Комплекс удаленного мониторинга физиологических параметров состояния лабораторных животных
Развитие инфраструктуры медицинских учреждений, централизованных медицинских серверов и баз данных (БД), интеграция медицинских комплексов в единую сетевую структуру требуют использования новых информационных технологий [1]. Одним из перспективных направлений применения таких технологий является удаленная регистрация и обработка данных медицинских исследований [2].
Удаленная регистрация и обработка данных в медицине включает в себя целый ряд возможных применений, таких как:
- использование централизованных медицинских серверов и БД;
- интеграция медицинских комплексов в единую сетевую структуру;
- проведение операций без присутствия людей или с минимальным их участием
- использование прикроватных мониторов с удаленной передачей данных в единый центр;
- проведение диагностики и лечения на дому у пациента с отправкой медицинских данных по сети;
- организация карантина;
- удаленная диагностика и контроль в режиме реального времени за состоянием пациентов находящихся в критических для жизни и работы условиях;
- телемедицина;
- проведение исследований над лабораторными животными.
Решению последней задачи и посвящена данная работа.
При проведении исследований над лабораторными животными зачастую физическое присутствие человека рядом с животным является либо нежелательным, либо вообще опасным для человека (например, при исследовании воздействия радиации на физиологическое состояние лабораторного животного). Такие исследования могут проводиться как в стационарных, так и в полевых условиях, в которых может потребоваться передача сигнала на значительное расстояние при отсутствии соответствующей инфраструктуры. В такой ситуации простое удлинение проводов является невозможным, т. к. большинство медицинских приборов передают данные всего на несколько метров. Это привело к необходимости создания нового медицинского приборного комплекса, способного преодолевать данное ограничение и осуществлять регистрацию и обработку данных в режиме реального времени.
Решенная в данной работе задача состояла в разработке комплекса удаленного многоканального мониторинга, предназначенного для регистрации, обработки, хранения и отображения результатов мониторинга состояния лабораторного животного в режиме удаленного доступа на дистанции до 300 м для организации экспериментальных исследований в стационарных и полевых условиях.
Комплекс должен осуществлять доплерографическое измерение гемодинамики [3, 4], регистрировать электрокардиограмму (ЭКГ) и внешний звуковой сигнал, передавать данные на расстояние 300 м по проводному каналу, и осуществлять отображение, дальнейшую обработку и сохранение в БД результатов исследования.
В состав разработанного комплекса входят:
- программные средства — модуль «Remotex» для online мониторинга физиологических параметров состояния лабораторного животного и параметров внешней среды (звуковой сигнал) в лабораторных и полевых условиях, модуль «Multex» для удаленного считывания регистрируемых в ходе эксперимента данных, их визуализации в on/offline режимах, обработки и записи в БД;
- технические средства — доплерографический комплекс измерения гемодинамики, электрокардиограф, одноканальный блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с параметрами 14 бит, ±5 В для регистрации внешнего звукового сигнала, полевой персональный компьютер (ПК), удаленный ПК или ноутбук, два конвертера VDSL (Very-high data rate Digital Subscriber Line) для соединения типа «точка-точка» полевого ПК с удаленным компьютером и 300 м провода типа «витая пара».
Функциональные возможности комплекса позволяют реализовать два режима исследований:
- online;
- offline.
В режиме online осуществляется удаленная синхронная регистрация трех параметров (ультразвуковой сигнал с доплерографического измерителя гемодинамики, сигнал ЭКГ, внешний звуковой сигнал) состояния лабораторного животного и внешней среды с отображением оператору полного объема графической и цифровой информации (огибающую доплерографического спектра, индексы скорости кровотока и ЭКГ) в режиме реального времени. При этом реализуется возможность удаленного управления полевым ПК, включающая выбор масштаба временной развертки графиков регистрируемых параметров, установку в ходе экспериментальных исследований меток комментариев, настройку амплитудных диапазонов регистрируемых сигналов и задание атрибутов визуализации данных в каждом канале. Все регистрируемые параметры записываются в память комплекса в целях последующего анализа и обработки полученных результатов.
