Технические аспекты телемедицины

   

Качество работы аналого-цифрового преобразователя звуковой карты обычно можно определять в широком диапазоне: от уровня телефона или радиотрансляции до уровня фонограммы компакт-диска. Избавиться же от ошибок, вносимых каналом Интернет, вероятно, невозможно, так как звуковая информация передается по сети пакетам. Пакеты к получателю информации могут прийти различными маршрутами, через различное время и даже могут быть совсем потеряны. На приемной стороне они собираются в непрерывный звуковой поток. Место отсутствующих пакетов заполняется по выбранному алгоритму. Кроме того, для сокращения объема передаваемой информации передаваемый поток может программно отключаться в паузах и при низком уровне звука. Повторное включение потока произойдет с некоторой задержкой после превышения некоторого порога. Очевидно, причин искажения звуковой картины более чем достаточно.

Усложним задачу для телекоммуникационных каналов. Рассмотрим передачу изображений различного вида.

Для того, чтобы переслать простой рисунок-схему, выполненный в графическом редакторе (формат .bmp, .gif и т.п.), потребуется передать несколько десятков килобайтов информации. Отсканированная фотография потребует 150-1500 КБ и более (в зависимости от размеров, пространственного и цветового разрешения). Поясним, каким образом определяются эти объемы информации. Известно, что единицей измерения информации является бит, который может отражать одно из двух состояний - "0" или "1". В медицинском изображении эти состояния могут соответствовать черному или белому цвету одной точки (элемента разложения изображения), называемой пикселем. Если для запоминания пикселя используется один бит, то значения "0" или "1" определяют, будет ли воспроизведенный пиксель черным или белым. Добавление второго бита для хранения информации об одном пикселе дает четыре возможные комбинации из "0" и "1", а именно: "00", "01", "11", "10". Тогда при воспроизведении пикселя получим: черное, белое и два оттенка серого. Количество битов, образующих пиксель, обычно называют его глубиной. Так, пиксель, состоящий из 10 битов, имеет глубину в 10 бит. Увеличение количества битов до 8 (один Байт) дает 256 оттенков серого, а пиксель глубиной в 10 битов может давать 1024 оттенков серого цвета. Медицинские изображения обычно имеют глубину 10-12 битов. Такие изображения требуют 2 Б/пиксель, т.к. данные обычно хранятся и передаются побайтно.

С помощью вышеприведенных данных легко подсчитать размер медицинского изображения. Например, рентгенограмма размером 15301760 пикселей и глубиной 12 битов содержит: 153017602 = 5 385 600 Байтов или 5,39 МБайтов информации.

Пиксели в цветном изображении формируются за счет комбинаций трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Каждый пиксель состоит из 8 битов, умноженных на три, чтобы каждый из этих основных цветов (256 оттенков каждого цвета) внес свой вклад в каждую точку при создании изображения глубиной 24 бита. Цветные изображения в медицине обычно имеют глубину в 24 бита, тогда цветное изображение, состоящее из 15301760 пикселей, будет объемом 8,1 МБ.

Алгоритмы сжатия изображений существенно уменьшают трафик сети, но вносимые при этом искажения могут скрыть от внимания консультанта важные элементы фактуры снимка.

Если обратить внимание на разрешающую способность обычных видеокамер и цифровых фотоаппаратов, то станет ясно - неподвижное изображение от этих источников потребует 150-3000 КБ.

Специально подготовленное видеоизображение (например, в формате .avi) порождает поток около 20 КБ/с, а диагностическое видео требует (как уже упоминалось) 384 Кб/с и более.

Описав потоки информации, рассмотрим возможности их реализации в различных каналах связи.

Обычная модемная связь "точка-точка" даст скорость передачи порядка 28800 Кб/с или даже до 56 Кб/с. Однако посылаемый по каналу пакет в силу случайных процессов может быть искажен на своем пути, а, следовательно, (после контроля) - будет отвергнут и последует запрос на повтор передачи. При большом числе ошибок, т.е. при плохих каналах связи, что весьма характерно для России, реальная скорость передачи может снизиться до тысячи б/с или еще меньше. Модемная связь весьма дорога, поскольку для ее осуществления между абонентами телемедицинской системы потребуется сделать междугородный звонок.

Значительно дешевле при тех же скоростях передачи информации обойдется канал Интернет, но этот параметр становится весьма непредсказуемым из-за действия нового фактора. Хотя связь с провайдером услуг Интернет быстрая, его каналы могут быть перегружены и реальная скорость обмена упадет до неприемлемого значения. Использование выделенной линии до провайдера Интернет позволит увеличить мгновенную скорость до 64 Кб/с и выше, но не устранит опасности перегрузки канала самого провайдера.

Совсем иначе обстоит дело при использовании ISDN-цифрового телефонного канала. В этом случае можно гарантировать скорость обмена на уровне 128 Кб/с или (при мультиплексировании каналов) на любом необходимом уровне. Аналогичной скорости и качества передачи информации можно достичь путем использования спутниковых каналов, что в некоторых случаях является единственным возможным способом установления связи (например, в удаленных труднодоступных районах, где работа ведется вахтовым методом или при отсутствии необходимой инфраструктуры).

Завершая рассказ о коммуникационных каналах, следует упомянуть еще одну их особенность. Передача цифровых данных по сетям характеризуется определенной задержкой информации, возникающей на всех этапах обработки и передачи информации. Свой вклад в такую задержку вносят аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, конечная скорость распространения сигналов, алгоритмы сжатия, восстановления данных и коррекции ошибок. Сквозная задержка сигнала при нормальных коммуникационных каналах может достигать 0,8 - 1,1 с и более. Этот фактор необходимо учитывать при разработке телемедицинских систем реального времени, например, телехирургических комплексов. В некоторых случаях особые требования предъявляются к надежности установленных каналов связи. Если во время телехирургических манипуляций модем "сочтет", что "потеряна несущая", и начнет набор номера провайдера сетевых услуг для восстановления канала связи, идея телехирургии будет безнадежно дискредитирована.

