Смартфоны на службе охраны здоровья

Сергей Кузнецов

Обзор январского, 2013 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 46, No 1, January 2013).

Авторская редакция.
Также обзор опубликован в журнале «Открытые системы»

В этом году в январском номере тематическая подборка отсутствует. Всего в номере опубликованы шесть крупных статей, с содержанием которых я познакомлю вас в порядке оглавления журнала. Авторами первой статьи под названием «Мобильные медицинские услуги: революция в области здравоохранения на основе трансдисциплинарных исследований» («Mobile Health: Revolutionizing HealthcareThrough Transdisciplinary Research») являются Сантош Кумар, Венди Нильсен, Миша Павел и Мани Сривастава (Santosh Kumar, University of Memphis, Wendy Nilsen, US National Institutes of Health, Misha Pavel, Oregon Health and Science University, Mani Srivastava, University of California, Los Angeles).

Последние достижения в области беспроводных технологий создают многочисленные возможности для улучшения состояния здоровья и самочувствия пациентов. Мобильные медицинские услуги (Mobile Health, mHealth) предоставляют возможность мониторинга состояния здоровья и отслеживания изменений, поддерживают переход к здоровому образу жизни и его соблюдение, обеспечивают быструю диагностику состояния здоровья и т.д.

Хотя мобильные медицинские услуги являются новой областью научной деятельности, имеются основы этого направления, сформированные исследователями в течение последних четырех десятилетий. Врачебное дело и здравоохранение первоначально предназначались для лечения инфекционных заболеваний (таких как оспа) и травматических повреждений. По мере роста средней продолжительности жизни в середине прошлого века большее внимание стало уделяться лечению хронических заболеваний, таких как диабет или сердечные болезни. По определению хронические заболевания не могут быть устранены путем лечения.

Этот переход от неотложного к длительному лечению вместе с увеличением времени жизни привел к возникновению чрезмерно дорогостоящей системы здравоохранения. Наиболее явственно эта проблема проявляется в США, но начинает ощущаться и в развивающихся странах. В то же время появились высококачественные удобные в использовании бытовые устройства, такие как мобильные телефоны, сопровождающие пользователей большую часть времени. Эти устройства не только обеспечивают мобильную связь, но и обладают возможностями сенсорного сбора данных, аналитики и визуализации, а также поддерживают доступ к облачным средам. Сенсоры, встроенные в мобильный телефон, совместно с сенсорами, размещенными на теле пациента, могут обеспечить недоступное ранее представление о состоянии здоровья и характере поведения пациентов.

mHealth основывается на результатах предшествующих исследований в областях телемедицины (telehealth), мобильного компьютинга и технологии убеждения (persuasive technology) применительно к здравоохранению. Поход mHealth может привести к превращению мобильных устройств в персональные лаборатории, непрерывно оценивающий физиологию, поведение, социальный контекст пациентов, а также влияние на них внешних факторов. Например, персональное врачебное приложение, установленное в мобильном устройстве, могло бы производить интеллектуальный анализ информации, доступной в Internet, о результатах исследований в области здравоохранения, и применять полученные знания к накапливаемым персональным данным пациента для принятия заключений о состоянии здоровья пациента. Пользовательские интерфейсы мобильного устройства могли бы способствовать соблюдению предписаний врачей. Кроме непосредственного совершенствования здравоохранения, mHealth может способствовать ускорению исследовательской работы и формированию общей политики здравоохранения.

Общий вид системы предоставления мобильных врачебных услуг

Статью «Будущее киберфизических систем, содержащих человека в контуре управления» («The Future of Human-in-the-Loop Cyber-Physical Systems») представили Гунар Ширнер, Дениз Эрдогмус, Каушик Чоудхари и Таскин Падир (Gunar Schirner, Deniz Erdogmus, Kaushik Chowdhury, Northeastern Universit, Taskin Padir, Worcester Polytechnic Institute).

Киберфизические системы, содержащие человека в контуре управления (human-in-the-loop cyber-physical systems, HiLCPS), образуют перспективный класс приложений, потенциально сильно влияющих на повседневную жизнь людей. Как показывает рисунок, типичная HiLCPS содержит контур, включающий человека, встроенную систему (кибер-компонент) и физическую среду. Встроенная система, главным образом, поддерживает взаимодействие человека с физическим миром.

HiLCPS делает заключения о намерениях пользователя, оценивая его когнитивную деятельность с помощью нательных и наголовных сенсоров. Встроенная система преобразует эти заключения в управляющие сигналы для роботов, чтобы обеспечить взаимодействие с физической средой с использованием управляющих механизмов роботов. Наконец, контур замыкает человек, воспринимая результаты взаимодействия с физическим миром как входные данные для принятия новых решений. К числу примеров HiLCPS относятся системы нейрокомпьютерного интерфейса (brain-computer interface, BCI), управляемые вспомогательные роботехнические системы, интеллектуальные протезы и т.д.

