Телемедицинский терминал для осмотра и тестирования работников промышленных и транспортных предприятий Российский патент 2021 года по МПК A61B5/00 G16H10/00 

Настоящее изобретение относится к информационно-телекоммуникационным технологиям, предназначенным для получения и цифровой обработки медико-биологических данных о жизненно важных параметрах состояния здоровья человека, в частности, к комплексам, обеспечивающим передачу на центральную станцию результатов медицинских осмотров и тестирования работников для принятия предварительных диагностических решений.

Как известно, в июле 2020 года вступил в действие федеральный закон (ФЗ) от 24.04.2020 №123-ФЗ, согласно которому в отдельном субъекте Российской Федерации - г. Москве установлен экспериментальный режим правового регулирования для создания необходимых условий разработки и внедрения технологий искусственного интеллекта (ИИ). Указанный комплекс технологических решений включает в себя информационно-коммуникационную инфраструктуру, которую образуют программно-аппаратные комплексы (ПАК), процессы и сервисы по хранению и цифровой обработке данных и принятию ситуационных решений.

Задачами указанного правового режима являются: создание благоприятных условий развития технологий ИИ, апробация этих технологий в одном из субъектов РФ, оценка по результатам эксперимента эффективности и результативности установления специального правового регулирования для дальнейшего распространения его на другие субъекты РФ (ст. 3 ФЗ №123-ФЗ).

Можно предположить, что появление и оперативный ввод в действие этого правового документа, были связаны, в том числе, с пандемией новой коронавирусной инфекции COVID-19, охватившей нашу страну и весь мир в начале 2020 года, в частности, с необходимостью принятия скорейших мер по недопущению перехода эпидемической ситуации в столице из стадии «повышенная готовность» в стадию «чрезвычайная ситуация» (Указ Мэра Москвы от 05.03.2020 №12-УМ "О введении режима повышенной готовности"). Выбор для проведения эксперимента Москвы связан, с одной стороны, с тем, что в столице в то время было зафиксировано наибольшее в стране количество заболеваний, а с другой стороны, с тем, что именно в столице накоплен наибольший опыт как разработки, так и практического применения новейших технологических решений в сфере ИИ и телемедицины, которые могли бы существенно повысить эффективность борьбы с распространением эпидемий и избежать перехода их в стадию ЧС. Правовые основы для практического внедрения цифровых телемедицинских технологий у нас в стране заложены Федеральным законом от 29.07.2017 года №242-ФЗ («законом о телемедицине») и пока единственным в сфере телемедицины национальным стандартом ГОСТ Р 57757-2017.

Сфера возможного внедрения телемедицины для дистанционной оценки параметров функций, жизненно важных для жизнедеятельности человека весьма широка, однако первостепенными являются те области ее применения, в которых от состояния здоровья одного (или нескольких) человек зависят здоровье и жизнь других людей. Именно к таким областям относятся методы и средства борьбы с пандемиями, а в повседневной жизни медицинского контроля за состоянием здоровья работников промышленных и транспортных предприятий, безопасность деятельности которых наиболее подвержена влиянию «человеческого фактора». Для таких предприятий законами РФ предусмотрена обязательные процедуры прохождения предсменных (предрейсовых) и послесменных (послерейсовых) медицинских осмотров, далее ПРМО.

Из существующего уровня техники известен ряд объектов интеллектуальной собственности (ОИС), относящихся к этому направлению.

Наиболее известными в транспортном сегменте являются технология и ПАК, зарегистрированные под торговой маркой "Телемедик" (свидетельство на товарный знак №699256 от 22.06.2017). ПАК "Телемедик" представляет собой измерительный терминал для проведения ПРМО, содержащий компьютерный моноблок с предустановленным на нем программным обеспечением (ПО) и встроенной видеокамерой, комплект измерителей физиологических параметров человека в составе: измерителя артериального давления (АД) и частоты пульса тонометра, измерителя температуры тела пациента пирометра и устройства для определения концентрации паров алкоголя в выдыхаемом воздухе алкотестера, а также принтер для печати этикеток на путевой лист с отметками медицинского работника. Компьютерный моноблок содержит связанные друг с другом блок памяти и микроконтроллер с периферийными устройствами - панелью управления (компьютерной клавиатурой), блоком памяти, сенсорным дисплеем и видеокамерой (www.telemedic.ru).

