iomt - technological environment of personalized medicine and new era of healthcare
TRANSCRIPT
Internet of Medical Things – технологическая среда персональной медицины
Александр Прозоров, #mHealthLab Лаборатория спецмедтехники и технологий, МФТИ
Высокопроизводительные комплексы для решения задач сохранения и поддержания здоровья в программах персональной медицины. МСКФ 2015, 29.10.2015 г.
1
ЦЖС МФТИ ИМБП РАН
Что такое персональная медицина?
Первая эра - БОРЬБА С ИНФЕКЦИЯМИ, ТРАВМАМИ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯМИ Античная медицина - настоящее время • Развитие хирургии и терапии, контроль инфекционных заболеваний (вакцинация)
Вторая эра - БОРЬБА С ХРОНИЧЕСКИМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ 50 гг. ХХ века - настоящее время • Успешное лечение сердечно-сосудистых, онкологических и социально-значимых заболеваний, расширение фокуса на лечение психосоциальных и психиатрических заболеваний (ожирение, алкоголизм, наркомания, курение и пр.)
Третья эра - СОХРАНЕНИЕ И ПОДДЕРЖАНИЕ ЗДОРОВЬЯ Настоящее время • Персональная (персонализированная) медицина (ПМ) – новая модель организации медпомощи, основанная на выборе диагностических, лечебных и профилактических средств, которые являются оптимальными для конкретного пациента, с учётом его генетических, физиологических, биохимических, поведенческих и других особенностей
• ПМ предполагает тесное объединение информационных технологий, науки и клинической терапии для достижения наилучших клинических или профилактических результатов
• По этому для организации ПМ необходимо тесное взаимодействие врача и пациента не только в клинике, но и в обычной жизни (по аналогии с тренером и спортсменом)
2 #mHealthLab
Internet of Medical Things (IoMT) Что такое IoMT? Задачи, логические уровни, протоколы и архитектура телебиометрических систем
3
ЦЖС МФТИ ИМБП РАН
#mHealthLab
Что такое IoMT?
#mHealthLab
Internet of Things
Medical Devices IoMT
4
Задачи IoMT-системы
Каждый фрагмент, ориентированный на получение и обработку биометрических данных – локальная телебиометрическая система, задачами которой являются: • Повысить уровень, разрешение и совместимость био-‐
квантификации
• Применить стандартизированные международные системы измерения биосигналов
• Развернуть стандартизованный метод шифрования от каждого узла сбора биометрических данных до облака
• Обеспечить конфиденциальность и доступность биометрических данных по требованию из любой точки
#mHealthLab
На основе связной технологической инфраструктуры операторов беспроводной и проводной связи выстраиваются фрагменты глобального Internet of Medical Things (IoMT)
5
Логические уровни IoMT-системы
1. Биологическая мишень находится в непосредственном контакте с датчиком и подвергающаяся измерению
2. Датчик, предназначен для получения (съема) биометрических данных, включая поиск и определение паттернов в снимаемых аналоговых и цифровых сигналах, интегрированный в сетевую инфраструктуру облака
3. Протокол предназначен для предварительной обработки и передачи биометрических данных в облачное приложение. Его основной задачей является интерпретация, количественное сравнение и анализ биологической и измерительной ценности снимаемых данных
4. Облачное приложение, является получателем биометрических данных и выполняет основные прикладные задачи по их распознаванию, визуализации, анализу, сопоставлению, выработке рекомендаций и т.д.
5. Облачное хранилище биометрических данных, предназначено для накопления и долгосрочного хранения данных, обеспечивает должный уровень безопасности, доступности и поддержки различных протоколов доступа
6
Data Hub
PHR
3D
БКГ
ЭКГ
Темп
SpO2
MicПациент
Мониторинг пациентов
Врач
Уровень 4
Уровень 1 Уровень 2
Уровень 3
Уровень 5
Потенциальные границы IoMT-экосистемы (схематично)
#mHealthLab
Категории телебиометрических приложений
Потребительский сегмент
Банкинг + Цифровая подпись
СМИ + Соцсети
Носимые устройства
Сохранение энергии + Мониторинг
окружающей среды
Физическая безопасность
Гейминг + Камеры (видео/фото)
Автомобили
Уклонение от столкновений
Распознавание водителя
Распознавание голоса
Медицина (mHealth)
Мониторинг пациентов в клинике
Мониторинг пациентов дома
Мобильный мониторинг
показателей здоровья
Анализы в домашних или лабораторных
условиях
Био-‐банки
Сельское хозяйство
Умные фермы
Управление животноводством
Точное земледелие
Мониторинг эпидемиологической
обстановки
Аэро
Дроны
Мониторинг окружающего пространства
Общение/развлечение в полете (пилот/
пассажир)
Юридические вопросы
Регистрация пребывания
Регистрация огнестрельного оружия
Безопасность
Управление идентификацией
Наружное наблюдение
Контроль физического доступа
Мониторинг осужденных
Мониторинг социальных сетей
7
mHealth и инфраструктура IoMT
Предпосылки, заинтересованные стороны, концепция оказания медпомощи, архитектура, потоки данных, технологический стек и особенности mHealth-систем
8
ЦЖС МФТИ ИМБП РАН
#mHealthLab
Экономические предпосылки mHealth
#mHealthLab 9
Предотвратимые осложнения
Ненужные процедуры
Неэффективность
Ошибки
Положительный исход
30-40% потери
60-70% польза
Положительный исход 100%
польза
2020
2015
* По данным американской компании HealthCatalyst на основе североамериканской статистики
За что готов платить пациент*?
