На правах рукописи

Лебидько Леонид Михайлович

Проектирование и реализация информационной системы

телемедицинского центра на базе

международных стандартов

Специальность 05.13.11 – «Математическое обеспечение вычислительных

машин, комплексов и компьютерных сетей»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Главном научно-исследовательском вычислительном центре Управления делами Президента РФ

Научный руководитель: Доктор технических наук, Аведьян Эдуард Дзеронович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, Кульба Владимир Васильевич Кандидат технических наук, Чернов Борис Исаакович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО)

Защита состоится 27 мая 2008 на заседании диссертационного совета Д212.133.01 при Московском государственном институте электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «ГлавНИВЦ» Управления делами Президента РФ.

Автореферат разослан «_» апреля 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.133.01, к.т.н., доцент Бузников С.Е.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современное состояние здоровья населения и реформы здравоохранения в России выдвигают задачу повышения уровня и качества медико-санитарной помощи. В ситуации недостатка опыта лечащего врача проводятся медицинские консилиумы или консультации с более опытными коллегами. Однако часто более опытный консультант находится на значительном расстоянии от пациента. В современных условиях данная проблема решается при помощи телемедицины – дистанционного оказания консультативных услуг с использованием телекоммуникационных технологий.

Телемедицинские технологии находят широкое применение в различных областях клинической медицины. Существуют различные направления использования телемедицины в практической деятельности врача. В рамках диссертации рассматривается наиболее распространенная телемедицинская услуга плановые телемедицинские консультации. Объектом – телеконсультации является клинический случай конкретного пациента. При плановых телеконсультациях врачу-консультанту заранее передаются электронные медицинские документы, которые позволяют ему ознакомиться с клиническим случаем и при необходимости запросить у консультируемого врача дополнительную информацию перед сеансом видеосвязи.

Как показывает опыт различных телемедицинских пунктов, проведению телемедицинских мероприятий в режиме реального времени предшествует большая подготовительная работа по обмену информацией.

В настоящее время эта работа ведется в основном с помощью электронной почты и передачи файлов по протоколу FTP, что создает массу неудобств. Для обеспечения эффективного информационного взаимодействия участников телемедицинских мероприятий на этапах их подготовки и завершения необходима гибкая среда совместной работы, с интегрированными средствами подготовки документов.

Важнейшим показателем качества функционирования телемедицинской системы является скорость подготовки к проведению консультации. Скорость проведения консультации определяется не только численностью персонала, но и организацией процесса телеконсультации.

Таким образом, актуальна задача создания информационной системы обеспечивающей качественную подготовку и проведение плановых телемедицинских консультаций в России. На сегодняшний день существует ряд не решенных проблем связанных со стандартизацией электронных медицинских документов и электронным медицинским документооборотом.

Цель диссертационной работы состоит в формализации и развитии методов построения телемедицинских систем в России. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

• Анализ современного состояния технологий сбора, хранения и обмена консультациях.

• Построение информационной модели взаимодействия участников телеконсультации. Определение методов анализа качества построенной модели. Получение сравнительной математической оценки различных технологий проведения телеконсультаций.

• Разработка структуры телемедицинского портала на основе полученной • Анализ и модификация крупнейшего международного медицинского информационного стандарта CDA (Clinical Document Architecture) к условиям Российского здравоохранения. Построение информационной структуры расширяющей и усиливающей стандарт CDA.

• Программная реализация телемедицинского портала для обмена стандартизованными медицинскими документами.

Методы исследования. В диссертации применялись методы теории вероятности, теории массового обслуживания, объектно-ориентированного анализа и проектирования программного обеспечения.

Научная новизна работы. На сегодняшний день в большинстве Российских публикаций проблема телемедицины освящается в основном с медицинской точки зрения. В работах по данной теме с техническим подходом моделируется лишь процесс самой телеконсультации или делается излишний акцент на конкретном оборудовании обеспечения видеоконференцсвязи.

телемедицинской системы, формализован процесс ее построения. Приведены методы, позволяющие оценить эффективность работы телемедицинского центра. Предложена реализация системы на основе построенной модели.

Рассмотрен наиболее распространенный стандарт электронных медицинских документов – CDA. Предложены методы, позволяющие расширить данный стандарт в соответствии с нормативными документами и законами РФ. Введен новый класс стандартизованных медицинских документов. Рассмотрены способы усиления стандарта для ускорения машинной обработки документов.