Приложения HiLCPS обеспечивают преимущества во многих случаях. Например, от использования подобных систем громадную пользу получили бы люди с ограниченными функциональными возможностями. Поскольку эти люди не могут взаимодействовать с физическим миром с использованием собственных движений и речи, они часто вынуждены полностью зависеть от других людей при выполнении простейших повседневных дел. HiLCPS могли бы помочь этим людям в обретении некоторой самостоятельности, обеспечивая альтернативные интерфейсы с киберфизической средой для взимодействий, коммуникаций и управления.

Статью «Эмирическая медийная и цифровая культура» («Experiential Media and Digital Culture») написали Танассис Рикакис, Эйслинг Келлихер и Николь Лерер (Thanassis Rikakis, Aisling Kelliher, Carnegie Mellon University, Nicole Lehrer, Arizona State University).

К глобальным проблемам, влияющим на все человеческое общество, относятся ограниченность ресурсов, растущее энергопотребление, устойчивость развития. Такие проблемы невозможно решить путем, например, улучшения качества анализа данных. Для понимания сути этих проблем и нахождения их решения требуется культура исследований, которая достигается путем интеграции знаний и принципов, полученных в результате предыдущего опыта.

С этой точки зрения, разработке интегральной совокупности знаний и принципов способствуют прагматическое социальное и коммуникативное структурированное обучение, а также умозрительное познание. Например, умозрительное осмысление прочитанного метафорического куска текста может помочь читателю переосмыслить некоторые аспекты повседневности, а структурированная переработка тщательно отобранных практических знаний может позволить применить более широкий набор метафор.

Практические знания наблюдаются в прагматических (транспортные сети), социальных (коллективные знания), учебных (онлайновые курсы, игры) и творческих (кинопроизводство) прикладных областях. Направление накопления практических знаний быстро развивается и охватывает все большее число отдельных гибридных физико-цифровых компонентов. Однако затруднительна интеграция этих компонентов в согласованную систему знаний и принципов, которая может служить основой физико-цифровой культуры. В свою очередь, отсутствие такой культуры препятствует достижению интегрированных культурологических решений сложных социальных проблем.

Авторы отстаивают надобность средств разработки истинно интегральной физико-цифровой культуры, для чего потребуется интеграция знаний из областей инженерии, искусства, гуманитарных и общественных наук. Потребуется также система принципов и связанный с ней подход к проектированию, которые позволят объединить требования эффективности, общей разумности и качества опытных знаний. После получения таких средств можно будет создавать практические системы знаний, в которых приложения смогут понимать смысл действий (а не только потребность в них).

Статью «Роботизированная хирургия: под лезвием этики» («Robotic Surgery: On the Cutting Edge of Ethics») представили Ноэль и Аманда Шарки (Noel Sharkey, Amanda Sharkey, University of Sheffield, UK).

24-летняя Соня Дикерсон из Нью-Йорка вошла к медицинскую клинику Флашинг (Flushing) и отправилась в один из диагностических кабинетов. Она вставила в машину свою страховочную карту и, не мигая, посмотрела в окошечко устройства для идентификации сетчатки. «Окей», – сказала машина. «Пожалуйста, опишите свои симптомы». После того, как Соня рассказала о своих проблемах, машина велела ей раздеться и улечься внутри сканирующего устройства. Через несколько минут процедура осмотра завершилась.

«Ваш страховой полис позволяет Вам воспользоваться только автоматическим хирургом», – объявила машина. «Желаете ли Вы продолжить?» Соня согласилась, и машина включила ленточный конвейер, который переместил ее в хирургическую машину. Позже нем же днем Соня вышла из медицинского центра и пошла поесть в свой любимый вегетарианский ресторан.

Будучи немного фантастическим, этот сценарий дает представление о потенциальном будущем автоматического здравоохранения. Такая технология уже используется во многих медицинских учреждениях, включая шотландскую Королевскую больницу Форт Велли (Forth Valley Royal Hospital). В этой больнице, открытой в июле 2011 г., роботы разносят еду, сортируют больничную почту, меняют постельное белье и убирают мусор. Дальнейшие планы включают транспортировку пациентов в операционные залы с использованием роботизированных кроватей и организацию обхода послеоперационных палат с применением удаленно управляемых роботов.

Но перспективы автономной хирургии, когда машина производит операцию полностью без участия человека, все еще далеки. Исследователи Дюкского университета (Duke University) достигли некоторого прогресса при разработке роботизированной руки, в которой взятие биопсийных образцов производится на основе использования ультразвуковых датчиков. Огромный интерес вызывает роботизированная система Да Винчи (Da Vinci Surgical System), разработанная компанией Intuitive Surgical.