В режиме offline осуществляется постпроцессорная обработка зарегистрированных данных, включающая просмотр данных в цифровом и графическом форматах, удаление артефактов, расстановку новых меток комментариев и редактирование существующих, просмотр данных мониторинга в различных временных масштабах, их сохранение и экспорт в форматах Word и Excel на внешние носители. В этом режиме также производится распечатка графиков зарегистрированной информации, списка комментариев и текста заключения, а также ведение БД пациентов и результатов экспериментальных исследований, включающих информационную карту эксперимента и ассоциированные с ней результаты.
При работе с комплексом существуют следующие особенности и условия проведения исследований:
- в ходе экспериментов может осуществляться мониторинг одного лабораторного животного;
- одновременно и синхронно могут регистрироваться три показателя состояния лабораторного животного: доплерографический сигнал анализа гемодинамики — огибающая спектра, один канал ЭКГ, звуковой сигнал;
- доплерографический сигнал регистрируется с использованием комплекта ультразвуковых датчиков: 2 МГц PW (импульсный режим излучения), 4 МГц и 8 МГц CW (непрерывный режим излучения);
- обработка ультразвукового сигнала выполняется без сохранения спектрограммы и сводится к автоматическому построению огибающей и расчету индексов скорости кровотока, которые передаются на удаленный компьютер для отображения и сохранения в БД для последующего анализа и печати;
- максимальное расстояние между полевым ПК и удаленным не более 300 м;
- частота оцифровки огибающей — 166 Гц, ЭКГ сигнала — 500 Гц, звукового сигнала — 20 КГц;
- все приборы соединяются с полевым компьютером по USB-интерфейсу;
- с удаленного компьютера реализуется управление приборными параметрами доплерографического комплекса измерения гемодинамики кровотока, а именно: усилением, мощностью, окном, глубиной.
Всю работу по эксплуатации комплекса удаленного многоканального мониторинга можно разбить на следующие этапы:
- подготовка к работе и запуск полевого компьютера;
- размещение датчиков регистрируемых параметров на лабораторном животном;
- запуск программы «Remotex», настройка измерительных каналов полевого компьютера для регистрации сигналов в удобном виде;
- включение и настройка удаленного компьютера;
- регистрация эксперимента в БД;
- запуск системы удаленного мониторинга в режиме реального времени и обработка зарегистрированных данных с возможностью подготовки заключения и распечатки результатов исследований;
- выключение комплекса.
Для осуществления передачи данных на расстояние 300 м была разработана библиотека «Netex». Она позволяет передавать данные по локальной сети, безотносительно способа ее создания, т. е. фактически она может быть и беспроводной.
Максимальная скорость передачи данных в комплексе составляет около 2 МБ/с, при частоте передач (количество передач в секунду) до 4 раз в секунду. В данной задаче частота передач определяет частоту обновления принимаемых данных на удаленном ПК и максимальную их задержку (не более 0.25 с).
Программно-алгоритмическое обеспечение комплекса удаленного многоканального мониторинга представлено двумя программами:
- программой «Remotex», установленной на полевом компьютере и осуществляющей регистрацию физиологических параметров лабораторных животных, их визуализацию, предоставляющей возможности настройки приборных параметров и передачу данных на удаленный компьютер;
Вначале рассмотрим интерфейс взаимодействия пользователя с полевым компьютером.
Рабочее окно программы «Remotex» (рис. 1) состоит из:
- окна доплеровского измерителя скорости кровотока, справа от которого размещена панель с приборными регулировками;
- окна электрокардиографа (внизу);
- панели включения/выключения комплекса (вверху), в верхнем правом углу которой расположен индикатор работы АЦП.
Рабочее окно доплеровского измерителя скорости кровотока включает: центральную часть для вывода спектрограммы кровотока, область индикации расчетных индексов гемодинамики (над спектром), шкалы линейной скорости кровотока (слева от спектра) и скорости развертки спектрограммы (под спектром), палитру спектра (справа от спектра) и кнопку настройки канала (в правом нижнем углу окна).
Центральная часть окна используется для отображения спектрограммы кровотока, предназначенной для оценки исследователем характеристик линейной скорости кровотока и распределения мощности отраженного от форменных элементов крови (в основном эритроцитов) ультразвукового сигнала в дискретные моменты времени.
