Фразы о роли и значении цифровых и информационных технологий, которые обеспечили экономический рывок на стыке тысячелетий, к третьей декаде XXI в. стали общим местом вводной части многих публикаций, посвящаемых тем или иным аспектам развития общественных отношений. Принято считать, что сфера услуг как наиболее подвижная и гибкая по сравнению с товарным производством область человеческой деятельности в наибольшей степени восприняла новые возможности пятого технологического уклада. Но среди услуг разного рода эти возможности реализованы неравномерно. Так, например, степень проникновения цифровых технологий в связь несравненно больше, чем в культуру или образование. Особняком нужно отметить медицину как наиболее консервативную часть человеческой деятельности.
Жизнь диктует новые правила. По данным заслуживающих доверия аналитиков компании Roland Berger GmbH, в течение ближайших пяти лет глобальный объем рынка цифровых услуг в области здравоохранения достигнет $650 млрд, а его средний ежегодный прирост составит 24% (рис. 1).
В нашей стране государством поставлены задачи народосбережения, улучшения демографической ситуации и развития связности удаленных территорий Российской Федерации с обеспечением равного доступа населения к современным медицинским технологиям. В условиях глобальных вызовов, таких как, например, внезапно обрушившаяся на мир пандемия COVID-19, эти задачи требуют активного участия и кооперации научных и производственных коллективов в деле разработки и производства новой медицинской техники, а также подготовки инженерных кадров для ее обслуживания. И здесь без новейших цифровых, информационных и телекоммуникационных технологий сделать что-либо значительное невозможно.
Совместные проекты последних лет, выполняемые в Санкт-Петербурге Университетом ИТМО и АО «ЛОМО», создали реальные предпосылки для прорыва на рынке высокотехнологичной продукции для клинической и лабораторной диагностики в медицине и биологии. Кооперация АО «ЛОМО» как одного из ведущих оптических предприятий России и Университета ИТМО, являющегося признанным лидером среди российских вузов в области информационных технологий, насчитывает много десятилетий. Основным вектором технологического развития «ЛОМО» в секторе гражданского приборостроения является разработка цифровых информационных приборов для нужд медицины и биологии. К их числу относятся новейшие телемедицинские системы, включающие цифровые видеоэндоскопы и лабораторные микроскопы широкого назначения. Комплексный характер взаимодействия «ЛОМО» и Университета ИТМО позволил создать условия для подготовки молодых специалистов, осваивающих современные и создающих новые прорывные технологии медицинской диагностики.
Современные отечественные лабораторные комплексы для телемедицины, серия цифровых приборов для микроскопических исследований, разработанных и поставленных на серийное производство, способны сформировать платформу для интеграции в будущем современных медицинских диагностических систем, включая цифровые приборы для кардиомониторинга, цифровые рентгеноскопы и установки для ультразвуковых исследований. Выполняемый медиками комплексный анализ изображений, полученных с помощью компьютерных и магниторезонансных томографов, цифровых микроскопов, видеоэндоскопов (в том числе с функциями оптической когерентной томографии при поддержке технологий искусственного интеллекта) облегчает диагностику патологий и позволяет выявлять заболевания на ранних стадиях развития, снижая риски осложнений и сокращая продолжительность лечения.
Телемедицинские комплексы «ЛОМО»
В течение последнего десятилетия в мировой медицинской практике наблюдается стремительный рост объема телемедицинских услуг. Ряд ведущих компаний мира разработали и выпустили автоматизированные анализаторы микроизображений, телемедицинские комплексы для ультразвуковой и рентгенографической диагностики, электрокардиографии, компьютерной томографии и другие. Широкое распространение в мире получили переносные телемедицинские терминалы, позволяющие проводить долговременный мониторинг состояния сердечно-сосудистой системы пациентов, измерять уровень сахара в крови и контролировать другие жизненно важные показатели здоровья. По сведениям Всемирной организации здравоохранения, сейчас в мире реализуются несколько сотен проектов в области телемедицины, среди которых, кроме клинических и информационных, выделяют также образовательные, связанные с телеобучением специалистов в области медицины. Одна из главных задач, стоящих перед современной телемедициной, — развитие методов медицинской информатики, стандартизация регистрации и формализации медицинских данных.