Заинтересованные стороны mHealth
#mHealthLab 10
Пациент
Ученый, страховщик, и
т.п.
Врач
?
?
?Зачем?Что это (лекарство, манипуляция, курс лечения) дает мне?
Что происходит?Как это (лекарство,
манипуляция, процедура) отражается на лечении
пациента?
Как работает?Как это (лекарство,
манипуляция, курс лечения) работает в разных
условиях?
Концепция оказания медпомощи в mHealth*
#mHealthLab * По данным публикации «mHealth: From Smartphones to Smart Systems»
Пациент
Удобство и снижение издержек во время лечения
(в клинике или дома)
Поддержка решений врача
Координация лечения или реабилитации
Вовлечение пациентов в процесс
лечения или реабилитации
Управление курсом лечения (реабилитации)
Управление мониторингом пациентов
Профилактика и оздоровление
Госпитализация, скорая или высокотехнологичная мед.помощь
Персональные коммуникации
Дистанционный мониторинг
Диагностика
Обучающие курсы и коучинг
Представление интересов
(перед страховыми, работодателями и т.д.)
Фактическая информация о состоянии пациента
Поток данных в систему PHR/EHR
Устройства
Инфраструктура
11
Бизнес-модели оператора mHealth
12
Бизнес-‐модель предоставления услуг mHealth
Уровень услуги
Варианты бизнес-‐модели
Функциональное описание
BRANDED SERVICE
L7 В2С Прямые инфо-‐медицинские услуги клиентам
L6 В2С2B Прямые инфо-‐коммуникационные услуги мониторинга, экспертиза через партнеров
BRANDED PLATFORM
L5 В2В2С PHR платформа + свои IoMT-‐устройства и приложения. Все услуги через партнеров
L4 В2В PHR платформа ("движок") для провайдеров услуг
CONNECTIVITY
L3 В2В2С "Агрегация" услуг различных поставщиков услуг IoMT -‐ маркет плейс + тарифы + биллинг
L2 В2С Предоставление базовых услуг связи для сервисов мониторинга состояния
L1 В2В Предоставление базовых услуг связи для медицинских учреждений
#mHealthLab 13
№ Приложения mHealth Вариант реализации Получаемые выгоды 1 Контроль над хроническими
заболеваниями Носимые мониторы Упреждающие манипуляции
2 Соблюдение курса лечения Напоминания и алармы посредством сообщений, email, мобильных приложений
Увеличение удовлетворенности пациентов
3 Удаленный мониторинг пациента
Система отслеживания (трекинга) местоположения и безопасности пациента
Снижение стоимости лечения
4 Доступ к медицинской информации
Электронная медицинская карта (PHR/EHR)
Перемещение в дом престарелых без потерь медицинской информации
5 Взаимодействие между врачами и другим медицинским персоналом
Соцсети, основанные на Web-технологиях
Возросшая доля самоуправления
6 Индивидуальные программы по реабилитации и фитнесу
Системы мониторинга питания, физической активности, качества жизни, основанные на Web-технологиях
• Улучшенное здоровья и процесс реабилитации • Возросшее качество жизни • Снижение нагрузки на родственников и медперсонал по уходу
• Улучшенное взаимодействие между врачом, пациентом, родственниками и медперсоналом по уходу
Примеры приложений mHealth и их результаты
Архитектура систем mHealth (схематично)
#mHealthLab
100% мобильность
В клинике или дома
IoMT-frontend
IoMT-backend
IoMT приложения M2M-сеть IoMT устройства
App Backend
BioData Storage
HL7 Gateway
Мониторинг пациентов
Курсы лечения
Управление хронич. заб.Врач
Ученый
Реабилита-ция и фитнес
Корпорат. соцсети
PHR/EHR
Концентратор данных
Смартфон
Пациент
Пациент
Спутниковая сеть
Сотовая сеть
Проводная и беспровод-ная сеть
WBAN- IEEE 802.15.6- ZigBee / IEEE 802.15.4- Bluetooth, Bluetooth LE- Wireless USB- Proprietary solutions (ANT, Sensium, Zarlink, Z-Wave)
Access network- GSM, UMTS- LTE, LTE-A- WiMAX- WLAN- Satellite 14
Потоки данных в системах mHealth
#mHealthLab Медработник
Пациент
WBAN M2M-сеть mHealth Оператор Клиника
Облачное решение
Диета и образ жизни
Фитнес
PHR Врач
МИС / ЕГИС
Мониторинг пациентов
Курсы лечения
Управл. хроническими заболев.