В соответствии с технологией "Телемедик", с помощью сети Интернет осуществляют сеанс двухсторонней связи и обмена информацией между автоматизированным рабочим местом (АРМ) медицинского работника (врача/фельдшера), установленным в центре контроля состояния здоровья работников (пациентов), например, в ближайшей поликлинике, и удаленным пунктом медицинского осмотра, в котором находится ПАК "Телемедик". До начала осмотра в процессе двухстороннего обмена данными по сети Интернет проводят идентификацию и аутентификацию пациента, после чего передают из указанного центра в удаленный пункт информационное сообщение, содержащее автоматизированный опросник в форме, понятной человеку, не имеющему медицинского образования, и команду на проведение инструментальных измерений показателей гемодинамики, температуры тела пациента и концентрации алкоголя (этанола) в выдыхаемом воздухе. В обратном направлении через сеть Интернет транслируют на АРМ врача/фельдшера фото-видеоизображения пациента и телеметрические данные инструментальных измерений указанных выше физиологических показателей, принимают эту информацию в центре, анализируют ее врачом/фельдшером, заносят в электронное хранилище, содержащее персональные данные пользователя и результаты предыдущих медицинских осмотров, сопоставляют принятую и ранее полученную информацию о пациенте, и в результате анализа совокупности имеющейся информации формируют медицинское заключение о состоянии здоровья пациента с целью дальнейшего принятия решения о допуске его к рейсу (смене) или об отстранении от рейса. В случае допуска работника к рейсу осуществляется либо распечатка на принтере термоэтикетки с указанием времени прохождения медосмотра, фамилии, имени, отчества работника и квалифицированной электронной подписи врача/фельдшера либо путевого листа с указанием информации, аналогичной указываемой в термоэтикетке. В случае не допуска работника к рейсу на электронную почту руководителя предприятия (или уполномоченного им лица) посылается соответствующее письмо, а работника направляют в лечебно-профилактическое учреждение - поликлинику, больницу и т.п. (tvmedic.ru).

Недостатки этой технологии заключаются в том, что врач/фельдшер, обязанный подписывать заключение о возможности допуска работника к рейсу (смене) либо о необходимости отстранении его от рейса (смены), не имеет достаточных технических средств для доказательной оценки психоэмоционального состояния работника перед выходом в рейс и вынужден принимать решение лишь на основе своего собственного опыта и результатов весьма ограниченного количества инструментальных измерений, осуществляемых ПАК "Телемедик". Кроме того, не исключены случаи обмана врача пациентом либо сговора между ними. Соответственно, достоверность результата дистанционного ПРМО, обеспечиваемого технологией "Телемедик", не может удовлетворить руководителя, отвечающего в конечном счете за медицинскую составляющую безопасности движения транспортных средств, особенно в тех случаях, когда речь идет о транспортировке групп людей и опасных грузов.

В этих случаях в основе принятия окончательного решения должна лежать совокупность результатов измерений достаточного количества индикативных физиологических параметров и доказательных оценок адекватного психоэмоционального состояния работника.

Из уровня техники известен ряд устройств и комплексов для интегральной автоматизированной оценки как физиологических параметров человека, так и его психоэмоционального состояния. К ним относятся: «Устройство контроля и оценки физиологических процессов» (RU №2203614, А61В 502), «Устройство для проведения дистанционных медицинских консультаций и контроля медицинских данных пациента» (RU №2476931, G06Q 10/00, G06Q 50/22), «Многофункциональное аппаратно-программное устройство автоматизированной оценки психоэмоционального состояния человека» (RU №2678300, А61В 5164, А61В 5165), «Автоматизированное устройство для контроля и оценки состояния обследуемого объекта» (RU №184210, А61В 50205, А61В 518), «Хаб для дистанционного контроля состояния здоровья работников бригад подвижного состава» (RU №196685, А61В 500, G16H 1000), «Радиоканальный комплекс для дистанционного контроля состояния здоровья и рабочей активности сотрудников промышленных и транспортных предприятий» (RU №2739126, А61В 500, G16H 1000), «Измерительный терминал для проведения дистанционного контроля работников железнодорожного транспдициорта» (RU №2729713, А61В 5/0205, G16H 10/60) и др.

