Internet of Medical Things - технологическая среда персональной медицины и новой эры здравоохранения, основанной на принципах сохранения здоровья и предупреждения заболеваний. Доклад на Московском суперкомпьютерном форуме, 29 октября 2015 года, Москва.

1. 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

2. 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

3. Internet of Medical Things (IoMT)
Что такое IoMT? Задачи,
логические
уровни,
протоколы
и
архитектура
телебиометрических
систем
3
ЦЖС МФТИ
ИМБП РАН
#mHealthLab

4. Что такое IoMT?
#mHealthLab
Internet
of
Things
Medical
Devices
IoMT
4

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. Экономические предпосылки mHealth
#mHealthLab
9
Предотвратимые осложнения
Ненужные процедуры
Неэффективность
Ошибки
Положительный
исход
30-40%
потери
60-70%
польза
Положительный
исход100%
польза
2020
2015
*
По
данным
американской
компании
HealthCatalyst
на
основе
североамериканской
статистики
За
что
готов
платить
пациент*?

10. 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?

11. 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

12. 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

13. #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

14. 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

15. 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
EHR
Имплантируемые
мед. устройства
Нательные мед.
устройства
Носимые мед.
устройства
Стационарные
мед. устройства
Кон-
цент-
ратор
дан-
ных
15

16. 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
Modelling
Platform
Machine
Learning Tools
Analitycs
Analitycs
Platform
Visualization
Tools

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. #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

22. #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

23. 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-системы
Клиники
Компоненты
Open mHealth
Компоненты
MedCore
Устройства
используются в
больничной
палате или
домашних
условиях

24. 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)Компоненты
MedCore
Микро
фон
Смарт
фон
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. 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: ap@mhealthlab.ru
Mobi: +7 916 9989619
Есть вопросы? Задавайте!
#mHealthLab