Реабилитация
EHRИмплантируемые мед. устройства
Нательные мед. устройства
Носимые мед. устройства
Стационарные мед. устройства
Кон-цент-ратор дан-ных
15
Технологический стек систем mHealth (задачи)
#mHealthLab 16
IoMT устройства
IoMT Device
Сенсор
Первичная обработка сигнала
WBAN передатчик
IoMT Data Hub
WBAN приемник
Вторичная обработка сигнала
M2M передатчик
M2M-сеть
WLAN/ Ethernet/ PSTN/ etc
Core Networks
mHealth-Оператор
IoT Middleware
M2M приемник
Декодирование и агрегация данных
Сохранение данных
IoMT Platform
Долгосрочное хранение данных
Поиск паттернов и генерация событий
Предоставление данных по запросам
Клиника
IHE Components
Интеграция с облаком mHealth-
оператора
EHR
Modellind and Machine Learning
ModellingPlatform
Machine Learning Tools
Analitycs
Analitycs Platform
Visualization Tools
Технологический стек систем mHealth (решения)
#mHealthLab
Hadrware IoT Middleware IHE Components
Modelling and ML Tools
Analitycs and Visualuzation
HW (inc. WBAN)
Hardware platform:- Renesas- Texas Instrumets- Microchip- STM- Arduino (Amtel)- Raspberry, etc
Transport wireless protocols:- IEEE 802.15.6- ZigBee / IEEE 802.15.4- Bluetooth, Bluetooth LE- etc
Middleware and Platforms
IoT Middleware:- OpenRemote- OpenHAB- iotsys, etc
IoMT Platforms:- MS HealthVault- Google Health- Qualcomm Life 2net, etc
M2M Protocols
App. Level Protocols
Encoding:- CSV, JSON, XML- BSON, Message Pack- Protocols Buffers
M2M communications:- MQTT - MQTT-SN- AMQP- CoAP- HTTP
Platforms
Interoperability:- Mirth Connect- eTransX- HL7 Interface Engine, etc
EHR:- OpenEMR- FreeMED- OpenMRS, etc
Frameworks and Platforms
ML Frameworks:- scikit-learn- shogun- MLlib, etc
Platforms:- R + RStudio- Matlab- Spark, etc
Libraries and Platforms
Charting libraries:- D3.js- Chart.js- Highchart.js, etc
Analitycs Platforms:- Tableau- QlikView- Omniscope, etc
17
Специфика IoMT-устройств
#mHealthLab
Многие IoT-‐устройства генерируют данные, охраняемые 152-‐ФЗ. Однако с IoMT-‐устройствами все обстоит значительно сложнее: • IoMT-‐устройства генерируют медицинские данные, наиболее
чувствительные к компрометации
• Взлом и несанкционированное использование IoT-‐устройств может привести к смерти или проблемам со здоровьем владельца
• Интерес злоумышленников к шантажу и вымогательству посредством компрометации IoT-‐устройств с большой долей вероятности в перспективе 3-‐5 лет приведет к развитому «черному» рынку соответствующих преступных услуг (по аналогии с рынком botnets)
• ФСБ необходимо скоординировано с международными институтами стандартизации как можно скорее начать работу по стандартизации и сертификации надежных механизмов защиты IoMT-‐устройств, применимых на территории РФ
Nanoribbon Heart Implant
18
MedCore – медицинские устройства мониторинга здоровья для mHealth Решаемые задачи, номенклатура и варианты использования IoMT-устройств, варианты архитектуры mHealth-систем
19
ЦЖС МФТИ ИМБП РАН
#mHealthLab
Решаемые задачи
#mHealthLab
MedCore – интегрированный набор IoMT-‐устройств и комплементарного ПО для построения комплексных медицинских или телебиометрических решений в следующих областях:
• Медицина (лечение хронических больных, мониторинг пациентов…)
• Реабилитация (уход за новорожденными, лежачими больными…)
• Спорт и фитнес (треккинг показателей, хронометраж тренировок…)
• Здоровый образ жизни (хронометраж сна, контроль храпа…)
• Интенсивные производственные процессы (мониторинг работоспособности операторов, диспетчеров, бойцов…)
MedCore направлен на комплексное решение задач мониторинга биометрических показателей здоровья в реальном масштабе времени и хронометража состояния человека с медицинской точностью
