IoMT - Technological Environment of Personalized Medicine and New Era of Healthcare

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


#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


#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


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


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


#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