» модификации регламента

Результаты имитационного моделирования продемонстрировали, что предложенные варианты оптимизации регламентов ТМК обеспечивают сокращение длительности ТМК без снижения объёма и качества передаваемой медицинской информации, а следовательно, без уменьшения вероятности постановки правильного диагноза. Предложенные регламенты более эффективны на низкоскоростных каналах связи при передаче больших объемов медицинской информации.

В третьей главе описана методика применения разработанного программного обеспечения для оптимизации регламентов телемедицинских консульта-

16

ций в экстремальных условиях и ургентных ситуациях, а также рассмотрен вопрос оптимизации средств передачи медицинской информации в телемедицинских системах на базе мобильных ТМ-комплексов.

Длительность выполнения диагностической процедуры в процессе ТМК зависит не только от используемого диагностического оборудования и применяемой методики, но и от квалификации человека, осуществляющего регистрацию медицинских данных. Пропускная же способность каналов передачи информации зависит от используемой ССС, координат местности и погодных условий. Вследствие этого, не представляется возможным разработать единые универсальные методические рекомендации по оптимальному планированию подготовительного этапа ТМК для всего спектра возможных ТМС и всех возможных ситуаций проведения ТМК. С целью решения указанной задачи и автоматизации процесса подготовки минимальных по длительности регламентов ТМК с параметрами, характерными для каждой конкретной исследуемой ТМС, нами разработано компьютерное программное обеспечение PIM.EXE.

Программное обеспечение PIM.EXE для поиска оптимальной последовательности выполнения процедур подготовительного этапа 'ГМК основано на модели регламента ТМК, описанного формулой (1). Для поиска оптимальной последовательности выполнения процедур регистрации БМД программа PIM.EXE осуществляет полный перебор вариантов последовательностей выполнения диагностических процедур, в результате которых осуществляется регистрация БМД. Программа PIM.EXE позволяет осуществить имитационное моделирование обоих вариантов модификации регламента ТМК.

Длительность работы программу,т при оптимизации регламентов с количеством различных диагностических исследований от 2 до 10 не превышает 1 минуты. С целью оценки точности работы программы PIM.EXE было выполнено ее тестирование на моделях ТКЭД. Максимальное отклонение результатов работы программы PIM.EXE от результатов работы универсального программного пакета имитационного моделирования GPSSAV не превысило 0,2%, при этом подготовка модели ТМК в PIM.EXE не требует дополнительного программирования, в результате чего трудозатраты на оптимизацию регламента ТМК существенно уменьшаются.

Основными этапами методики использования программного обеспечения PIM.EXE для оптимизации ТМС являются следующие:

- сбор информации о количестве диагностических процедур, длительности этапов регламентов проведения ТМК и размерах БМД при различных вариантах использования ТМС;

- подготовка входных данных для программы PIM.EXE и моделирование для выбранного диапазона СПД;

- выбор оптимальных последовательностей выполнения диагностических процедур и регистрации БМД, подготовка оптимизированных регламентов ТМК с учетом полученных в процессе моделирования результатов.

Для практической оценки эффективности методики применения разработанного программного обеспечения для задач космической и экстремальной медицины было осуществлено имитационное моделирование процесса ТМК средствами мобильного телемедицинского комплекса (МТМК), созданного в рамках ФЦП РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». Указанный МТМК был разработан с нашим участием и на него был получен патент РФ на полезную модель № 61536 от 20.10.2006 г. «Мобильный телемедицинский комплекс».

Указанный МТМК предназначен для использования в процессе оказания медицинской помощи в очагах техногенных и природных ЧС и представляет собой микроавтобус, оснащенный набором медицинского, компьютерного и телекоммуникационного оборудования с системой спутниковой связи УБАТ. Автоматизированные рабочие места МТМК обеспечивают поддержку базы данных электронных записей пациентов, проведение ТМК, выполнение функциональных и лабораторных исследований: лабораторного экспресс-анализа крови и мочи (ЛЭА), регистрации ЭКГ, оценки функции внешнего дыхания (ФВД), регистрации артериального давления (АД) и температуры тела (ТТ).

В период 2009-2010 гг. с нашим участием были проведены полевые испытания МТМК, в частности, при осуществлении экстренной ТМК пострадавших в дорожно-транспортном происшествии и при имитации оказания медицинской помощи при ЧС. В ходе испытаний осуществлялся хронометраж выполнения процедур и учет объемов регистрируемой информации. Основные результаты испытаний приведены в таблице 2.