Из представленного выше ряда ОИС наиболее близким к предлагаемому техническому решению является патент на изобретение RU №2729713. Его сущность заключается в том, что в вышеупомянутый измерительный терминал ПАК "Телемедик" введены связанные друг с другом второй микроконтроллер и второй измерительный блок, а также хаб, связанный со вторым микроконтроллером и выполненный с возможностью передачи видеоинформации и текстовых сообщений с помощью радиосетей, работающих в диапазонах гигагерцовых (ГГц) и мегагерцовых (МГц) частот, микрофон, блок звукового воспроизведения, к выходу которого подключены наушники, а вход соединен с аудиовыходом второго микроконтроллера, при этом компьютерный моноблок выполнен с дополнительным интерфейсным портом, с помощью которого он связан с аналогичным интерфейсным портом второго микроконтроллера. При этом хаб содержит последовательно соединенные блок селекции измерительных каналов и управляемое пороговое устройство, связанное с видеосервером, второй управляющий выход которого подключен к управляющему входу блока селекции измерительных каналов.

Это дает возможность дистанционно осуществлять интегральную оценку психофизиологического состояния пациента без непосредственного контакта с медицинским работником.

Недостаток указанного ближайшего аналога заключается в том, что для принятия доказательного решения о состоянии здоровья сотрудника и степени готовности его к рабочей смене (рейсу) от медицинского работника требуются знания и опыт практической работы в области психофизиологии. Большинство врачей общего профиля и тем более фельдшеров, хотя и имеют медицинскую лицензию, как правило, такой компетенцией не обладают. Кроме того, указанный терминал имеет весьма ограниченную пропускную способность, что делает его неэффективным в ситуациях, когда внезапная потеря работоспособности людей, вследствие травм и/или заболеваний, начинает носить массовый характер. В первую очередь, это касается эпидемических чрезвычайных ситуаций (ЧС) и пандемий, в условиях которых от медицинских работников требуется высокая скорость принятия решений при большом потоке пациентов.

История борьбы с такими видами ЧС показывает, что в фазе, предшествующей появлению эффективной вакцины против нового вида инфекции, для противодействия ее распространению необходима медицинская сортировка (МС) инфицированных людей, выявленных путем тестирования (как тяжело больных, так и бессимптомных переносчиков заразы) с последующим распределением инфицированных людей по различным зонам пребывания (зонирование), введением режимов карантина и самоизоляции. В соответствии с «Методикой работы стационарных отделений скорой медицинской помощи» (2015 г.) МС осуществляется на основе балльной оценки по шкале METTS характеристик пульса, АД, сатурации крови SpO₂ и температуры тела пациентов. Те из пациентов, у кого обнаружены признаки тяжелого заболевания, связанного с угрозой жизни, например, обширного воспаления легких, инфаркта и т.п. госпитализируют. Пациентов же с признаками ОРВИ или какого-либо другого более легкого респираторного заболевания, а также бессимптомных больных направляют на самоизоляцию.

Один из главных недостатков описанной выше штатной процедуры МС в условиях эпидемий и пандемий заключается в необходимости очного контакта медицинских работников с пациентами, независимо от вида заболевания и степени тяжести его протекания. Это неизбежно приводит к заражениям и потерям среди медицинских работников, даже несмотря на использование ими современных средств индивидуальной защиты (СИЗ). При особо масштабных эпидемических ЧС, например, в условиях поразившей мир пандемии COVID-19 людские и экономические потери становятся недопустимо большими.

