Приборно-компьютерные системы

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ
ГОУ СПО «БАЛЕЙСКОЕ МЕДИЦИНСКОЕ УЧИЛИЩЕ (ТЕХНИКУМ)»
Раздел: «Информационное обеспечение
профессиональной деятельности»
Тема: «Приборно-компьютерные системы»
Преподаватель Золотарев А.А.
Тема: «Приборно-компьютерные системы».
Цели:
- сформировать представление о медицинских приборно-компьтерных системах.
- знать основные принципы построения. Аппаратное и программное обеспечение.
Мотивация занятия: знание медицинским работником процессов информатизации в области здравоохранения, основных принципов и задач информационного
обеспечения профессиональной деятельности.
Приложение №1
Понятие о медицинских приборно-компьютерных системах
Важной разновидностью специализированных медицинских информационных систем являются
медицинские приборно-компьютерные системы.
В настоящее время одним из направлений информатизации медицины является компьютеризация
медицинской аппаратуры. Использование компьютера в сочетании с измерительной и управляющем техникой в медицинской практике позволило создать новые эффективные средства для обеспечения автоматизированного сбора информации о состоянии больного, ее обработки в реальном
масштабе времени и управления его состоянием. Этот процесс привел к созданы медицинских приборно-компьютерных систем (МПКС), которые подняли на новый качественный уровень инструментальные метод исследования и интенсивную терапию.
МПКС предназначены для информационной поддержки и/ил автоматизации диагностического и
лечебного процесса, осуществляемых при непосредственном контакте с организмом больного
(например, При проведении регистрации физиологических параметров).
МПКС называют также программно-аппаратными комплексам (устройствами, средствами) или,
более развернуто, приборно-компютерными и микропроцессорными медико-технологическими автоматизированными информационными системами.
МПКС относятся к медицинским информационным системам базового уровня, к системам информационной поддержки технологических процессов (медико-технологическим ИС).
Основное отличие систем этого класса — работа в условиях непосредственного контакта с объектом исследования и, как правил в реальном режиме времени. Они представляют собой сложные
программно-аппаратные комплексы. Для работы МПКС, помимо вычислительной техники, необходимы специальные медицинские приборы, оборудование, телетехника, средства связи.
Типичными представителями МПКС являются медицинские системы мониторинга за состоянием
больных, например, при проведении сложных операций или в условиях высокого риска развит] тяжелых осложнений; системы компьютерного анализа данных томографии, ультразвуковой диагностики, ЭЭГ, ЭКГ, системы автоматизированного анализа данных микробиологических, вирусологических исследований, анализа клеток и тканей человека.
Системы этого класса позволяют повысить качество профилактической и лечебнодиагностической работы, особенно в условии; массового обслуживания при дефиците времени и
квалифицированных специалистов. МПКС обеспечивают решение задач по о ному из важнейших
направлений Концепции информатизации здравоохранения: увеличение производительности труда
медицинскую работников и повышение качества лечебно-диагностического процесса, путем внедрения компьютерных технологий в диагностику лечение.
Существенное повышение качества диагностического и лечебного процесса в современных
МПКС достигается за счет скорости полноты обработки медико-биологической информации. Однако э результаты получены за счет определенного усложнения систем! что предъявляет уже к пользователю-врачу специфические дополнительные требования. Причем, если еще совсем недавно, когда системы создавались в единственном экземпляре в соответствии с пожеланиями заказчика, от
врача требовалось правильно поставив задачу разработчикам, то теперь, когда значительное количество МПКС заполнили рынок, перед врачом встают проблемы правильного выбора системы и ее
последующего освоения. Знание принц пов организации программного и аппаратного обеспечения
МГП< является необходимым условием их приобретения, освоения и дальнейшей эксплуатации.
Настоящая глава написана с учетом новых задач, встающих перед врачом, желающим использовать МПКС в своей работе. Изложение материала дает возможность неспециалисту получить необходимые сведения о современных медицинских приборно-компьютерных системах .
Краткая историческая справка
В конце 60-х годов применение средств вычислительной техники в медицинской аппаратуре позволило перейти к разработке принципиально новых устройств. Развитие шло в двух встречных
направлениях: 1) оснащение медаппаратуры специализированными вычислительными устройствами и 2) подключение медаппаратуры к универсальным ЭВМ.