Практическая ценность. Разработанная модель телемедицинского портала и адаптированный стандарт CDA для передачи медицинской информации могут применяться для создания Российских телемедицинских пунктов. Кроме того, методы адаптации стандарта CDA могут быть использованы для широкого спектра информационных медицинских систем.

Практическое применение. Разработанная модель телемедицинского портала и адаптированный стандарт CDA реализованы в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 – 2006 годы»

стандартизованными документами на основе Интернет- и Интранет-порталов для ускорения документооборота в медицинских учреждениях страны».

Апробация результатов работы.

представлены:

1. В докладе «Перспективные технологии к организации и проведению телемедицинских консультаций», Э.Д. Аведьян, Д.М. Башлай, И.В. Емелин, телекоммуникационные технологии в медицинской практике», 25 мая года;

2. В докладе «Адаптация стандартов передачи электронных медицинских документов при телеконсультации», прочитанном на семинаре ГлавНИВЦ, ноября 2007 года;

поликлиники», прочитанном на научно-практической конференции, посвященной 50-летию ЦКБ, 13 ноября 2007 года;

4. В докладе «Интегрированная система архивирования и передачи медицинских изображений», прочитанном на научно-практической конференции, посвященной 50-летию ЦКБ, 13 ноября 2007 года;

5. В докладе «Проектирование и реализация информационной системы телемедицинского центра на базе международных стандартов», прочитанном на семинаре Московского государственного института электроники и математики, 1 декабря 2007 года.

6. В докладе «Проектирование и реализация информационной системы телемедицинского центра на базе международных стандартов», прочитанном на научно-техническом совете ГлавНИВЦ, 21 февраля 2008 года.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

• Результаты теоретического исследования процесса телеконсультации.

телемедицинского центра.

• Методы адаптации международного стандарта CDA, используемого для передачи электронных медицинских документов при телеконсультации, к условиям российского здравоохранения.

• Практические результаты исследований. Реализация системы обмена стандартизованными медицинскими документами во время процесса подготовки и проведения телеконсультации.

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется публикаций в Российских научных журналах. Кроме того, результаты работы включены в Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка системы электронного обмена стандартизованными документами на основе Интернет- и учреждениях страны (№ ГР 01 2006 01039).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения, списка использованных источников, списка сокращений, списка иллюстраций и списка таблиц. В конце каждой главы сформулированы основные выводы и перечислены полученные результаты. Объем работы – библиографический список включает в себя 85 наименований.

Содержание работы исследования, а также даны основные положения, выдвигаемые на защиту.

телеконсультации.

Рассмотрены основные этапы проведения врачебной телемедицинской консультации в реальном времени. Установлено, что в процессе подготовки телеконсультации порождается множество действий, связанных с передачей и сопровождается передачей заявок, выписок, заключений между участниками.

Сценарий подготовки и проведения телеконсультации может быть представлен в виде диаграммы деятельности на языке UML (Рисунок 1), которая будет служить базовой моделью подготовки телеконсультации.

Как видно из представленной диаграммы, большинство действий при подготовке и проведении телеконсультации проходит без участия или с частичным участием, как лечащего врача, так и врача-консультанта.

Рисунок 1 Диаграмма деятельности при проведении современной Из диаграммы деятельности следует, что значительную часть времени подготовки и проведения телеконсультации занимает техническая подготовительная работа.

Анализ качества функционирования телемедицинского пункта (ТМП) реализуется путем построения математической модели. В работе использован математический аппарат теории случайных процессов.

Пусть m – максимальная длинна очереди заявок. Следовательно, в системе может находиться от 0 до L = n + m заявок (n – количество диспетчеров). Число заявок k, присутствующих в системе определяют ее состояние S k (t ) = S k.Пусть процесс перехода телемедицинской системы между состояниями представляет собой случайный процесс с дискретным временем и дискретным множеством состояний системы S0, S1,..., S L. Шаг процесса – переход системы из одного состояния в другое через равные промежутки времени. Считаем, что вероятность перехода в новое состояние не зависит от шага процесса. Пусть известна матрица переходов телемедицинской системы за шаг процесса Q, где qi, j – вероятность перехода телемедицинской системы из состояния Si в состояние S j за шаг процесса.

В общем случае поток заявок на консультацию является случайным процессом. Модели потоков могут обладать следующими свойствами:

• стационарность – независимость от времени;

• отсутствие последействия – независимость от предыдущего состояния;

• ординарность – появление одновременно только одной заявки.