20
#mHealthLab 21
№ Устройство / ПО Принцип действия Логический уровень
1 Бесконтактный сенсор низкочастотной БКГ
Механические колебания фрагмента тела, находящегося над сенсором
Датчик
2 Сенсор-наклейка одноканальной ЭКГ
Колебания электрического потенциала, снятые с кожи в области груди и рук
Датчик
3 Сенсор-наклейка широкополосный микрофон
Звуковые колебания, снятые с кожи в области груди или живота
Датчик
4 Сенсор-клипса SpO2 Колебания светопроницаемой способности кожи, снятые в области кистей, ступней, уха
Датчик
5 Сенсор-наклейка температуры тела Температура кожи в области груди, живота Датчик
6 Сенсор-наклейка гироскоп и 3D-акселерометр
Механические колебания и положение груди, живота, спины, рук и ног
Датчик
7 Концентратор данных Агрегация данных с датчиков и их передача в облако Протокол
8 API для смартфона (Android, IOS) Передача данных для мобильных приложений Протокол
9 API для ингеграции с облачными приложениями
Передача данных для облачных приложений и хранилищ биометрических данных
Протокол
Линейка устройств и ПО MedCore
#mHealthLab 22
№ Устройство Вариант использования
1 Бесконтактный сенсор низкочастотной БКГ
• Хронометраж сна • Хронометраж постельного режима • Регистрация апноэ • Регистрация судорог, конвульсий • Измерение основных биометрических показателей человека в состоянии лежа • Измерение уровня стресса и усталости у оператора (водителя, летчика и т.п.) в состоянии сидя
2 Сенсор-наклейка одноканальной ЭКГ
• Кардиомониторинг в течение дня • Каскадирование устройств для многоканального снятия ЭКГ, включая холтеровское мониторирование • Измерение уровня стресса и усталости у оператора (водителя, летчика и т.п.) в подвижном состоянии
3 Сенсор-наклейка широкополосный микрофон
• Прослушивание сердцебиения плода (для беременных) • Определение посторонних шумов во время дыхания • Определение частоты дыхания в течение дня • Определение силы окружающего шума
4 Сенсор-наклейка SpO2 • Определение сатурации гемоглобина артериальной крови
5 Сенсор-наклейка температуры тела
• Определение температуры тела
6 Сенсор-наклейка гироскоп и 3D-акселерометр
• Определение положения тела • Определение движения тела • Каскадирование устройств для снятия 3D БКГ
7-9 Концентратор данных, API • Сбор биоданных с сенсоров, передача данных в IoT-Middleware или mHealth-облако • Вычисления, связанные с предварительной обработкой «сырых» биоданных
Варианты использования устройств и ПО MedCore
Построение mHealth-системы на базе Open mHealth (схематично)
#mHealthLab 23
ERP
ЛИС
ETL
EHR
REST
Mobile
HL7 GATE
WEB
МИС
3D
Data Hub
БКГ
ЭКГ
Темп
IoMT устройства M2M-сеть Клиника
SpO2
ИТ-системыКлиники
КомпонентыOpen mHealth
КомпонентыMedCore
Устройства используются в больничной палате или домашних условиях
Построение IoTM-системы на базе OpenHAB (схематично)
#mHealthLab 24
xPL
KNX
Add-ons
Core
REST
Mobile
Event Bus
WEB
VSCP
3D
Data Hub
БКГ
ЭКГ
Темп
IoMT устройства M2M-сеть Облако OpenHAB
SpO2 Компоненты OpenHAB для
интеграции со Smart- устройствами
(локально в доме)КомпонентыMedCore
Микрофон
Смартфон
Persis tence
Event Bus
Интерфейсы OpenHAB
RS- 232
Компоненты OpenHAB в
публичном облаке
Устройства используются в
спальной комнате
Устройства используются во время занятий
спортом
25
Прозоров Александр Александрович
Научный сотрудник Лаборатории специальной медицинской техники и технологий МФТИ
Научный сотрудник Инновационного центра космической медицины ИМБП РАН
Генеральный директор МИП «Мобайл Хелс Лаб»
Email: [email protected]
Mobi: +7 916 9989619
Есть вопросы? Задавайте!
#mHealthLab