CC BY
119
ВрЭЧ :::: ИТ и диагностика
™ и информационные
технологии
>
B. С. ГАЙДУКОВ,
аспирант Центра медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
C. А. ТАРАКАНОВ,
к.т.н., директор Центра медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
В.И. КУЗНЕЦОВ,
генеральный директор ООО «Кардио-патруль», г. Санкт-Петербург, Россия,
М.Д. ПОДОЛЬСКИЙ,
аспирант Центра медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
ПРЕИМУЩЕСТВА АМБУЛАТОРНОЙ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ И ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМ ЧЕЛОВЕКА НА ПРИМЕРЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УДАЛЕННОГО ОНЛАЙН-МОНИТОРИНГА КАРДИОРЕСПИРАТОРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПАЦИЕНТОВ
УДК 612.1+612.2+621.398
Гайдуков В.С., Кузнецов В.И., Тараканов С.А., Подольский М.Д. Преимущества амбулаторной экспресс-диогностики состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека на примере телеметрической системы удаленного онлайн-мониторинга кардиореспираторных параметров пациентов (ООО «Кардио-патруль» и Центр медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, Россия)
Аннотация. В настоящей статье дается оценка преимуществ решений в области амбулаторной экспрессдиагностики состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека на основе сравнительного анализа характеристик существующих устройств мониторинга сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека в повседневной деятельности и разработанной авторами статьи телеметрической системы удаленного онлайн-мониторинга кардиореспираторных параметров пациентов.
Ключевые слова: амбулаторный мониторинг; экспресс-диагностика; сердечно-сосудистая система; дыхательная система; кардиореспираторные параметры; телеметрия.
UDC 612.1+612.2+621.398
Gaidukov V.S., Kuznetcov V.I., Tarakanov S.A, Podolsky M.D. Outpatient rapid diagnosis of human cardiovascular and respiratory systems advantages on the example of telemetry system for remote on-line monitoring of patients cardiorespiratory parameters (LLC «Cardio-patrol» and Center of Health, Environment Instrumentation and Biotechnology of St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia)
Abstract. This article assesses the benefits of outpatient rapid diagnosis solutions for cardiovascular and respiratory human systems on the basis of a comparative performance analysis of existing devices for monitoring the cardiovascular and respiratory systems in everyday activities, and telemetry system for remote on-line monitoring of patients cardiorespiratory parameters developed by the authors.
Keywords: ambulatory monitoring, rapid diagnosis, cardiovascular system, respiratory system, cardiorespiratory parameters; telemetry.
© В.С. Гайдуков, С.А. Тараканов, В.И. Кузнецов, М.Д. Подольский, 2013
36
г
I/IT и диагностика
Введение
Функциональная диагностика человека необходима для выявления и предупреждения заболеваний и нарушений, при этом она должна производиться настолько часто, насколько это возможно. Однако значительная часть населения не имеет ни достаточного количества времени, ни определенного достатка, необходимого для регулярного стационарного наблюдения в медицинских учреждениях, некоторые ограничены физическими факторами. В такой ситуации качественным решением представляется амбулаторный мониторинг человека. Такой вид мониторинга позволяет человеку проходить наблюдение, практически не нарушая свой распорядок жизни, исключить затрату значительного количества времени на посещение стационара и проведение стационарного обследования, что является крайне значительным преимуществом в условиях современного жизненного ритма.
Среди многих функциональных параметров одними из самых важных показателей состояния человеческого организма являются параметры сердечной и дыхательной деятельности. Согласно статистике, заболевания сердечно-сосудистой и дыхательной систем — одни из наиболее распространенных среди популяции. Наибольший урон численности мирового населения наносят заболевания сердечно-сосудистой системы. Например, в Европе по статистике за 2009 год по этой причине произошли около 50% всех смертельных случаев, что соответствует примерно 0,41% населения [18], в то время как в мире количество умерших от сердечно-сосудистых заболеваний насчитывает порядка 7,1 млн. человек (1,4 млн. в развитых странах и 5,7 млн. в развивающихся регионах), то есть около 30% от общей смертности [16]. Среди нарушений дыхания одну из ведущих позиций по распространенности занимает обструктивное
www.idmz.ru
гол 3, №5
■■■■
гш
апноэ сна, обнаруженное приблизительно у 100 млн. человек во всем мире (среди взрослого населения — у 4%) [15], кроме того, очевидно наличие недиагностированных случаев.