Для указанной ТМС в соответствии с методикой использования программы PIM.EXE был осуществлен поиск оптимальных по критерию длительности

ТМК последовательностей выполнения процедур регистрации медицинской информации. Моделирование проводилось для СПД от 9,6 кбит/с до 512 кбит/с. Таблица 2 - Средние длительности выполнения процедур п размеры БМД

№ Наименование процедуры Средняя длительность процедуры, мин Средний размер БМД, байт

1. Регистрация данных о пострадавшем 4,8 ± 0,6 2898±120

2 Фотографирование травм 2,1 ±0,3 980726 ± 10000

3. ЛЭА крови и мочи 9,8 ± 1,4 2500 ± 320

4. Регистрация ЭКГ 7,2 ±0,7 13312 ±30

5. Оценка ФВД 5,2 ± 0,8 5950±100

6. Регистрация ЛД 3,1 ±0,5 5

7. Регистрация ТТ 2,5 ± 0,4 2

3.1. Анализ экспертом полученных медицинских данных 11,5 ±1,6 —

3.2. Проведение видеоконсультации 8,3 ± 1,5 -

3.3. Подготовка экспертом заключения 4,1 ± 1,1 -

После знака ± здесь и далее указано выборочное стандартное отклонение. Диагностические исследования в рассматриваемой ТМС при проведении

ургентных ТМК выполнялись в порядке уменьшения длительности выполнения очередной диагностической процедуры в соответствии с рекомендациями разработчиков МТМК: ЛЭА крови и мочи —> регистрация ЭКГ —> исследование ФВД измерение АД —> измерение ТТ —> фотографирование травм пострадавшего. Оптимальные последовательности выполнения процедур регистрации БМД для различных СПД при модификации регламента ТМК по «варианту 1» и «варианту 2» приведены в таблицах 3 и 4 соответственно.

Таблица 3 - Оптимальные варианты выполнения диагностических исследований для «варианта 1» модификации исходного регламента

СПД = 9,6 кбит/с СПД = 15 кбит/с СПД > 15 кбит/с

1. ФОТО 1. ЛЭА 1. ЛЭА

2. АД 2. ЭКГ 2. ЭКГ

3. ФВД 3. ФОТО 3. ФВД

4. ЭКГ 4. ФВД 4. АД

5. ЛЭА 5. АД 5. ФОТО

6. ТТ 6. ТТ 6. ТТ

Таблица 4 - Оптимальные варианты выполнения диагностических

исследований для «варианта 2» модификации исходного регламента

СПД=9,б кбит/с спд= 15 кбит/с СПД=32 кбит/с 64 <СПД< 192 кбит/с 256 < СПД <512 кбит/с

1 ФОТО 1. ЛЭА 1. ЛЭА 1. ЛЭА 1. ЛЭА

2. АД 2. ФОТО 2. ЭКГ 2. ЭКГ 2. ЭКГ

3. ФВД 3. ЭКГ 3. ФОТО 3. ФВД 3. ФВД

4. ЭКГ 4. ФВД 4. ФВД 4. ФОТО 4- АД

5. ЛЭА 5. АД 5. АД 5. АД 5. ФОТО

6. ТТ б. ТТ 6. ТТ 6. ТТ 6. тт

Использование найденных оптимальных вариантов последовательностей выполнения процедур регистрации БМД позволяют сократить длительность ТМК, что видно из графиков на рисунке 5.

данных для различных вариантов последовательности выполнения диагностических исследований

Разница в длительности ТМК между исходной и оптимальной последовательностью выполнения процедур регистрации БМД для «варианта 1» модификации регламента составила до 13,3 минут, а для «варианта 2» модификации регламента - до 14,8 минут. Из анализа графиков видно, что длительность ТМК при использовании модифицированных регламентов практически не зависит от СГ1Д. При этом, чем ниже СПД, тем выше разница между длительностью ТМК при исходном и модифицированном регламенте. Следовательно, использование модифицированных регламентов ТМК обеспечивает сокращение общей длительности ТМК для рассмотренной ТМС на базе МТМК даже при передаче медицинских данных по более доступным низкоскоростным каналам связи.

На рисунке 6 показаны зависимости сокращения длительности ТМК от СПД при модификации регламентов ТМК по «варианту 1» и «варианту 2».

спд,

кбит/с

Сокращение длительности ТМК

40,0% 35,0% 30,0% 25,0% 20,0% 15,0% 10,0% 5,0% 0,0%

S6T1 В6Т2

Рисунок 6 - Зависимости сокращения длительности тслеконсультаций от скорости передачи данных при модификациях регламентов

На рисунке 6 5Т1 обозначает сокращение длительности при модификации регламента ТМК по «варианту 1», a ST2 - по «варианту 2». Из анализа графика видно, что модификация регламента по «варианту 1» эффективна на низких скоростях передачи данных по каналу связи, в то время, как модификация регламента по «варианту 2» позволяет сократить общую длительность ТМК от 33,8% до 19% на всем исследованном диапазоне СПД.