Рассмотрим состав оборудования для работы в режиме "off-line", который дает возможность приступить к использованию телемедицинских технологий с минимальными первоначальными затратами.

Типичная телемедицинская система включает центральный и периферийный (удаленный) консультационный пункт и каналы связи для передачи информации между ними.

Центральный консультационный пункт

В состав оборудования центрального консультационного пункта входят технические и программные средства, обеспечивающие передачу и прием медицинских изображений (рентгеновских снимков, гистологических препаратов и пр.), аудиоинформации и электронной почты из удаленных лечебных учреждений. Несмотря на то, что в основном, предполагается работа с информацией через электронную почту, оборудование для проведения видеоконференций тоже лучше предусмотреть. Однако это может быть относительно дешевое оборудование для Интернет-видеоконференций, обеспечивающее (в необходимых случаях) более свободное общение врачей и работу с материалами на "whiteboard".

Примерный состав оборудования:

• компьютер, оснащенный видеобластером для ввода и вывода видеосигнала в формате PAL, звуковой картой с гарнитурой, средствами передачи информации по каналам Интернет;

• цветная видеокамера со штативом;

• широкоформатный мультимедийный проектор или телевизор с экраном не менее 51 см по диагонали;

• акустические системы;

• осветительное оборудование;

• пейджеры;

• устройство бесперебойного питания типа "on-line smart UPS";

• POP-ящик электронной почты, виртуальный WWW-сервер.

Удаленный консультационный пункт

Состав оборудования удаленного консультационного пункта расширен за счет технических и программных средств, обеспечивающих получение диагностической информации по профилю заболевания.

• компьютер, оснащенный видеобластером для ввода и вывода видеосигнала в формате PAL, звуковой картой с гарнитурой, средствами передачи информации по каналам Интернет;

• сканер рентгеновских снимков;

• цветная видеокамера со штативом;

• необходимое диагностическое оборудование (для работы с жесткими и гибкими эндоскопами любого типа - лапараскопами, артроскопами, цистоскопами, гастроскопами, бронхоскопами, колоноскопами; эндоскопические ксеноновые осветители; офтальмоскоп; цифровая рентгенодиагностическая установка; телевизионные системы, сопряженные с микроскопами, встроенные в специальный шлем врача и т. п. в зависимости от профиля оказываемых консультаций);

• оборудование, позволяющее ввести в компьютер выписки из истории болезни, компьютерные томограммы, снимки УЗИ, электрокардиограммы, изображения нативных препаратов периферической крови, костного мозга и т.п.

• широкоформатный мультимедийный проектор или телевизор с экраном не менее 51 см по диагонали;

• акустические системы;

• осветительное оборудование;

• устройство бесперебойного питания типа "on-line smart UPS".

Технология проведения консультаций в режиме "off-line"

Прием заявок на дистанционное обслуживание центральным консультационным пунктом обеспечивается круглосуточным дежурством квалифицированного медицинского персонала, который в неотложных случаях через пейджерную связь проводит сбор специалистов-консультантов. Запрос на консультацию может поступить по телефону или электронной почте.

Материалы, требуемые для консультации, пересылаются по установленному каналу (E-mail, FTP) в центр. Консультанты центра анализируют полученную информацию, выясняют необходимые детали, используя запросы по электронной почте или при помощи "whiteboard" телеконференции. При необходимости устанавливается видеоконференцсвязь.

Теперь обратим внимание на оборудование, обеспечивающее работу в режиме "on-line".

Состав оборудования центрального консультационно-диагностического пункта

В состав оборудования центрального консультационного пункта входят технические и программные средства, обеспечивающие не только передачу и прием медицинских изображений, аудиоинформации, электронной почты из удаленных лечебных учреждений, но и видеоконференцсвязь с достаточным качеством:

• компьютер, оснащенный видеобластером для ввода и вывода видеосигнала в формате PAL, звуковой картой с гарнитурой, монитором 21'', факс-модемом 56000 US Robotics Courier V ext. для доступа в Интернет или ISDN-модемом,

• компьютер, оснащенный системой регистрации диспетчерских переговоров, звуковой картой с гарнитурой, монитором 17'';

• цветная видеокамера со штативом;

• документ-камера, например PictureTel PTDOC 200;

• акустические системы;

• устройство бесперебойного питания типа "on-line smart UPS";

• пейджеры персонала для оперативного оповещения;

• сканер;

• цифровой фотоаппарат;

• устройство записи компакт-дисков для архивации материалов консультаций;

• телефонный аппарат, телефонная линия;

• постоянное подключение к Интернет по коммутируемой линии;

• фиксированный IP-адрес, домен, например, в зоне spb.ru, POP-ящик электронной почты, WWW-сервер.

Медицинские инженеры из Мюнхенского технического университета разработали особый сенсорный чип, который может быть использован для слежения за состоянием опухоли, о чем сообщает пресс-релиз на на веб-сайте университета. Исследовательский проект, реализованный под руководством профессора Бернарда Вольфа, получил название «Умный имплант для мониторинга опухолей». Злокачественные опухоли интенсивно растут, потребляя из крови и окружающих тканей много кислорода. Чувствительный электронный чип определяет снижение концентрации кислорода в окружающих опухоль тканях и таким образом сигнализирует об агрессивном характере роста опухоли.