В системе Да Винчи хирург, сидя за консолью, управляет манипуляторами робота, оснащенными различными инструментами и эндоскопической видеокамерой с высоким разрешением.

Безусловно, в будущем нам предстоят бурные обсуждения того, следует ли выполнять хирургические операции без непосредственного контроля и участия человека. Совершенно неясно, насколько приемлемой для пациентов окажется роботизированная автономная хирургия.

Статью «Управление скрытыми рисками» («Management of Hidden Risks») написал Кьелл Йорген Холе (Kjell Jørgen Hole, University of Bergen, Norway).

В каждом индустриализованном государстве имеются информационные системы, обеспечивающие населению важные услуги: платежные системы, системы мобильной связи, системы управления учетной информацией, систем электронного голосования и т.д. Общегосударственные информационные системы сохраняют стабильную работоспособность в течение долгих периодов времени, которые разделяются имеющими сильные воздействия, трудно предсказуемыми и редкими (large-impact, hard-to-predict, rare, LHR) инцидентами.

Исследователи традиционно измеряют риск будущего инцидента, оценивая его вероятность и степень воздействия. В то время как вероятность возникновения повторяющихся инцидентов оценивается на основе анализа прошлых инцидентов, очень трудно оценить вероятность возникновения редких инцидентов, потому что в прошлом подобные события могли бы вообще не происходить. Риск возникновения некоторого события называется скрытым, если его вероятность неизвестна, а степень воздействия трудно оценить.

Целостный подход к оценке скрытых рисков в информационно-телекоммуникационных инфраструктурах государственной важности основывается на том, что инфраструктура моделируется как сложная адаптивная система, состоящая из многих взаимозависимых частей. События категории LHR моделируются как неожиданное и имеющее чрезвычайно важное значение поведение этой системы, вызываемое многочисленными взаимодействиями этих частей. Инфраструктуры с большими скрытыми рисками характеризуются свойствами уникальности, связности и замкнутости.

В качестве примеров в статье рассматриваются норвежские инфраструктуры и LHR-события, произошедшие в них в течение 2011 г. Анализ показывает, что именно такие события порождают основные риски для заинтересованных сторон. Это подчеркивает потребность в уменьшении отрицательных последствий событий LHR, в особенности, инцидентов, порождаемых функциональными зависимостями между инфраструктурами. В статье представлен собственный подход автора к управлению рисками категории LHR.

Последняя крупная статья январского номера написана Упкаром Варшнеем (Upkar Varshney, Georgia State University) и называется «Интеллектуальный подход к управлению лекарственной терапией» («A Smart Approach to Medication Management»).

Точное соблюдение указаний врача по принятию лекарств критически важно при лечении хронических заболеваний, таких как сердечно-сосудистые заболевания или диабет. Однако пациенты используют только 50-60% назначенных им лекарственных препаратов, что приводит к многочисленным смертным случаям, которых можно было бы избежать, и огромным финансовым потерям при выполнении дополнительных медицинских процедур.

Пациенты не соблюдают предписания врачей по приему лекарств по многим причинам, включая забывчивость (30%), наличие других приоритетов (16%), осмысленное решение (11%), отсутствие должной информации (9%) и эмоциональная неустойчивость (7%). Вообще говоря, соблюдение 80% предписаний принято считать удовлетворительным, но при лечении некоторых заболеваний требуется более высокий уровень. Например, при лечении СПИДа необходимо соблюдать предписания по приему лекарств не менее чем на 95%. Доведение точности соблюдения врачебных предписаний до такого уровня составляет фундаментальную проблему здравоохранения.

Воздействия с целью оказания помощи пациентам для соблюдения врачебных предписаний по приему лекарств можно разбить на три категории:

• Стимулирование и поддержка. Такие воздействия могут оказываться членами семьи пациента и его друзьями, а также профессионалами в области здравоохранения: врачами, средним медицинским персоналом, фармацевтами и т.д. Помочь могут и страховые компании, освобождая, например, аккуратных пациентов от уплаты страховых взносов.
• Напоминания о потребности принимать лекарства. Доступны разнообразные службы передачи сообщений и устройства, напоминающие пациентам о потребности принять лекарство у назначенное время. Некоторые устройства отслеживают и дозировку лекарств.
• Уточнение графика. Если пациент повседневно задерживает прием лекарств или путает дозировку, лечащий врач может пересмотреть режим лекарственного лечения, назначив препарат с более долгим временем действия или более высокой концентрацией активного вещества, что позволит уменьшить ежедневное число доз.

Автор исследует способы использования беспроводных технологий для повышения уровня точности соблюдения указаний врача по принятию лекарств пациентами, которые лечатся дома, а не во врачебных учреждениях. Разрабатывается интеллектуальная система управления лекарственным лечением (smart medication management system, SMMS). Система обладает свойствами гибкости и переносимости, а также хорошо интегрируется с другими домашними интеллектуальными средами.