О нарушениях сердечно-сосудистой системы можно судить по записи ЭКГ человека, а маркерами состояния дыхательной системы служат регистрируемые параметры ее функционирования (насыщение крови кислородом, частота дыхания, наличие или отсутствие дыхательных движений и т.д.).
В настоящее время существует значительное количество систем амбулаторной функциональной диагностики, обеспечивающих длительную (более 1 минуты) регистрацию различных физиологических данных человека, в частности, респираторных и кардиоданных, и предоставляющих возможность их последующей обработки и анализа медицинскими специалистами как посредством дистанционной передачи информации по каналам связи через ретранслирующее устройство, так и посредством прямой передачи данных на информационном носителе (встроенном в устройство или внешнем) медицинским специалистам по принципу «лично в руки». Следует учесть, что при амбулаторном наблюдении именно длительный мониторинг представляет наибольшую диагностическую ценность, так как позволяет оценить динамику состояния человека.
Целью настоящего исследования является сравнительный анализ традиционных устройств амбулаторного мониторинга сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека и разработанной авторами настоящей статьи оригинальной системы удаленного онлайн-мониторинга кардиореспираторных параметров пациентов на основе телеметрии, а также анализа преимуществ систем амбулаторной экспресс-диагностики состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека на примере указанной системы.
■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 37 ■
ВрЭЧ :::: ИТ и диагностика
™ и информационные
технологии
Анализ существующих решений амбулаторного мониторинга сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека
Наиболее распространенными приборами амбулаторной функциональной диагностики применительно к кардиологии являются устройства длительного (не менее 24 часов) кардиомониторирования пациента по методу Холтера [3, 4, 7, 8, 11, 13, 17], обеспечивающие регистрацию ЭКГ человека в течение нескольких суток при постоянном ношении пациентом регистрирующего устройства, запись данных на встроенную память или съемный носитель c последующим трансфером данных на персональный компьютер (ПК). По истечении срока мониторирования носимый регистратор ЭКГ-сигнала снимается и передается для расшифровки накопленной информации в медицинское учреждение. Расшифровка полученной ЭКГ занимает значительное количество времени, так как анализ полученных данных производится в несколько этапов: в первую очередь анализ с помощью специализированных программных алгоритмов, затем — просмотр и оценка записи ЭКГ непосредственно врачом, сравнение с результатами программного анализа и корректировка ошибок программного анализа (в частности, расшифровка отклонений на ЭКГ, связанных со специфическими факторами, не относящимися к нарушениям сердечной деятельности), сопоставление с прочими имеющимися медицинскими данными пациента и формирование итогового заключения (диагноза). В некоторых экземплярах реализована функция отметки пациентом событий на записи ЭКГ [3, 4], что позволяет оказать содействие при выявлении момента нарушения.
Функции кардиомониторов по Холтеру могут быть расширены за счет, например, добавления функции выявления эпизодов апноэ [7, 11]. В таких кардиомониторах c расширенными функциями запись данных, как правило, осуществляется на твердотельный
энергонезависимый носитель информации. Соответственно анализ данных возможен только после передачи носителя специалисту.
Еще одним способом удаленного мониторинга ЭКГ человека является использование портативных электрокардиографов [2, 6], посредством которых производится снятие ЭКГ за небольшой промежуток времени и оперативная передача сигнала на персональное устройство пациента посредством соединительного кабеля или беспроводного интерфейса ближнего действия. На персональном устройстве пациента может быть произведена первичная обработка и анализ данных, однако для получения полноценного результата требуется расшифровка ЭКГ врачом. С ПК пациента данные отправляются по сети Интернет на удаленную точку обработки и анализа информации (компьютер врача). Автоматические алгоритмы передачи данных в таких устройствах не предусмотрены, поэтому отправка информации производится пациентом «вручную».
Мониторинг дыхания в амбулаторных условиях может производиться с помощью, например, портативных приборов диагностирования апноэ сна. Такие устройства обеспечивают длительную (до 24 часов) непрерывную регистрацию кардио- и респираторных сигналов в мобильном режиме, а также запись данных на съемную карту памяти [10] или на интегрированный носитель данных [14,9]. Расшифровка полученной информации осуществляется после предоставления в клинику съемной карты памяти или устройства для мониторинга соответственно.
Также распространены портативные диагностические системы мониторинга дыхания на основе датчиков растяжения, встроенных в эластичный нагрудный ремень [5, 12]. В указанных системах производится накопления данных в процессе мониторинга на флеш-карту. Обработка данных производится после их трансфера из памяти флеш-карты в память устройства обработки информации.