В ходе полевых испытаний МТМК было выявлено, что среднее время на подготовку его к работе составляло 44±3,7 мин. Это время складывалось из таких действий, как позиционирование спутниковой антенны, развёртывание и подключение компьютерного и медицинского оборудования. Это означает, что диагностика пострадавшего может начаться не ранее этого времени, и общее время от приезда МТМК к пострадавшему до получения рекомендаций врача-консультанта составляет при исходном регламенте ТМК от 103,4 до 116,7 минут. Среднее время приведения автоматического антенного поста системы спутниковой связи VSAT в рабочее состояние оценено в 26±2,3 минуты. В то же время спутниковые телефоны системы Thuraya или телефоны/модемы сотовой связи могут быть готовы к передаче данных менее чем через 1 минуту.

На основе анализа данных по подготовке МТМК к работе мы предложили для оптимизации процесса оказания медицинской помощи в ЧС и ургентных ситуациях гибридную телекоммуникационную подсистему. Такая подсистема должна обеспечить передачу БМД на подготовительном этапе по низкоскоростным каналам связи высокой готовности типа Thuraya GmPRS или GPRS и проведение сеансов видеоконференцсвязи через широкополосные каналы сис-

темы спутниковой связи УЭЛТ. Структура гибридной телекоммуникационной подсистемы с дублирующим каналом связи показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема использования гибридной телекоммуникационной подсистемы в ходе телеконсультации

С использованием предложенной подсистемы связи диагностирование пострадавшего осуществляется посредством автономно работающих телемедицинских комплексов с диагностическими приборами, а передача полученных медицинских данных эксперту в удаленный телемедицинский центр выполняется через сотовый или спутниковый телефон. Параллельно с этим инженерным персоналом проводятся мероприятия по подготовке МТМК к работе.

Несмотря на то, что СПД для сети связи типа Thuraya GmPRS или сотовой сети стандарта 2.5G (GPRS) не превышает 15 кбит/с, применение модифицированного по «варианту 2» регламента позволяет провести ТМК всего за 48,1 минуты. При использовании модифицированного по «варианту 2» регламента ТМК совместно с гибридной телекоммуникационной подсистемой общая длительность ТМК с момента приезда МТМК к месту оказания помощи пострадавшему до получения рекомендаций эксперта может быть сокращена со 103,6±2,3 минут до 66Л±1,9 минуты, т.е. на 37,5 минуты, или на 36,2%.

Таким образом, использование в составе МТМК предложенной гибридной телекоммуникационной подсистемы совместно с оптимизированными регламентами проведения ТМК позволяет повысить эффективность процесса оказания медицинской помощи за счет сокращения времени на телемедицинское консультирование пострадавшего.

выводы

1. Предложено на этапе приземления космических экипажей при возникновении чрезвычайных ситуациях, а также в экстремальных условиях, в качестве критерия оптимизации процесса оказания медицинской помощи использовать длительность телеконсультации, при этом за параметр оптимизации принять очерёдность выполнения диагностических исследований, а за граничные условия принять диапазон допустимых скоростей передачи медицинских данных эксперту и объемов передаваемой медицинской информации.

2. Путем имитационного моделирования показано, что сокращение длительности подготовительного этапа телемедицинской консультации в экстремальных условиях и ургентных ситуациях с помощью предложенных способов модификации регламента, заключающихся в параллельном выполнении диагностических исследований и пересылке полученных блоков медицинских данных эксперту с независимым анализом каждого блока данных, может составлять до 47%.

3. Для случая использования системы спутниковой связи УБАТ в составе мобильных телемедицинских комплексов предложена гибридная телекоммуникационная подсистема, обеспечивающая в комбинации с модифицированным регламентом телемедицинской консультации сокращение общей длительности телемедицинского консультирования до 36,2%.

4. Показано, что разработанное программное обеспечение для формирования оптимальных последовательностей диагностических процедур обеспечивает сокращение общей длительности телемедицинских консультаций до 30%.

Научно-практнческие рекомендации

1. Рекомендовать введение в программы последипломной подготовки врачей и среднего медицинского персонала занятий по практическому использованию телемедицинских средств при оказании медицинской помощи в ургентных ситуациях и экстремальных условиях.

2. Рекомендовать применение средств телемедицины в работе поисково-спасательных отрядов при оказании медицинской помощи в экстремальных условиях, чрезвычайных и ургентных ситуациях.

3. Рекомендовать доукомплектовывать мобильные телемедицинские комплексы с системами спутниковой связи VSAT спутниковыми телефонами типа Thuraya GmPRS или сотовыми модемами GPRS/3G/4G для повышения эффективности процесса оказания медицинской помощи.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Орлов О.И., Богомолов В.В., Переведенцев О.В., Поляков A.B., Зорина Н.Г., Беркович Ю.А. Средства телемедицинского обеспечения на месте посадки космических экипажей // Авиакосмическая и экологическая медицина, 2012. Т. 46. № 5. С. 67 - 72.