Первое направление развивалось в основном производителями медаппаратуры и начиналось с
применения простейших микроконтроллеров, с помощью которых осуществлялись управление и
несложная обработка информации. Вычислительная мощность таких приборов позволяла проводить расчеты лишь после того, как врач провел обследование. Результаты выводились, как правило,
на цифровое табло. Программы, поддерживающие работу прибора, были небольшими и хранились
в постоянном запоминающем устройстве. Обычно программы писались непосредственно самими
разработчиками прибора, так как каждый прибор был индивидуален, а также существовала очень
жесткая связь с проектируемым оборудованием.
Второе направление развивалось в медицинских научно-исследовательских институтах, оснащенных универсальными ЭВМ. Здесь ЭВМ сопрягали со стандартной медаппаратурой. Так, к середине 70-х годов были разработаны автоматизированные системы для использования в клинике. Одними из первых были мониторно-компьютерная система «Симфония» для слежения за состоянием
больных во время хирургических операций (ВНЦХ, Москва, 1973), автоматизированная система
обеспечения решений врача АСОРВ (ИССХ, Москва, 1975). Появляются первые управляющие системы, например, системы автоматизированного управления состоянием больных при ганглионарной блокаде и гипертензивных состояниях (ЛенГИДУВ, 1972).
С развитием средств вычислительной техники недостатки каждого из направлений (низкие вычислительные возможности первого и дороговизна и громоздкость второго) снижались, возможности постепенно выравнивались.
С появлением персональных компьютеров и их применением в медицинских приборах произошел еще один качественный скачок п медицинской технике. Благодаря универсальности и повышению вычислительной мощности слияние медицинского устройства и компьютера позволило добиться отличных результатов.
К настоящему моменту можно считать, что оба направления практически полностью сблизились
и МПКС со встроенными специализированными ЭВМ обладают такими же возможностями обработки медицинской информации, что и системы, построенные с использованием универсальных
ЭВМ.
Классификация медицинских приборно-компьютерных систем
По функциональным возможностям МПКС подразделяются на: специализированные, многофункциональные и комплексные. Специализированные (однофункциональные) системы предназначены
для проведения исследований одного вида (например, электрокардиографических).
Многофункциональные системы позволяют проводить исследования нескольких видов (например, электрокардиографические и электроэнцефалографические).
Комплексные системы обеспечивают комплексную автоматизацию важной медицинской задачи.
Например, мониторная система для автоматизации палаты интенсивного наблюдения, позволяющая
отслеживать важнейшие физиологические параметры пациентов, а также контролировать функционирование аппаратов искусственной вентиляции легких.
В данной главе ограничимся в основном рассмотрением специализированных систем.
По назначению МПКС могут быть разделены на ряд классов. К ним относятся:
— системы для проведения функциональных и морфологических исследований;
— мониторные системы;
—- системы управления лечебным процессом;
— системы лабораторной диагностики;
—системы для научных медико-биологических исследований.
Широкое распространение получают системы для проведения функциональных и морфологических исследований.
С их помощью осуществляются:
—исследования системы кровообращения;
—исследования органов дыхания;
—исследования головного мозга и нервной системы;
—исследования органов чувств (зрение, слух и т. д.);
— рентгенологические исследования (в том числе компьютерная томография);
— магнито-резонансная томография;
— ультразвуковая диагностика;
— радионуклидные исследования;
— тепловизионные исследования.
Мониторные системы предназначены для длительного непрерывного наблюдения за состоянием
пациента в первую очередь в палатах интенсивной терапии, операционных и послеоперационных
отделениях.
К системам управления процессами лечения и реабилитации относятся автоматизированные системы интенсивной терапии, системы биологической обратной связи, а также протезы и искусственные органы, создаваемые на основе микропроцессорной технологии.
К системам для лабораторной диагностики относятся системы, предназначенные для автоматизированной обработки данных лабораторных исследований. В их число входят системы для анализа
биосред и биожидкостей организма больного (крови, мочи, клеток, тканей человека и т. п.), данных
микробиологических и вирусологических исследований, иммуноферментных исследований и другие.
Системы для научных медико-биологических исследований отличаются более широкими возможностями, позволяющими осуществлять, более детальное и глубокое изучение состояния орга-
низма больного. Кроме того, системы для научных исследований позволяют проводить исследования на животных.
Основные принципы построения МПКС
Структура МПКС
В МПКС можно выделить три основные составляющие: медицинское, аппаратное и программное
обеспечение.