В настоящее время наиболее индикативным средством выявления COVID-19 считается биологическое тестирование, включающее в себя иммунноферментный анализ, или тестирование на антитела и тест на выявление активного возбудителя инфекции - так называемый молекулярный или ПЦР тест. Однако указанные биологические тесты требуют значительных финансовых и временных затрат (сутки и более, в зависимости от удаленности и пропускной способности биолаборатории), а главное, для их проведения необходим очный контакт пациента с медицинским работником. Другим существенным недостатком указанного способа тестирования является то, что с его помощью можно установить лишь наличие в организме человека возбудителя болезни, но не определить степень ее тяжести для принятия адекватных мер МС (госпитализация, лечение на дому, самоизоляция и др.). Для этого необходим более детальный анализ симтоматики и выявление других (косвенных) биомаркеров, позволяющих провести предварительную дифференциальную диагностику болезней.

Как показали научные исследования, проведенные у нас в стране и за рубежом, в качестве достаточно надежных биомаркеров COVID-19 могут быть использованы результаты цифрового анализа спектрограммы, т.е. спектра звуковых частот, относящихся к работе сердечно-сосудистой системы, голосового аппарата и/или органов дыхания человека, в частности, биений сердца, дыхания и таких аномалий, как кашель и чихание пациентов. Так, в монографии «Компьютерная бронхофонография респираторного цикла» под ред. Геппе Н.А., Малышева B.C. М.: «Медиа Сфера», 2016, описываются современные технологии для объективизации звуковых феноменов, с помощью специальных компьютерных программ. В частности, описан метод компьютерной бронхофонографии, основанный на регистрации специфических звуковых эффектов, возникающих при дыхании больных с респираторной патологией, и последующего анализа и математической обработки частотных и временных характеристик звуков, относящихся к работе внутренних органов человека.

Над приложениями для мобильных информационно-коммуникационных устройств, позволяющими человеку «покашлять в смартфон» и получить предварительный диагноз на COVID-19, активно работают и за рубежом. В основу этого нового диагностического направления положен алгоритм, который исследователи из Массачусетского технологического института разрабатывали ранее для определения признаков болезни Альцгеймера. Было доказано, что различия в кашле невозможно достоверно расшифровать на слух, однако достаточно точно определять и классифицировать все случаи COVID-19 особенно у бессимптомных носителей коронавируса способны современные алгоритмы ИИ на основе нейроподобных сетей. По аналогии с обследованием при болезни Альцгеймера постановка предварительного диагноза базировалась в экспериментах на четырех биомаркерах - силе голоса, эмоциональном тоне речи, характеристиках дыхания и степени мышечной деградации голосовых связок. Оказалось, что частотные параметры этих звуков существенно изменяются при наличии COVID-19 (https://hightech.plus/2020/10/30/ii-so-100-tochnostyu-opredelyaet-bessimpto-mnii-covid-19-po-kashlyu).

Первый в России алгоритм ИИ, в соответствии с которым звуковые файлы голоса, дыхания и кашля превращаются в спектрограммы, показывающие распределение энергии по звуковым частотам, а затем анализируются с помощью глубокой сверточной нейронной сети, разработала и испытала лаборатория ИИ компании «Сбер» (сообщение РИА «Новости» от 12 января 2021 года). Хотя в проведенных испытаниях не удалось достичь точности диагностирования, обеспечиваемой при биологическом ПЦР-тесте, первые экспериментальны результаты оказались сопоставимыми по точности. Было показано, что такая бесконтактная процедура сдачи теста и получения результата занимает не более одной минуты, может проводиться дистанционно с помощью обычного смартфона и не требует больших финансовых затрат. Разработчики признают, что данная информационно-коммуникационная технология не является полноценным диагностическим инструментом, но может успешно использоваться в качестве одного из важных элементов предварительного заочного тестирования на коронавирус. Очевидно, однако, что только одного цифрового анализа звуковых аномалий не достаточно для уверенной диагностики COVID-19. Как указывают сами специалисты компании «Сбер», проводившие описанный выше эксперимент, одновременно необходим инструментальный анализ симптоматики пациента с использованием традиционных биомаркеров показателей патологических изменений, происходящих при COVID-19 в жизненно важных органах человека, в первую очередь, в его дыхательной и сердечно-сосудистой системах (https://ria.ru/20210112/koronavirus-1592686640.html). Однако программно-аппаратных решений, позволявших бы реализовать на практике такой комплексный подход, в общедоступных источниках не обнаружено. Это и предопределило постановку технической задачи, решаемой настоящим изобретением.