2. Леванов В.М., Переведенцев О.В., Орлов О.И. Способы оптимизации информационно-технического обеспечения мобильных телемедицинских систем для использования в неотложных ситуациях // Технологии живых систем, 2012. № 5. С. 32-40.

3. Камаев И.А., Орлов О.И., Леванов В.М., Переведенцев О.В., Сергеев Д.В. Возможности и перспективы применения мобильных телемедицинских комплексов в профилактических программах // Медицинский альманах, 2013. №2 (26). С. 16-18.

Патенты

4. Григорьев А.И., Орлов О.И., Дроговоз В.А., Переведенцев О.В., Леванов В.М. Ревякин Ю.Г. Мобильный телемедицинский комплекс. Патент РФ на полезную модель № 61536, 20.10.2006 г.

5. Григорьев А.И., Орлов О.И., Переведенцев О.В. Носимый телемедицинский комплект. Патент РФ на полезную модель Кг 59954,20.10.2006 г.

6. Григорьев А.И., Орлов О.И., Переведенцев О.В. Носимый телемедицинский диагностический комплект. Патент РФ на полезную модель № 93655,22.12.2009 г.

7. Переведенцев О.В. Телемедицинский комплекс дистанционного мониторинга состояния здоровья человека. Патент РФ на полезную модель №94832, 27.02.2010 г.

8. Григорьев А.И., Переведенцев О.В., Орлов О.И., Богомолов В.В., Поляков A.B. Система телебиологической поддержки космических экипажей

на месте приземления и этапах эвакуации. Патент РФ на полезную модель № 107465,27.04.2011г.

9. Переведенцев О.В., Орлов О.И., Переведенцев М.О. Программное обеспечение для оптимизации телемедицинских консультаций. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012619808 от 31.10.2012 г.

Публикации в других изданиях н материалы конференций

Ю.Переведенцев О.В., Леванов В.М., Орлов О.И. Основы аппаратно-программного обеспечения телемедицинских услуг / Учебное пособие. Под общей редакцией профессора И.А. Камаева. М.: Фирма «Слово», 2006.208 с.

11.Переведенцев О.В., Орлов О.И. Применение видеоконференцсвязи в телемедицинских мероприятиях реального времени / Серия «Практическая телемедицина» под общей ред. академика А.И. Григорьева. Вып. 6. М.: Фирма «Слово», 2011. 92 с.

12.Леванов В.М., Орлов О.И., Камаев И.А., Переведенцев О.В. От телемедицины к электронному здравоохранению. Под общей ред. академика А.И. Григорьева. М.: Фирма «Слово». 2012. 400 с.

13.Переведенцев О.В., Гусева Т.Е., Леванов В.М. Мобильные и домашние телемедицинские системы / Минск: Тезисы II Международной конф. «Современные информационные и телемедицинские технологии для здравоохранения». 2008. С.246.

14.Perevedentsev О., Orlov О., Polyakov A., Chernogorov R. Approaches to the Development of the System of Telemedical Support for Martian Mission / Берлин: Материалы 5th International Congress of Medicine in Space and Extreme Environments. 2010. C.50.

15.Переведенцев O.B. и др. Перспективы использования современных телемедицинских технологий медицинскими специалистами, участвующими в поиске и спасании космических экипажей в местах приземления спускаемых аппаратов. / М.: Сборник материалов Космического форума 2011 года. 2011. С. 204.

16.Черногоров Р.В., Поляков A.B., Орлов О.И., Переведенцев О.В. Организация телемедицинского обеспечения экспериментов с длительной изоля-

цией в гермообъекте, моделирующих длительный космический полет (проект «МАРС 500») // Международный симпозиум по результатам экспериментов, моделирующих пилотируемый полет на Марс: Сб.матер. / М„ 2012. - С.72-73.

Список сокращений

АД Артериальное давление

БМД Блок медицинских данных

ВКС Видеоконференцсвязь

ЛЭА Лабораторный экспресс-анализ

МТМК Мобильный телемедицинский комплекс

РФ Российская Федерация

ссс Система спутниковой связи

тм Телемедицина

ТКЭД Телемедицинский комплекс экспресс-диагностики

тмк Телемедицинская консультация

тмс Телемедицинская система

тт Температура тела

ФВД Функция внешнего дыхания

ФЦП Федеральная целевая программа

чс Чрезвычайная ситуация

ЭКГ Электрокардиограмма

ЭУ Экстремальные условия

Подписано в печать:

12.11.2013

Заказ № 9074 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 vvww.autoreferat.ru