Медицинское обеспечение любой медицинской системы — это комплекс медицинских предписаний, нормативов, методики правил, обеспечивающих оказание медицинской помощи посредством
этой системы. Применительно к МПКС медицинское обеспечение включает в себя способы реализации выбранного круга медицинских задач, решаемых в соответствии с возможностями аппаратной и программной частей системы. К медицинскому обеспечению относятся наборы используемых методик, измеряемых физиологических параметров и методов их измерения (точность, пределы и т. д.), определение способов и допустимых границ воздействия системы на пациента, другими
словами, медицинское обеспечение включает в себя методические и метрологические вопросы.
Под аппаратным обеспечением понимают способы реализации технической части системы,
включающей средства получения медико-биологической информации, средства осуществления лечебных воздействий и средства вычислительной техники.
В качестве вычислительного средства в МПКС используют как специализированные микропроцессорные устройства, так и универсальные ЭВМ. В обоих случаях принципы построения аппаратного обеспечения аналогичны. В то же время включение в состав аппаратной части компьютеров
позволяет использовать стандартны! программные продукты и стандартные средства хранения информатизации, такие как лазерные диски, накопители на жестких магнитим дисках, гибкие диски и
прочее.
В простейшем типовом случае аппаратная часть системы включает медицинский диагностический прибор, устройство сопряжения и компьютер.
К программному обеспечению относят математические метод обработки медикобиологической информации, алгоритмы и собственно программы, реализующие функционирование
всей системы. Медицинское обеспечение разрабатывается постановщикам задач — врачами соответствующих специальностей, аппаратное инженерами, специалистами по медицинской и вычислительной тех нике. Разработка специализированных микропроцессорных устройств ложится на специалистов по микроэлектронике. Программное обеспечение создается программистами или специалистами ми компьютерным технологиям.
Подключение внешних устройств к компьютеру Как указывалось в п. 1.2.2., основными блоками компьютера, предназначенными для подключения внешних устройств, являются порты и
разъемы расширения. Порты служат для ввода данных, представленных в определенном виде, т. е.
поддерживают определенный интерфейс. Под интерфейсом понимают технические средства и протоколы взаимодействия, предназначенные для стыковки и напряжения всех составных частей системы. В компьютерах используются так называемые малые интерфейсы периферийного оборудования: последовательный (RS-232C) и параллельный .
Последовательный порт поддерживает интерфейс RS-232C. В ном случае передача данных осуществляется последовательно во времени поразрядно (бит за битом). Преимуществом последовательного интерфейса является возможность передачи данных на большие расстояния (до нескольких километров). Недостатком является относительно низкое быстродействие. Он применяется для
связи с медапнаратурой, другими компьютерами и т. д.
Параллельный порт поддерживает интерфейс Centronics. В этом случае передача данных осуществляется сразу по целому байту (К разрядов) по параллельным проводам. Преимуществом параллельного интерфейса является быстродействие, недостатком — возможность передачи только на
малые расстояния (до нескольких метров). Обычно применяется для связи с принтерами.
Разъемы расширения используются для непосредственного подключения внешних устройств к
шине компьютера, т. е. используется машинный интерфейс. Это самый быстродействующий интерфейс, но и расстояние его минимально, т. е. само устройство должно располагаться непосредственно в корпусе системного блока.
Аппаратное обеспечение МПКС
Аппаратная часть системы включает в себя медицинскую аппаратуру, в пособии не рассматриваемую, средства связи и компьютер. Для ввода в компьютер аналоговых сигналов медицинской аппаратуры их необходимо не только преобразовать в цифровую форму, но и привести в соответствие с
некоторыми интерфейсами. Для этого необходимо устройство.
Способы организации связи с объектом исследования. Типичный вариант интерфейса для связи
между медико-биологическими измерительными и исполнительными устройствами с компьютером
представлен на рис. 8.5. В этом случае устройства сопряжения включают в себя, как минимум, аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.
Аналоговый мультиплексор — устройство, предназначенное для поочередного подключения каналов съема информации ко входу АЦП. Цифроаналоговый преобразователь служит для преобразования цифровых сигналов компьютера в аналоговую форму.
Система работает следующим образом. Значения входных сигналов (например, температуры тела,
артериального давления и частоты сердечных сокращений) преобразуются датчиками в электрические сигналы. Эти электрические сигналы нормируются учетом рабочих диапазонов аналогового
мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя. Аналоговый мультиплексор в каждый момент времени последовательно выбирает один из входных сигналов и передает его в АЦП. Данные,
полученные через интерфейс АЦП, обрабатываются компьютером и затем пересылаются в форме
двоичного кода в интерфейс ЦАП. Последний преобразует двоичные сигналы в аналоговые для
обеспечения управления соответствующими физиологическими параметрами организма (температура тела, артериальное давление, частота сердечных сокращений), например, путем введения необходимых лекарственных средств, что позволяет осуществить систему управления с обратной связью.
