Информационные системы в медицине

 

Совокупность технических средств, программного обеспечения и обслуживающего персонала составляет информационную систему (ИС). ИС обеспечивает все этапы работы с медицинской информацией: сбор, хранение, поиск, обработку, передачу и представление ее в удобной для пользователя форме. Процессы в ИС можно представить в виде нескольких этапов:

· Ввод информации.

· Обработка информации

· Вывод информации для пользователя или введения в другую ИС.

На разных этапах функционирования ИС роль медицинского персонала различна. Она может быть основной, обеспечивающей работу всей ИС – от начала до конца. В некоторых случаях для нормального функционирования ИС необходима помощь технического персонала: программистов, системных администраторов, специалистов в области компьютерной техники.

В структуре ИС можно выделить ряд следующих подсистем:

Информационное обеспечение – одна из важнейших подсистем ИС медицинского учреждения. Она предусматривает создание единой для всего медицинского учреждения классификации и кодирования информации, унификацию всей документации: историй болезни, карт амбулаторного больного, учетно-статистических документов, протоколов различных диагностических исследований и др.

На основе существующих стандартов и протоколов передачи данных создается единая для всех подразделений лечебного учреждения схема циркулирования информационных потоков. Упорядочивается методология построения всех баз данных как медицинского, так и не медицинского характера. Обычно в реализации информационного обеспечения, помимо медицинского персонала, задействуются специалисты по программному обеспечению, системотехники, математики.

Техническое обеспечение. Включает в себя комплекс технических средств, обеспечивающих функционирование ИС: компьютеры, устройства ввода и вывода информации, электронные архивы, линии связи, а также разнообразную оргтехнику. Сложность и объем технического обеспечения зависят от величины и профиля лечебного учреждения, а также от наличия у учреждения финансовых ресурсов.

Математическое и программное обеспечение. Представляет собой совокупность системных, служебных и прикладных программ, математических моделей и алгоритмов, необходимых для решения профессиональных задач. При этом предусматривается наличие как специальных медицинских программных средств, так и программного обеспечения общего, в основном офисного, назначения.

Организационное обеспечение. Подразумевает четкую регламентацию взаимодействия сотрудников лечебного учреждения с техническими средствами ИС. При этом из состава медицинского персонала выделяются сотрудники, ответственные за подготовку задач, подлежащих решению с помощью ИС, а среди персонала устанавливаются организационно-правовые нормы работы в ИС, которые закрепляются соответствующим распоряжением администрации лечебного учреждения.

Эффективность работы ИС в лечебном учреждении в значительной степени зависит от понимания сотрудниками целей и задач, для решения которых и создана конкретная ИС. Все задачи, которые возникают в процессе функционирования лечебного учреждения, можно разделить на три класса: структурированные (формализуемые), неструктурированные (неформализуемые) и частично структурированные.

Структурированные, или формализуемые, задачи – это те задачи, в которых известны все составляющие их элементы и имеются однозначные алгоритмы решения. Обычно такие задачи относятся к рутинным операциям с данными, их приходится решать многократно, используя одни и те же математические модели. К таким задачам можно отнести, например, расчет заработанной платы персонала, движение лекарственных средств из аптеки по подразделениям лечебного учреждения, выполнение внутрибольничных экономических расчетов. Для выполнения всех этих задач необходимы компьютеры невысокой сложности с минимальным набором периферийного оборудования.

Отдельную формализуемую задачу составляет поддержка базы данных лечебного учреждения, которая должна выполняться обязательно с учетом высоконадежной защиты этой базы от несанкционированного доступа посторонних лиц. Очевидна также необходимость надежного функционирования программного обеспечения в случаях непредвиденного обесточивания оборудования, поэтому оснащение компьютеров, используемых в ИС, источниками бесперебойного питания является обязательным требованием. Для крупных лечебных учреждений должна быть предусмотрена система архивирования и магнитных хранилищ информации, построенная по принципу цепочки «электронных архивов» с различным временем хранения информации, частотой обращаемости и временем доступа к ней.