Несмотря на то, что условия стационарности и отсутствия последействия не выполняются со всей определенностью, мы можем считать, что простейший поток (стационарный, ординарный поток с отсутствием последействия) с высоким приближением отражает процесс поступления заявок в систему.

Т.к. процесс поступления заявок простейший, то в матрице Q не нулевыми будут являться только вероятности вида qi, i+1, qi+1, i и qi,i. Можно представить этот процесс в виде направленного графа, вершинами которого являются состояния системы S0, S1,..., S L, а ребрами – возможные переходы с соответствующими вероятностями из одного состояния в другое (Рисунок 2):

В диссертации показано, что для простейшего потока, которому соответствует ленточная матрица Q, имеет место следующее рекуррентное Из которого следует:

где – среднее число заявок на консультации, которые поступают в единицу времени (интенсивность заявок); µ – среднее число обработанных одним диспетчером заявок в единицу времени. Поскольку для простейшего потока в единицу времени поступает либо обрабатывается не более одной заявки, то выражения для условных вероятностей перехода qi, i+1 и qi+1, i имеют вид:

где n число диспетчеров в телемедицинской системе.

где 0 < k n, Sk – состояния, в которых очереди нет.

где n < k L, S k – состояния, в которых очередь есть.

При условии стационарности < n :

Используя систему формул (5), (6) и (7), можно определить основные параметры функционирования телемедицинской системы.

Как видно из приведенных выше формул, параметры работы ТМП напрямую зависит от количества и интенсивности работы диспетчеров.

Для проведения телеконсультации необходимо передать результаты исследований удаленного пациента врачу-консультанту. Часто передаваемые результаты лучевых исследований занимают большой объем памяти (до Мб) и передача их посредством электронной почты не возможна. В связи с этим при любой технологии подготовки телеконсультации необходимо хранилище информации, доступное для участников телеконсультации.

подготовки телеконсультации с использованием технологии ftp-сервера подробно описан при помощи диаграммы UML в диссертации. Было показано, что большая часть времени тратится диспетчером на согласование стандартов предоставляемой информации и технические письма. Следовательно, для сокращения времени подготовки телеконсультации, необходимо создать автоматизированную информационную систему (ИС) ТМП. Для подобных систем используют порталы интернет-сайты, обеспечивающие персонализированные возможности для посетителей. Подробное описание телемедицинского портала приведено в 3 главе настоящей диссертации.

При использовании ИС ТМП можно стандартизировать передаваемую информацию. Таким образом, имеет место задача создания электронных форм, соответствующих бумажным формам Российской медицинской документации.

Действия диспетчера при использовании информационной системы существенно сокращаются. Основная работа осуществляется консультантом и лечащим врачом через ИС. Диаграмма деятельности для портальной технологии приведена в диссертации. Анализ статистических данных полученных в результате внедрения портала проведен в 4 главе.

В рамках первой главы получены следующие выводы и результаты:

1. Большинство публикаций по телемедицине в нашей стране посвящено медицинской составляющей процесса телеконсультации и подбору аппаратной базы. Укрупнение телемедицинских центров в России требует анализа организации самого процесса телеконсультации.

2. Рассмотрена последовательность действий врачей и обслуживающего персонала во время подготовки и проведения телеконсультации. Для построения модели деятельности телемедицинского центра использован язык UML. Полученная модель может быть использована при автоматизации ТМП.

3. Предлагается применять для математического расчета параметров функционирования ТМП математический аппарат теории массового обслуживания, ранее не используемый для описания деятельности ТМП.

4. Рассмотрены алгоритм подготовки к проведению телеконсультации с использованием технологии ftp-сервера. Предложен алгоритм портальной технологии работы телемедицинского центра.

международные стандарты в области медицинской информатики.

В России официально не выбран русский эквивалент в международном стандарте. Основным утвержденным международным документом для разработчиков электронных стандартов является методология 215 комитета ISO: «Health informatics – Method for development of messages». Документ посвящен моделированию процесса разработки и внедрения стандарта передачи электронных сообщений. В мире предпринимались попытки стандартизации электронного медицинского документа. Наиболее удачной оказалась Архитектура клинических документов CDA (Clinical Document Architecture), предложенная некоммерческой организацией HL7 и принятая в некоторых западных странах в качестве национального стандарта.