В России телемедицинские технологии тоже развиваются весьма интенсивно. За последнее десятилетие в нашей стране организован координационный совет Минздрава России по телемедицине, утверждена концепция развития телемедицинских технологий, разработан и принят первый национальный стандарт в области медицинской информатики [2], который устанавливает общие положения для разработки требований к организации создания, сопровождения и использования информационных систем типа «электронная история болезни». Разработаны и серийно выпускаются биологические цифровые микроскопы нового поколения — микровизоры, обладающие расширенными телекоммуникационными возможностями [3]. В целом, однако, отечественное аппаратное обеспечение телемедицины отстает от мирового уровня, что связано с отсутствием специального оборудования для клинической и лабораторной диагностики.
Следуя стратегии научно-технологического развития Российской Федерации в вопросах обеспечения перехода к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, Университет ИТМО совместно с АО «ЛОМО» реализовал идею совмещения на одной информационной платформе сразу нескольких систем клинической и лабораторной диагностики. Иллюстрирует эту идею новый телемедицинский комплекс [4], включающий цифровой видеоэндоскоп и лабораторный цифровой микроскоп, интегрированные в систему «Электронный госпиталь» с поддержкой технологии электронных медицинских записей об анамнезе пациентов и результатах диагностики. Современные телекоммуникационные средства данного комплекса обеспечивают возможность передачи данных о результатах исследований по защищенным каналам связи в сети Интернет с последующей их обработкой специалистами-диагностами и обратной отправкой рекомендаций на места.
На рис. 2 представлен телемедицинский комплекс «ЛОМО», включающий видеоэндоскопическую систему (слева в стойке) и систему для микроскопических исследований (на столе справа).
Телемедицинский комплекс, содержащий современную диагностическую аппаратуру, необходимо оснащать средствами интеллектуальной обработки получаемых данных, а также нужно обладать возможностями передавать эти данные удаленным адресатам. Для этих целей комплексу требуется дополнительная управляющая сетевая система с базой данных диагностических исследований и средствами управления и доступа агентов к информации и функциям приборов.
На рис. 3 показана функциональная схема такой сетевой системы, построенная по принципу «Электронного госпиталя». В качестве ее активных клиентов выступают операторы диагностического оборудования, а пассивными клиентами могут быть любые наблюдатели, имеющие соответствующие допуски и доступы. К их числу относятся специалисты-диагносты, консультанты, участники медицинских телеконференций. Хранение медицинских изображений осуществляется на DICOM-сервере, на который данные поступают с видеосервера в DICOM-пакете. Пользователи комплекса через веб-интерфейс или локальную компьютерную сеть получают доступ к этим данным, используя визуализатор DICOM-пакетов.
Особенностью телемедицинского комплекса «ЛОМО», наряду с передачей «живого» видеопотока, является возможность удаленного управления его приборами. Благодаря обеспечению доступа к прямой трансляции с выхода диагностических систем специалистам из крупных медицинских центров можно повысить качество оказания медицинских услуг. Кроме того, удаленный доступ предоставляет возможность дистанционного послепродажного обслуживания телемедицинского комплекса. Если пользователь обнаружит неисправность, изготовитель может подключиться к комплексу через Интернет и провести диагностику. Если проблема незначительна, изготовитель может ее решить удаленно, без необходимости выезда к потребителю, что значительно сократит время устранения неисправностей.
Автоматизированные мультиспектральные цифровые микроскопы «ЛОМО»
Развитие методов лабораторной диагностики диктует необходимость разработки и создания нового поколения приборов с улучшенными техническими характеристиками в части повышения информативности и достоверности. Этих качеств можно достичь за счет применения новейших аппаратных средств и методов математической обработки получаемых с помощью этих средств данных. В микроскопах, решающих задачи лабораторного исследования биологических образцов, аппаратные средства люминесцентной диагностики являются основой для получения специфических данных о форме, структуре, а иногда и составе клеток биотканей. Цифровые изображения, получаемые в этих микроскопах в различных спектральных диапазонах, позволяют с максимально возможной достоверностью определить характер патологий и степень их развития. Для работы с этими уникальными приборами нужны специальные знания и навыки, которые можно приобрести только в результате продолжительного опыта работы. На рис. 4 показаны мультиспектральные автоматизированные анализаторы микроизображений в базовой (а) и учебной (б) конфигурациях.