Таким образом, основное назначение ИС при решении структурированных задач в лечебном учреждении состоит в автоматизации рутинной работы, повышении комфортности и надежности работы медицинского персонала. В результате этого повышается эффективность работы лечебного учреждения в целом. С позиции управления лечебным учреждением, такие ИС и решаемые ими задачи можно отнести к так называемому оперативному уровню управления. Он включает в себя хозяйственную деятельность, работу различных вспомогательных служб (аптеку, кадры, бухгалтерию и др.), информационную деятельность, маркетинг, работу со страховыми компаниями, взаимоотношения с другими лечебными учреждениями и органами здравоохранения. В соответствии с поставленными задачами создаются отдельные подтипы ИС: финансовые и учетные системы, система «аптека», системы «кадры», «бухгалтерия», «приемный покой», «медицинский архив» и др.

К частично структурируемым задачам относятся такие, в которых известна лишь часть составляющих их элементов, при этом связи между элементами не всегда могут быть определены очевидно и однозначно. В таких условиях на компьютер возлагается лишь черновая, наиболее емкая и сложная часть аналитической работы. Окончательное же решение по результатам компьютерной обработки имеющейся информации принадлежит пользователю – медицинскому работнику или другому сотруднику лечебного учреждения. ИС, используемые для решения частично структурированных задач, составляют значительную часть информационного обеспечения в медицине.

Наиболее распространенными ИС указанного выше направления являются так называемые управленческие системы. Они предназначены для анализа большого количества формализованных данных, на основе которого принимается то или иное управленческое решение. Такие системы широко применяются при составлении отчетов. Они помогают рассмотреть возможные варианты альтернативных решений и выбрать из них наиболее оптимальное для данной конкретной ситуации. В этих системах предусмотрена возможность комбинировать данные, полученные из разных источников, быстро добавлять или исключать источники данных, обеспечивая при этом их логическую независимость друг от друга.

Некоторые ИС имеют набор готовых моделей (математических, статистических, медицинского характера), которые облегчают анализ данных, составление отчета и выработку решений.

Неструктурированные задачи – наиболее сложные. При них нет готовых моделей и математических алгоритмов, на основе которых можно было бы принять решение. Для решения таких задач применяются очень сложные ИС, носящие название экспертных.

Суть их состоит в том, что такая ИС создается на основе базы знаний, которой является плодом личного опыта высокопрофессиональных экспертов. Созданием экспертных ИС занимается специальная наука – инженерия знаний. Экспертные ИС базируются на сложных и высокопроизводительных компьютерах, построенных по кластерному принципу или на основе нейрокомпьютерных сетей.

В последнее время в практику здравоохранения начинает проникать новая технология создания ИС, основанная на нейропроцессорах и в целом носящая названия нейрокомпьютерной сети (нейросети). Прототипом нейрокомпьютерной сети является функциональная единица головного мозга – нейрон. Именно такой элементарной компьютерной ячейкой служитя искусственный нейрон, или, как его еще называют, пороговый нелинейный сумматор. В сети искусственные нейроны расположены слоями. Совокупность таких слоев, связанных обратной связью, носит название персептрон (рис.5.1). Таким образом, многослойный персептрон является структурной основной единицей нейросетей, лежащих в основе экспертных

систем.

Принцип работы персептрона состоит в следующем. На вход каждого нейрона подается импульс (или несколько импульсов). Если совокупность пришедших на нейрон импульсов отвечает некоему уровню срабатывания (этот уровень задается программным путем), нейрон пропускает импульс в виде сигнала на вышестоящий по иерархии нейрон. Этот вышестоящий нейрон связан имеет обратную связь с нижестоящими нейронами. По этим каналам обратной связи на нижестоящий нейрон

Рис.5.1. Принцип работы нейрокомпьютерной сети

 

приходит информация о том, соответствуют ли пришедшие наверх импульсы задачам нейросети. Если да, то импульсы следуют дальше, если нет – нейроны блокируют прохождение импульсов. Кроме того, учитывается сила связи между сигналами, на основании чего корригируется прохождение полезного сигнала по сети. Таким путем происходит обучение нейросети на выработку полезных сигналов при приходе в ней совокупности различных воздействий.

Информационные системы, основание на нейрокомпьютерных сетях, применяются в медицине для построения обучающихся экспертных систем. При этом в качестве экспертов для обучения нейросетей используются опытные специалисты, а также коллективный опыт, накапливаемый за длительное время в лечебном учреждении. Такие хорошо обученные экспертные системы берут на себя наиболее сложные задачи: классификацию явлений, прогнозирование ситуации, распознавание образов, принятие решений.