Документ HL7 CDA записывается на языке разметки XML. XML-схемы документов CDA генерируются из справочной информационной модели HL RIM (Reference Information Model). Все документы в HL7 основаны на HL7 RIM и кодируются, используя язык XML.

Базовые возможности адаптации Архитектуры клинических документов CDA описаны в документе «Refinement, Constraint and Localization», являющемся частью проекта стандарта HL7.

Таким образом, в рамках второй главы выбран подходящий для процесса подготовки к телеконсультации стандарт CDA. Рассмотрены основные принципы его построения и адаптации.

Третья глава посвящена проектированию информационной системы телемедицинского портала в целом, разработке информационного стандарта обмена медицинскими документами в ней и методам оценки эффективности построенной системы.

Для каждого телемедицинского центра на портале создается семейство узлов. Вершиной семейства является узел телемедицинского центра. На узле телемедицинского центра ведется список телемедицинских мероприятий, проводимых этим центром. Каждому элементу списка соответствует подчиненный узел мероприятия. К узлу портала могут иметь доступ несколько пользователей, каждый со своими правами. Узел может содержать другие узлы и состоять из нескольких страниц. Страницы содержат веб-части и панели, предназначенные для отображения содержания и навигации. Логическая структура узла телемедицинского центра приведена в диссертации в виде диаграммы классов на языке UML.

Центральная роль на узле ТМП отводится узлам телемедицинских консультаций. На узле телемедицинской консультации размещаются элементы, обеспечивающие совместную работу пользователей (выписка из истории болезни; графическая информация; список участников консультации и т.п.).

телемедицинской консультации.

Далее необходимо структурировать медицинские документы, которыми обмениваются участники в процессе подготовки к телеконсультации.

Формы медицинской документации определяются нормативными документами Минздрава СССР, РФ и Минздравсоцразвития РФ.

архитектуры CDA следующих характерных документов: направление на диагностическое исследование и выписка из истории болезни пациента.

Существуют проблемы:

• в XML-схеме CDA не предусмотрены отдельные разделы;

• элементы для включения цифровой подписи отсутствуют.

Из приведенных выше недостатков видно, что основной задачей при адаптации стандарта CDA является добавление новых разделов, не нарушая правил стандарта. В диссертации предлагается создать новый класс – Стандартизованный медицинский документ (СМД).

СМД можно рассматривать как конверт, в который вложен клинический документ с приложениями (элемент CDA), а также цифровые подписи этого вложения. На конверте указаны системасоздатель, время создания и идентификатор документа (Рисунок 3).

содержание СМД состоит в клиническом документе и приложениях к нему.

При разработке автоматизированных систем, работающих в реальном времени, необходимо повышать показатели эффективности функционирования, с учетом имеющихся ограничений на ресурсы, выделенных на эксплуатацию.

С учетом стационарного режим работы портала, в диссертации рассмотрена задача расчета эффективности функционирования портала.

Подобные задачи решены для автоматических комплексов информационноуправляющих систем. В случае информационной системы телемедицинского центра существует ряд ограничений на информационную модель: поток заявок является бесприоритетным; заявка обрабатывается до исполнения и не может быть поставлена в очередь повторно. Подобные ограничения упрощают задачу линейного программирования по максимизации производительности:

где – оценка средней производительности, t – квант времени обслуживания, – интенсивность поступления заявок, a – среднее время обработки заявки в телемедицинской системе, K – максимальное число квантов времени на обработку одной заявки.

Таким образом, в рамках третьей главы произведена разработка телемедицинского портала – основного средства взаимодействия участников телеконсультации. Для портала разработан стандарт передачи медицинской информации, который соответствует международному стандарту CDA и при этом удовлетворят нормам медицинских документов в России.

В четвертой главе произведено сравнение и выбор программной платформы для разработки портала, описана существующая программная реализация построенной информационной телемедицинской системы, проведена математическая оценка статистических данных, полученных в результате наблюдений за работой телемедицинского портала.

Рассмотрено четыре наиболее распространенных в мире портальных платформы: Microsoft, SAP, Oracle, IBM. В результате анализа различий предлагаемых решений для реализации телемедицинского портала был выбран Microsoft SharePoint Portal. Одним из наиболее важных достоинств SharePoint Portal Server является широкая интеграция с приложениями MS Office.