Основными путями реализации интерфейсов в рассматриваемом типовом случае являются следующие:
1. Использование малых интерфейсов периферийного оборудования и устройств общего пользования компьютера.
2. Непосредственное использование машинных интерфейсов компьютера.
Наиболее частым вариантом реализации взаимодействия компьютер — внешняя среда в МПКС
является использование типовых малых интерфейсов периферийного оборудования. В компьютерах
типа IBM PC, как указывалось выше (п. 8. 4. 2), в качестве малых интерфейсов используются последовательный интерфейс RS-232C и параллельный интерфейс Centronics. Рассмотрим вариант использования последовательного интерфейса RS-232C
В этом случае значения аналоговых сигналов подаются на мультиплексор и АЦП, управляемые
микропроцессором, который являются составной частью средств сопряжения и выполняет роль
вычислительного устройства нижней ступени в иерархической системе автоматизации лечебнодиагностического процесса. Микропроцессор позволяет также осуществить предварительный анализ биосигналов, что уменьшает объем передаваемой информации. Использование типовых малых
интерфейсных ЭВМ представляется особенно перспективным при совершенствовании полифизиографических и мониторных систем. Поэтому вычислительная часть современной медицинской аппаратуры снабжена выходом для подключения к последовательному порту компьютера.
Другим путем решения задачи взаимодействия компьютера с внешней средой является использование собственно машинных интерфейсов. Этот путь стал возможным благодаря повышению уровня интеграции больших интегральных схем (БИС). Уже созданы одноплатные устройства сопряжения, содержащие и мультиплексор, и АЦП (ЦАП). Они обладают высокими возможностями по таким важнейшим характеристикам как быстродействие, точность и число дослуживаемых каналов.
Плата помещается в стандартный разъем расширения современного компьютера. В этом случае при
наличии соответствующих драйверов (вспомогательной программы для управления устройством
сопряжения) управление вводом-выводом медико-биологических сигналов не составляет трудности.
Важным преимуществом использования машинных интерфейсов является достижение максимально возможного быстродействия, определяемого уже характеристиками самой ЭВМ.
Программное обеспечение МПКС
Программное обеспечение (ПО) МПКС не менее важно чем аппаратное, т. е. техническое. Наиболее
совершенные устройства оснащены так называемым «интегрированным» ПО, благодаря которому
врач получает целостную систему, охватывающую весь процесс исследования, включающий этапы
подготовки, проведения исследования и обработки данных. В таком ПО выделяют шее и. основных
функциональных разделов (модулей):
1) подготовка обследования;
2) проведение обследования;
3) просмотр и редактирование записей;
4) вычислительный анализ;
5) оформление заключения;
6) работа с архивом. Ниже рассмотрим состав программного обеспечения МПКС м
основном применительно к системам для функциональных исследований, как являющихся наиболее распространенными. Отличительные особенности программного обеспечения отдельных видов
си тем будут рассмотрены в соответствующих разделах.
Подготовка обследования. В этом модуле обычно осуществляется выбор методики обследования пациента. Например, для ре графической системы выбирают одну из следующих методик: тетра полярную, по Кубичеку, по Тищенко и др. Далее выбирают число каналов поступления информации, регистрируемой в данном исследовании. Устанавливают характеристики каналов, коэффициенты их усиления, калибровки, частоты дискретизации и т. п. Проводят установку датчиков на
пациенте и их подключение к системе. Устанавливают режимы выполнения исследования, характеристики функциональных проб, режимы записи в буфер (заранее выделенный участок оперативной
памяти), отображения данных на экране монитора. Кроме того, заполняется паспортный бланк испытуемого. Все эти установки врача запоминаются в дисковом файле и в дальнейшем выполняются
автоматически.
Проведение обследования. Традиционно в данном модуле пр изводится отладка съема биоэлектрических сигналов и запись их согласно сделанным установкам с параллельным отображением их
на экране монитора для визуального наблюдения и контроля. Кроме того, многие такие системы
содержат средства ручного управления как записью, так и стимуляторами. Наиболее совершенные
системы содержат также средства экспресс-анализа и визуализации их результатов в режиме реального времени, что позволяет клиницисту выделять уникальные, стационарные или конституциональные сегменты изменения сигнала для записи их в буфер или на диск, и также при необходимости реализовывать терапевтические методики биологической обратной связи.