В последние годы в практику систем управления механическими средствами и медицинскими приборами входят методы, основанные на принципах нечеткой логики (fuzzy logic). С ее помощью можно описать ассоциативное мышление человека. Суть такого подхода состоит в том, что вместо обычных логических операций, присущих классической, или булевой, логике (истина-ложь, 0-1), вводится понятие «лингвистической переменной». С лингвистической переменной можно связать любую физическую величину, для которой нужно иметь больше значений, чем «да» и/или «нет». При этом значения любой величины представляются не числами, а словами естественного языка, называемыми «термами»: далеко, близко, высоко, не очень высоко, низко и т.п. Так, например, для уровня артериального давления пациента значениями лингвистической переменной являются термы «низкое», «нормальное», «высокое». Возраст человека можно обозначить термами «молодой», «средний», «пожилой». Обычно для каждого явления устанавливают 3–4 термы.

Для каждого точного значения переменной (в данном случае величины АД, в мм рт. ст. или возраста человека, в годах) подбирается уловное цифровое значение от 0 до 1, которое определяет степень принадлежности исследуемого параметра (АД, возраста) к тому или иному терму лингвистической переменной (в нашем примере артериальное давление или возраст). Этот процесс носит название «фазификации», или перехода к нечеткости.

Далее в закон вступают математические правила решений задач нечеткой логики. На последнем этапе производится «дефаззификация» (устранение нечеткости данных), в результате которой получают точное значение переменной, которое служащее командой к исполнительному устройству. В медицине это обычно системы контролируемой перфузии биологических жидкостей и лечебных препаратов, аппараты искусственного дыхания. Принципы нечеткой логики используются также при моделировании управляемых конечностей (протезов) человека.

Все операции с нечеткой логикой производятся на нейрокомпьютерах или нейропроцессорах. В настоящее время разработан программный пакет Fuzzy TECH 3.0 для работы на компьютере по правилам нечеткой логики. Выпускаются специальные процессоры для нечеткой логики, например, i80170NC (Intel). В некоторые из процессоров встроены алгоритмы обучения. На рис.5.2. представлена схема управления, которая применяется в условиях различной сложности объекта и величины информации о нем.

 

Рис. 5.2. Схема управления в зависимости от сложности объекта

и количества существующей информации о нем.

 

Логическим этапом развития экспертных ИС является создание интеллектуальных систем, способных на компьютерном уровне выполнять отдельные мыслительные операции человека. Интеллектуальные системы находятся пока еще в стадии разработки, в мире существует лишь несколько интеллектуальных систем на уровне прототипа, т.е в «черновом» варианте. Они установлены в крупных научных медицинских центрах. Задача экспертных и интеллектуальных ИС состоит в выработке стратегически важных для лечебного учреждения решений. Некоторые хорошо составленные экспертные системы апробируются в диагностике заболеваний. Перспективным направлением развития экспертных систем является автоматизация медицинской диагностики, носящей рутинный характер, например, автоматизированный анализ флюорограмм грудной клетки. Однако это относится пока еще к нерешенным задачам.

В лечебных учреждениях страны на различных этапах оказания медицинской помощи функционирует ряд специализированных медицинских ИС, отличающиеся некоторыми особенностями, которые зависят от их назначения. Их можно объединить в 3 группы:

· Базовый уровень – это медицинские работники лечебного учреждения (врачи, лаборанты, медицинские сестры), работники аптек, служб технического и финансового обеспечения. К этому уровню относятся стационары, поликлиники, диспансеры, службы скорой помощи.

· Территориальный уровень – это региональные органы управления здравоохранением, профильные специализированные лечебно-консультативные центры, органы санэпиднадзора, системы ОМС, высшие и средние учебные заведения.

· Федеральный уровень – это федеральные органы управления здравоохранением, головные научно-исследовательские институты, финансовые институты.

Медицинские информационные системы базового уровня предназначены для поддержки технологических процессов, в основном лечебных учреждений различного профиля и организационной структуры. Основная цель ИС базового уровня – оптимизировать работу медицинского и вспомогательного персонала. В ИС этого уровня выделяют информационно-справочные и косультативно-диагностические направления.