Особенностью данной линейки цифровых микроскопов является модульное построение, что обеспечивает уменьшение трудоемкости и стоимости их производства, а также сокращает время адаптации специалистов, прошедших подготовку для работы на этих приборах в медицинских учебных заведениях, к работе в условиях научных и лечебных центров.
Цифровые микроскопы с пространственным сверхразрешением
Цифровые технологии открывают ранее недоступные горизонты традиционной оптики. Считавшийся до последнего времени непреодолимым дифракционный предел пространственного разрешения наблюдательных систем возможно переступить (ненамного) и увидеть то, что ранее было недоступно. Математическая обработка цифровых изображений, полученных в условиях структурированного освещения объектов или методами оптической птихографии, применяется для синтеза изображений со сверхразрешением. Эти изображения содержат детали, которые невозможно обнаружить на изображениях, полученных в стандартных условиях. Это кажется неким фокусом, но все можно объяснить довольно просто.
Любая изображающая система имеет ограниченную числовую апертуру, величина которой совместно с длиной волны освещения полностью определяет минимальный размер наблюдаемых объектов. Физически числовую апертуру объектива увеличить невозможно, но математически, применяя специальные средства освещения и спектральные преобразования, возможно расширить спектр пропускаемых оптической системой пространственных частот и синтезировать виртуальную числовую апертуру оптической системы значительно большей величины, а следовательно, и с большим пространственным разрешением. При строгом соблюдении всех необходимых конструктивных ограничений, накладываемых на оптическую систему цифрового наблюдательного прибора, изображение со сверхразрешением, получаемое после обработки ряда изображений со стандартным пространственным разрешением, содержит существенно больше информации при сохранении степени ее достоверности [5].
На рис. 5 показан результат формирования изображений клеточной структуры в цифровом микроскопе «ЛОМО» со сверхразрешением. В верхней части фотографии представлен результат наблюдения объекта в стандартных условиях с помощью объектива с увеличением 40 крат и числовой апертурой 0,85. В нижней части снимка для сравнения приведен результат синтеза цифрового изображения того же объекта в режиме сверхразрешения.
Цифровые микроскопы со сверхразрешением разработаны в Университете ИТМО в кооперации с их будущим изготовителем АО «ЛОМО», обеспечившим одновременно с этим проведение комплекса работ по подготовке серийного производства.
Заключение
Создание нового поколения цифровых приборов для клинической и лабораторной диагностики может стать частью отечественного технологического базиса внедрения инновационных медицинских технологий, а сами приборы — информационным элементом единого цифрового контура в рамках национального проекта «Здравоохранение».
Литература
- Kukhtevich I. I., Goryunova V. V. Digitalization in Healthcare and Telecommunication Support Systems in Medicine // Advances in Economics, Business and Management Research. Proceedings of the Russian Conference on Digital Economy and Knowledge Management (RuDEcK 2020). 148. 2020. PP. 364–369.
- ГОСТ Р 52636-2006 «Электронная история болезни. Общие положения».
- Белашенков Н. Р., Калинина Т. Ф., Лопатин А. И., Скобелева Н. Б., Тютрюмова Т. В. Микровизоры — новое поколение цифровых микроскопов // Оптический журнал. 2009. Т. 76. №10. С. 52–57.
- Гуров И. П., Никифоров В. О., Потапов А. С., Белашенков Н. Р., Лямин А. В., Рудин Я. В., Скшидлевский А. А., Варламова Л. Л. Диагностический оптико-цифровой комплекс для телемедицины // Оптический журнал. Т. 79. №11. 2012. С. 47–52.
- Bezzubik V. V., Belashenkov N. R., Vasilyev V. N., Inochkin F. M. Optimization-based image reconstruction method for super-resolution structured-illumination microscopy // Journal of Optical Technology. V. 86. №12. 2019. PP. 748-757.
Автор: Николай Белашенков, к. ф.-м. н., Ярослав Рудин, к. т. н., Виталий Беззубик, Фёдор Иночкин, к. т. н., Владимир Васильев
Источник: https://controleng.ru/