Над спектрограммой отображаются расчетные индексы доплеровского измерителя скорости кровотока в следующем составе:
- систолическая скорость S;
- диастолическая скорость D;
- частота сердечных сокращений HR;
- средняя скорость M;
- усредненное значение средневзвешенной скорости AWV;
- пульсационный индекс PI;
- индекс Стюарта SD;
- индекс сопротивления RI;
- индекс спектрального расширения SB;
- время систолического фронта Tfr;
- индекс подъема пульсовой волны PW;
- индекс ускорения AI;
- объемный кровоток V.
Указанные индексы рассчитываются автоматически и вместе с огибающей спектрограммы кровотока передаются на удаленный компьютер.
Окно электрокардиографа предназначено для вывода графика ЭКГ; вертикальная оцифровка шкалы слева выполнена в миллиметрах, горизонтальная снизу — в секундах.
С использованием этого интерфейса после настройки параметров ультразвукового доплеровского канала осуществляется запуск регистрации и передачи данных на удаленный ПК.
Для регистрации результатов экспериментальных исследований используется БД «WinPatientExpert», разработанная в отделе программирования комплексных систем медицинской диагностики МАИ [5].
Основным информационным объектом БД является регистрационная карта эксперимента. С ней в БД автоматически ассоциируются все результаты исследований. Пользователь может просмотреть их, вывести на печать, подготовить заключение или экспортировать данные на внешние носители информации.
Каждая регистрационная карта всегда соответствует объекту исследований и результатам экспериментов. В одной и той же регистрационной карте могут храниться результаты нескольких экспериментов.
После заполнения карты запускается программа «Multex» для приема и обработки данных на удаленном компьютере. Рабочие окна этой программы в разных режимах (online и offline) показаны на рис. 2, 3.
В верхней строке окна программы указывается объект обследования и дата проведения эксперимента. Центральная область разбита на три части. В верхней части отображается огибающая спектрограммы, в нижней — ЭКГ, справа расчетные индексы доплеровского измерителя скорости кровотока и частота пульса ЭКГ.
Все графические и числовые параметры считываются и обновляются до 4 раз в секунду по интерфейсу удаленной связи с полевым компьютером в режиме реального времени (рис. 2).
В нижней части экрана помещена панель управления комплексом многоканального мониторинга. В режиме реального времени, когда включена регистрация данных, она показана на рис. 2, и в режиме просмотра и обработки полученных результатов — на рис. 3.
В режиме online с помощью панели управления осуществляется:
- многократная запись регистрируемой графической и числовой информации в БД;
- установка комментария, ассоциированного с текущим моментом времени;
- установка таймера для удобства пользователя;
- изменение параметров отображения графической (масштаба, развертки, цветовой палитры интерфейса и кривых) и текстовой (размер шрифта) информации и управление приборными настройками.
В режиме offline панель управления меняет состав доступных пользователю возможностей.
В этом режиме осуществляется:
- просмотр зарегистрированных данных (огибающей спектрограммы, индексов скорости кровотока, ЭКГ и звукового сигнала);
- добавление и редактирование комментариев;
- изменение параметров отображения графической и текстовой информации;
- выделение части огибающей спектрограммы и ЭКГ;
- удаление выделенного участка огибающей спектрограммы и ЭКГ;
- экспорт выделенного участка в бинарные файлы;
- распечатка комментариев, огибающей спектрограммы и ЭКГ с предварительным просмотром.
Таким образом, созданный комплекс позволяет регистрировать и передавать с полевого ПК на удаленный на 300 м ПК в режиме реального времени огибающую доплерографической спектрограммы, индексы скорости кровотока, ЭКГ и внешний звуковой сигнал, сохранять полученные данные в БД и осуществлять их дальнейшую постобработку.
Помимо своего прямого назначения комплекс может быть использован без изменений и для удаленного мониторинга физиологических параметров состояния человека.
Программное обеспечение комплекса выполнено в интегрированной среде Microsoft Visual Studio 2005 на языке Visual C++.
Проведено тестирование комплекса, показавшее его работоспособность, надежность и удобство использования. По результатам тестирования комплекс передан для проведения клинических испытаний на лабораторных животных.
К конфигурации ПК комплекса предъявляются следующие минимальные требования: Intel Core 2 Duo 2.4 ГГц, ОЗУ 2048 МБ, НDD 20 ГБ, Microsoft Windows ХР/Vista, сетевая карта Ethernet.