38
I/IT и диагностика
Все указанные выше приборы и системы амбулаторной диагностики пациента имеют ограничения по времени анализа результатов записи сигналов деятельности сердца и дыхательной деятельности, выраженные в определенной задержке между моментом передачи информации и выдачи промежуточного диагноза. В связи с этой задержкой существует риск несвоевременного обнаружения ухудшения состояния человека.
Таким образом, существует необходимость реализации методов экспресс-диагностики состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека в рамках амбулаторного исследования, которые бы позволили в реальном времени отслеживать состояние пациента и определять проявляющиеся кардиореспираторные нарушения.
Телеметрическая система удаленного онлайн-мониторинга кардиореспираторных параметров пациентов
В настоящее время коллективом авторов завершена разработка телеметрической системы удаленного онлайн-мониторинга кардиореспираторных параметров пациентов. Система включает устройство регистрации физиологических сигналов и аппаратуру обработки информации, передача данных между которыми осуществляется посредством телеметрических каналов связи через сотовый телефон мониторируемого пациента, выполняющий функцию ретранслятора. Основными преимуществами настоящей разработки на рынке респираторного и кардиомониторинга являются обеспечение длительного непрерывного снятия и автоматического анализа измерений одновременно ЭКГ и дыхательной активности в условиях повседневной деятельности человека и достижение за счет обработки и анализа регистрируемых сигналов в режиме реального времени высокой степени оперативности отклика медицинского специалиста на выявляемые функциональные нару-
www.idmz.ru
гол 3, №5
■■■■
гш
шения кардиореспираторной системы, возможность прогнозирования критических состояний, составления программы профилактических и лечебных мероприятий до наступления критических состояний и обеспечение возможности своевременного их применения.
Важным фактором является отсутствие необходимости непосредственного участия пациента в процессе мониторинга, что позволяет в первую очередь получить наиболее достоверные результаты диагностирования за счет отсутствия как физического, так и психологического дискомфорта, связанного с врачебным вмешательством и необходимостью произведения самостоятельных действий для повышения качества процесса мониторинга, то есть достичь максимального приближения к условиям повседневной деятельности. Исключается возможность симулятивных действий пациента, направленных на создание мнимой картины физического благополучия. В то же время пациенту предоставлена возможность самостоятельно известить врача об ухудшении своего состояния, причем разработанные специализированные алгоритмы экстренной связи позволяют делать это в режиме с минимальной задержкой передачи данных, фактически в режиме реального времени. Все, что нужно от пациента, это при первых проявлениях недомогания нажать на специальную «тревожную» кнопку, расположенную на корпусе носимого кардиореспираторного монитора и отвечающую за экстренную передачу данных на рабочую станцию врача в случае выявления угрозы здоровью пациента.
В экстренной ситуации врач имеет крайне ограниченное количество времени на самостоятельное установление диагноза, поэтому необходимы алгоритмы автоматического анализа как сигнала ЭКГ, так и сигнала дыхательной активности с помощью оборудования для обработки медицинских данных, при этом должна быть сокращена до минимума вероятность ошибок при анализе. Настоящие требования были учтены при разработке и реализа-
■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 39 ■
ВрЭЧ :::: ИТ и диагностика
™ и информационные
технологии
ции программного обеспечения (ПО) для анализа кардиореспираторных данных на серверном оборудовании для медицинских центров или центров мониторинга пациентов. Реализованное ПО обеспечивает детекцию в онлайн-режиме нарушений ритма сердечных сокращений (тахикардия, брадикардия, мерцательная аритмия, фибрилляция желудочков, экстрасис-толия, асистолия), проводимости сердца, моментов возникновения эпизодов апноэ.
При поступлении на сервер экстренного сигнала серверное ПО инициализирует сигнал тревоги и обеспечивает графическое выделение критических участков аналитических функций обработки данных, на основе выявленных нарушений в которых был сформирован пакет данных для экстренной передачи с указанием вида нарушения (рис. 1, 2).
В настоящее время коллективом авторов также проводится работа в направлении модернизации механизма принятия решения о наступлении состояния, предшествующего критическому, и привязке к функции экстренной отправки данных на сервер за счет размещения на базе носимого монитора алгоритмов распознавания нарушений, последствием которых может являться наступление критического состояния. Посредством использования данного алгоритма будет обеспечена возможность автоматической отправки на сервер данных в экстренных случаях (не дожидаясь решения пациента). Дело в том, что пациент может не чувствовать физических проявлений предшествующего критическому состояния (не испытывать дискомфорта и болевых ощущений, не чувствовать недомогания) или просто не обращать на них внимание. Это связано как с особенностями нервной системы (в состоянии стресса у человека происходит повышение порога болевой чувствительности), так и с чисто субъективными особенностями человека (нежелание или боязнь прохождения планового осмотра, профилактики и лечения) [1].