В качестве средства создания и редактирования медицинских форм удобно использовать Microsoft InfoPath (входит в состав Office). Формы InfoPath способны взаимодействовать напрямую с SharePoint-порталом.

Формат кодирования форм InfoPath – xml, соответствующий схемам СМД. Введенные данные сохраняются в соответствующих библиотеках форм телемедицинского портала.

библиотеки портала, ограничен только требованиями безопасности, установленными для службы Internet Information Service.

предназначенное для ввода и редактирования медицинских документов, и представление для печати. Оба представления используют один и тот же источник данных. Внешний вид этих представлений направления на телемедицинскую консультацию представлен в настоящей диссертации.

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 – 2006 годы» разработаны и утверждены методы тестирования программного обеспечения телемедицинских мероприятий. При завершении проекта был проведена проверка портала по утвержденным методикам.

статистические данные. В Телемедицинском центре ГМУ УДП РФ на сегодняшний момент работает один диспетчер. При технологии ftp-сервера телемедицинской консультации составляло 1 час 20 минут. При введении портальной системы среднее время работы сократилось до 45 минут на заявку.

Телемедицинского центра:

Интенсивность работы диспетчера Интенсивность входного потока заявок Доля времени простоя диспетчеров Средняя длина очереди Среднее время пребывания в очереди Обе системы стационарны. Но ускорение время работы диспетчера на минут при портальной технологии вызвало уменьшение среднего времени обработки заявок с момента их поступления на 4 часа.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы. Даны предложения по дальнейшим вариантам исследований в области медицинских телеконсультаций.

В приложениях приведены:

1. Копия свидетельства об официальной регистрации программы.

2. Копия уведомления о регистрации заявки в Роспатент.

3. Текст протокола испытаний телемедицинской системы.

Основные результаты Основными теоретическими и практическими результатами являются:

1. Проведен обзор и общий анализ работы телемедицинского центра.

Построена общая модель проведения телеконсультаций. Указан математический метод оценки работоспособности телемедицинского центра.

Проведена сравнительная оценка работы телемедицинского пункта по двум технологиям: ftp-сервер и портал.

2. Рассмотрены и структурированы все крупные международные стандарты в области медицинской информатики, проведен их анализ. Выбран наиболее перспективный и подходящий для процесса телеконсультации стандарт архитектуры клинических документов (CDA). Рассмотрены основные принципы его построения и адаптации, предложенные разработчиками стандарта.

3. Разработан новый класс электронных медицинских документов – СМД, который позволяет не только хранить информацию в международном формате CDA, но и подписывать ее при помощи электронных ключей. Формат СМД удовлетворяет всем приказам и инструкциям МинЗдрава РФ.

4. Построена модель телемедицинского портала, как основного средства взаимодействия между участниками телеконсультации. Для портала разработан стандарт передачи медицинской информации, который соответствует международному стандарту CDA и при этом удовлетворят законодательным нормам электронных медицинских документов в России.

5. Предложена программная реализация модели телемедицинского портала для обмена стандартизованными медицинскими документами.

Произведены эксплуатационные испытания телемедицинского портала.

Публикации по теме диссертации 1. Аведьян Э.Д., Башлай Д.М., Лебидько Л.М. Система заказа цифровых снимков – Кремлевская медицина. Клинический вестник, №4, 2004.

2. Аведьян Э.Д., Лебидько Л.М., Лямин А.В., Мартынихин А.В. Вопросы документов CDA – Кремлевская медицина. Клинический вестник, №1, 3. Емелин И.В., Лебидько Л.М. Стандартизация представления электронных медицинских документов – Информационное общество, №1, 2006.

4. Емелин И.В., Лебидько Л.М., Федоров В.Ф. Обеспечение проведения Кремлевская медицина. Клинический вестник, №3, 2006.

5. Лебидько Л.М. Адаптация стандарта архитектуры клинических управления, №5, 2006.

6. Лебидько Л.М. Математическая модель телемедицинских систем – Кремлевская медицина. Клинический вестник, №4, 2005.

7. Лебидько Л.М. Стандарт CDA в условиях Российского здравоохранения – Системы управления и информационные технологии, №3.1, 2006.

8. Тарасов В.В., Платицын И.В., Лебидько Л.М., Строганов П.А., Поткин С.Б. Стандартизация протоколов магнитно-резонансных исследований в информационной системе службы лучевой диагностики – Кремлевская медицина. Клинический вестник, №1, 2004.