В особую группу медицинских ИС входят приборно-ориентированные компьютерные системы. Они являются составной частью медицинских аппаратно-компьютерных приборов. Их программные средства обычно жестко ориентированы на выполнение узкого круга задач, для которого они предназначены. К таким приборно-ориентированным ИС, как уже упоминалось в предыдущей главе, относятся приборы дистанционного кардиомониторинга, комплексного реанимационного мониторинга, компьютерные и магнитно-резонансные томографы, ультразвуковые аппараты и некоторые другие медицинские приборы.

К особому типу ИС относятся автоматизированные рабочие места персонала (АРМ, или рабочие станции). О них речь шла в предыдущей главе.

Медицинские информационные системы территориального уровня

предназначены для обслуживания отдельно взятой территории (города, области, края, республики). Их основное назначение – обеспечить управление различными медицинскими службами – поликлиниками, стационарами, диспансерами, службой скорой помощи, а также осуществлять взаимосвязь с системой медицинского страхования, службой санитарного контроля, медицинскими образовательными учреждениями, научно-исследовательскими институтами.

Обычно в медицинской информационной системе территориального уровня выделяют несколько подсистем, главными из которых являются:

· Административно-управленческая информационная система.

· Единый медико-социальный регистр медицинского информационного центра.

· Статистические информационные системы.

· ИС отдельных лечебных учреждений (поликлиник, стационаров, аптек, диспансеров, санаториев, скорой медицинской помощи).

· ИС фонда медицинского страхования и отдельных страховых компаний.

Медицинские информационные системы федерального уровня предназначены для обеспечения полноценной деятельности здравоохранения страны. Основными подсистемами федерального уровня являются следующие:

· Административно-управленческая информационная система. Осуществляет управление региональными органами здравоохранения.

· Статистические информационные системы. Они обеспечивают сводные данные по стране всех статистических показателей из регионов.

· Справочно-правовая информационная система. Предназначена для консультационной поддержки по всем вопросам организации здравоохранения (приказы, нормативные документы, сведения юридического характера).

· Медицинско-технологические информационные системы профильного назначения по различным медицинским специальностям.

· Консультативно-диагностические системы федерального уровня. Обычно поддерживаются крупнейшими научно-исследовательскими институтами, университетскими клиниками. Нередко работают в режиме телемедицины.

· Библиографические информационные системы. Содержат библиографические и тематические обзоры по различным разделам медицины и здравоохранения.

 

Контрольные термины и понятия для самостоятельной проверки знаний

· Понятие информационной системы и ее составляющие части.

· Информационное обеспечение.

· Техническое обеспечение.

· Математическое и программное обеспечение.

· Организационное обеспечение.

· Понятие о структурированности медицинских задач.

· ИС, основанные на нейросетях.

· Понятие нечеткой логики.

· Экспертные ИС.

· Базовый уровень ИС.

· Территориальный уровень ИС.

· Федеральный уровень ИС.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие составные части включает в себя информационная система?

2. Какое техническое и программное обеспечение должна иметь информационная система?

3. Какое назначение имеют экспертные системы?

4. Какие уровни экспертных систем существуют в здравоохранении?

5. Что такое «нечетка логика» и где она используется?

6. Какие типы медицинских задач подлежат компьютерной обработке?

Тестовые задания

Первый уровень

1. Информационная система – это:

а– сочетание компьютеров;

б – сочетание программных средств;

в – управленческие системы;

г – совокупность программно-компьютерного обеспечения

информации.

2. Вопросы, решаемые региональными информационными системами – это:

а – планирование бюджета страны;

б – планирование бюджета региона;

в – организация медицинской службы;

г – организация технического контроля.

3. Нейросети – это сочетание:

а – компьютеров;

б – персептронов;

в – серверов;

г – аппаратно-компьютерных комплексов.

 

Второй уровень

 

1. Информационная система – это …

2. Экспертная система – это …

3. Нейрокомпьютерные сети основаны на …

4. Нечеткая логика предназначена для …

5. Структурированные медицинские задачи – это:

6. Неструктурированные медицинские задачи – это..

7. Частично структурированные медицинские задачи – это …

 

Третий уровень

1. Дайте понятие информационных систем и их составных частей.

2. Охарактеризуйте экспертные системы.

3. Какие вопросы решают экспертные системы базового уровня?

4. Какие вопросы решают экспертные системы территориального уровня?

5. Какие вопросы решают экспертные системы федерального уровня?

6. Дайте понятие о нейросетях и их возможностях в медицине.

7. Что такое «нечетка логика» и где она применяется в медицине?

 

 

Г л а в а 6