Автоматическая экстренная отправка данных на сервер позволит в полной мере реали-
зовать функцию экспресс-диагностики в условиях амбулаторного мониторинга. В данном случае информация поступает на терминал врача в тот момент, когда необходима и еще возможна проработка решений по действиям в предстоящей критической ситуации, то есть заблаговременно, при наличии достаточного временного запаса для возможности предпринятия соответствующих мер. При этом сводятся к минимуму проявления человеческого фактора как со стороны пациента (человек не заметил ухудшения, не придал значения симптомам, не уверен в действительном наличии проявляющихся симптомов или в их значении; не хочет давать ложный вызов, принципиально не стал использовать функцию экстренной сигнализации), так и со стороны медицинского специалиста (невнимательность, возможность пропуска момента события).
Указанные средства позволяют снизить вероятность возникновения у пациента острых осложнений, летального исхода, в том числе из-за несвоевременного оказания помощи, позволить предсказывать возникновение критических нарушений. Значительным преимуществом рассмотренного способа реализации наблюдения состояния пациента в перспективе является сокращение количества обращений в медицинские учреждения (снижение загруженности стационарных лечебных учреждений), сокращение расходов на медицинские препараты и лечение в общем за счет своевременного выявления нарушений и снижения риска серьезных последствий для здоровья человека, своевременного предоставления информации врачу и тем самым предупреждения критических состояний мониторируемого. Возможность прогнозирования и оказания оперативной помощи соответственно снижает вероятность страховых случаев, что позитивно отражается на финансовом состоянии страховых компаний.
Таким образом, на примере рассмотренной системы удаленного онлайн-мониторинга кардиореспираторных параметров пациентов
40
I/IT и диагностика
www.idmz.ru
SOI 3, №5
■■■■
гш
Рис. 1. Обнаружение нарушений сердечной деятельности по ЭКГ
Рис. 2. Обнаружение возникновения эпизода апноэ по сигналу дыхания
■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■■■ ■ ■ ■ ■■ ■■ ■■■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■ ■ ■
ВрЭЧ :::: ИТ и диагностика
™ и информационные
технологии
можно выделить ряд основных преимуществ систем амбулаторной экспресс-диагностики состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека по сравнению с рассмотренными выше системами диагностики функций дыхания и сердечной деятельности:
— оперативная реакция при выявлении угрозы здоровью;
— возможность прогнозирования критических состояний;
— отсутствие зависимости правильного функционирования системы от действий пациента;
— снижение нагрузки на врача за счет использования «умных» программных алгоритмов;
— сокращение нагрузки на аппарат здравоохранения в целом;
— сокращение расходов страховых учреждений за счет снижения вероятности страховых случаев;
— сокращение личных расходов пациента на лечение (лечебные процедуры, медикаменты).
Указанные преимущества могут быть использованы для организации сервиса амбулаторной экспресс-диагностики состояния сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека в качестве поддержки для системы здравоохранения, обеспечивающего улучшение качества обслуживания населения, снижение риска осложнения заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной систем, летальных исходов.
Заключение
Хотя на сегодняшний день на рынке медицинских устройств представлено значительное количество систем, обеспечивающих мониторинг дыхательной и сердечной деятельности пациентов за рамками стационара в условиях повседневной деятельности, большинство из них не позволяют производить экспресс-анализ данных, что крайне важно ввиду того, что острые нарушения могут проявляться внезапно для человека, соответственно врач должен стабильно снабжаться актуальной информацией о состоянии пациента. При этом информация должна доходить до него оперативно, в «готовом» виде, то есть содержать данные программного анализа, не требующие дополнительной обработки, с метками обнаружения нарушений, представляющих опасность для здоровья пациента. Указанный функционал реализован в разработанной коллективом авторов системе удаленного онлайн-мониторинга кардиореспираторных параметров пациентов. При этом, в отличие от многих решений, представленных в обзорной части настоящей статьи, участие пациента в процессе мониторинга не требуется, что минимизирует негативные влияния со стороны мониторируемого на результаты диагностики. За счет указанных преимуществ предлагаемое решение позволит повысить качество обслуживания пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями и дыхательными нарушениями, снизить нагрузку как на отдельно взятого врача, так и на систему здравоохранения в целом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Судаков К.В., Юматов ЕЛ. Профилактика нарушений жизненно важных функций организма в реальной повседневной жизни//Профилактика заболеваний и укрепление здоровья. — 1999. — № 3. — С. 13-18.