Просмотр и редактирование записей. По окончании обследования необходимо просмотреть
полученные записи, чтобы выделить сегменты; представляющие интерес для дальнейшего анализа,
и удалить артефакты.
Обычными средствами здесь являются плавное движение записи, масштабирование и позиционирование каналов, а также использование подвижных визиров для считывания амплитуд и временных интервалов или для выделения и удаления участков записи.
Более совершенные системы предлагают дополнительные средства: автоматический поиск артефактов, фильтрацию сигнала, выделение экстремумов, вычитание или сложение сигналов по двум
выбранным каналам, оценку площади на характерных участках и т. п.
Вычислительный анализ. Этот модуль включает разнообразные методы анализа записей и графического представления результатов. Так, например, одним из весьма динамичных физиологических показателей является ЭЭГ. В качестве базового математического метода здесь обычно используют Фурье-анализ с вычислением различных частотных характеристик (амплитуда, мощность, когерентность, фаза) и обобщенных параметров в выделенных частотных диапазонах (дельта, бета,
альфа, бета) с изучением их временной и пространственной эволюции. Традиционным способом
представления результатов является построение различных диаграмм и цветных карт (томограмм)
распределения тех или иных характеристик ЭЭГ на поверхности головы. В настоящее время получила распространение электроэнцефалографическая томография, заключающаяся в вычислении
трехмерных дипольных моделей локализации источников ЭЭГ-сигнала (например, система
BrainLock). Такие модели полезны при определении морфологических нарушений, связанных с пароксизмалыюй активностью мозга.
При анализе ЭКГ, являющейся следующим по степени сложности физиологическим показателем,
первостепенный интерес для врача представляют временная эволюция и статистика распределения
структурных параметров: временных интервалов (RR, PQ, QRS, ST) и амплитуд (Р, R, ST, Т) с выдачей описательной статистики, временных графиков, гистограмм и диаграмм рассеяния.
Оформление заключения. Словесное заключение, которое делается по результатам анализа и
сопровождает конкретную запись биосигналов, необходимо для документального завершения проведенного исследования. Однако автоматизация процесса оформления заключения встречает значительные трудности, характерные для разработки экспертных систем.
Поэтому в большей части МПКС генерация заключения осуществляется самим клиницистом без
использования каких-либо «экспертных оболочек», путем выбора соответствующих полей in заранее созданной и предлагаемой ему так называемой «древовидной классификации» возможных отклонений от нормы, симптомов, синдромов и нозологических форм. Даже в системах, где реализованы алгоритмы автоматической генерации заключения, такие заключения следует рассматривать
лишь как предварительные, предназначенные для того, чтобы обратить внимание клинициста на
основные отклонения измеряемых параметров от пред лов физиологической нормы. Такие предварительные заключен нуждаются в дальнейшей верификации и ручной корректировке.
Работа с архивом. Структурированное хранение результатов физиологических обследований дает возможность оперативно анализировать их динамику, зарегистрированную в разное время, также
позволяет быстро генерировать статистические и отчетные материалы.
В этот же модуль нередко включают специальный интерфейс для создания банка нормативных
записей (как индивидуальных, гак и усредненных), а также справочника записей, характерных для
различных патологий.
Интерфейс пользователя. Современное ПО должно обеспечивать так называемый «дружественный» интерфейс пользователя. Дружественный интерфейс подразумевает наглядное представление информации на экране монитора, использование набора «меню» и манипулятора «мышь»,
наличие как контекстнозависимой справочной системы, так и справочной системы по оглавлению,
лояльность к ошибкам пользователя, в частности, присутствие требования подтверждения при выполнении команд, ведущих к потере информации, и другие возможности, облегчающие работу с
системой.
Хотя в последнее время ПО МПКС создается для работы в среде Windows XP, существует значительное количество систем, предназначенных для функционирования под управлением операционной системы MS-DOS. Это связано с тем, что в настоящее время в медицинских учреждениях работает значительное количество компьютеров с процессорами типов 386 и 286.
Приложение №2
Контрольные вопросы.
1. Что такое медицинская приборно-компьютерная система?
2. Какие разновидности МПКС используются в медицинской практике?
3. Каковы основные задачи МПКС?
4. Что такое МПКС для функциональных исследований?
5. В чем заключаются основные особенности мониторных МПКС?
6. Какие задачи решают МПКС для управления лечебным процессом?