2. Компьютерный электрокардиограф Валента ЭКГК-02. URL: http://www.valenta.spb.ru/ elektrokardiografi/kompiuterniy-elektrokardiograf/ (Дата обращения: 15.07.2013).
42
I/IT и диагностика
www.idmz.ru
SOI 3, №5
■■■■
гш
3. Холтеровский монитор DigiTrak XT. URL: http://www.healthcare.phi-
lips.com/ru_ru/ products/cardiography/products/holter/holter_xt.wpd (Дата обращения: 15.07.2013).
4. Комплекс Холтеровского мониторирования ЭКГ Валента МН-02-8. URL: http://www.valenta.spb.ru/monitorirovanie/ekg/ (Дата обращения: 15.07.2013).
5. Al ice PDx portable sleep diagnostic system. URL: http://www.healthcare.philips.com/ /main/homehealth/sleep/alicepdx/default.wpd (Дата обращения: 15.07.2013).
6. ATES MEDICA Device Easy ECG pocket. URL: http://www.atesdevice.it/site/ecg/ /ecgpocket.html (Дата обращения: 15.07.2013).
7. CardioMEM CM 4000 multi-channel ECG recorder. URL: http://www3.gehealthca-re.co.uk/en-GB/Products/Categories/Diagnostic_Cardiology/Ambulatory_ECG/ CM4000#tabs/tab4E45F0D2A46843769C8A229AACF81 1C0 (Дата обращения:
15.07.2013) .
8. CardioMera device — ECG Holter monitor system. URL: http://www.meditech.hu/ /ecg-holter-monitors/cardiomera-device-ecg-holter-monitor-system.html (Дата обращения: 15.07.2013).
9. Chen H, Lowe A.A., Bai Y, Hamilton P., Fleetham J.A., Almeida F. R. Evaluation of a portable recording device (ApneaLink) for case selection of obstructive sleep apnea //Sleep Breath. — 2009. — Vol. 13. — Is. 3. — P. 213-219.
10. FickerJ.H, Wiest G.H., Wilpert J., Fuchs F.S., Hahn E.G. Evaluation of a portable recording device (Somnocheck) for use in patients with suspected obstructive sleep apnoea//Respiraton. — 2001. — Vol. 68. — Is. 3. — P. 307-312.
11. Holter ECG: Medilog AR12plus. URL: http://www.schiller.ch/#verz-schiller$_87_113$ (Дата обращения: 15.07.2013).
12. Sweeney K.T., MitchellM, Gaughran J., Kane T, Costello R., Coyle S., O'Connor N.E, Diamond D. Identifcation of sleep apnea events using discrete wavelet transform of respiration, ECG and accelerometer signals//Body Sensor Networks 2013, 5-10 May. Boston, MA, 2013.
13. Langzeit-EKG Recorder Telesmart. URL: http://www.medset.com/ekg-verstaerker-bluetooth0.html (Дата обращения: 15.07.2013).
14. Ng S.S., Chan T.O., To K.W., Ngai J., Tung A., Ko F.W., Hui D.S. Validation of Embletta portable diagnostic system for identifying patients with suspected obstructive sleep apnoea system (SOAS)//Respirology. — 2010. — Vol. 15. — Is. 2. — P. 336-342.
15. Rate of obstructive sleep apnea high among men in Saudi Arabia. URL: http://www.saudigazette.com.sa/index.cfm?method = home.regcon&contentid = =20130107148346 (Дата обращения: 15.07.2013).
16. Santulli G. Epidemiology of Cardiovascular Disease in the 21st Century: Updated Numbers and Updated Facts//Journal of cardiovascular disease. — 2013. — Vol. 1. — Is. 1. — P. 1-2.
17. Seer Light extend compact Holter recorders. URL: http://www3.gehealthca-re.co.uk/en-GB/Products/Categories/Diagnostic_Cardiology/Ambulatory_ECG/ /SEER_Light#tabs/tabB2577E9621 CB4E34ABE610CF92DB029C (Дата обращения:
15.07.2013) .
18. The E uropean health report 2012: charting the way to well-being. Executive summary. — World Health Organization, 2013. — 15 p.
■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ 43 ■