Как показали проведенные заявителями патентные исследования, выбранный в качестве ближайшего аналога измерительный терминал для проведения дистанционного контроля работников железнодорожного транспорта позволяет наиболее эффективно реализовать указанный комплексный подход, используя при этом одни и те же технические средства как для проведения повседневных выборочных ПРМО, так и при массовом тестировании и контроле персонала в периоды повышенной эпидемической опасности, причем со значительно меньшими рисками для медицинских работников, чем при штатной процедуре биологического тестирования.

Уникальность и высокая практическая ценность создания такого комплекса заключается в возможности дистанционного (удаленного) контакта врача и пациента, а также в возможности прогнозирования степени тяжести заболевания. Внедрение такого телемедицинского терминала даже в масштабах ограниченного круга наиболее крупных и социально значимых предприятий, позволило бы существенно сократить потери медицинских работников, и значительно снизить нагрузку на медицинскую отрасль в периоды пандемии, а также уменьшить общее влияние «человеческого фактора» на эффективность производства. Отсутствие в этой сфере промышленно реализуемых инновационных решений является технической проблемой, на решение которой и направлено настоящее изобретение. Это позволит, с одной стороны, ослабить требования самоизоляции для значительной части работающего населения, а с другой стороны, снизить нагрузку на медицинскую отрасль и повысить эффективность ее работы в условиях повышенной готовности и в разгар эпидемических ЧС. Ожидаемый технический результат состоит в реализации указанного назначения.

Для достижения указанного технического результата в ближайший аналог, содержащий центральный микроконтроллер, первый интерфейсный порт которого связан с информационным портом хаба, выполненного с возможностью работы в сетях СПД диапазонов ГГц и МГц частот, а также блок измерителей функциональных параметров, микрофон и компьютерный моноблок, вход/выход которого подключены к соответствующим выходу/входу центрального микроконтроллера, а к информационным входам подключены информационные выходы блока измерителей функциональных параметров, при этом микрофон подключен к аудиовходу центрального микроконтроллера, к аудиовыходу которого через блок звукового воспроизведения подключены наушники, введены последовательно соединенные комплект аускультационных микрофонов, акустический приемник, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок формирования спектрограмм, блок анализа спектрограмм, выполненный с возможностью предварительного ввода образцов спектрограмм звуков, относящихся к работе внутренних органов человека, и блок принятия решений, а также блок переключения режимов аускультации, первый и второй выходы которого подключены, соответственно, ко второму и третьему входам акустического приемника. При этом центральный микроконтроллер выполнен с дополнительным интерфейсным портом, к которому подключены, управляющий вход и выход блока принятия решений, и с управляющим выходом, который соединен со входом блока переключения режимом аускультации.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1 - фиг. 5.

На фиг. 1 приведена структурная схема рассматриваемого телемедицинского терминала и показано (для иллюстрации) его место в общей информационно-коммуникационной медицинской системе.

На фиг. 2 представлена структурная схема возможного варианта построения хаба.

На фиг. 3 показана структурная схема возможного варианта построения компьютерного моноблока.

На фиг. 4 представлена структурная схема возможного варианта построения блока измерителей функциональных параметров.

На фиг. 5 показана структурная схема возможного варианта построения акустического приемника.

На рисунках использованы следующие обозначения: 1 - хаб; 2 - видеосервер; 3 - компьютерный моноблок; 4 - панель управления; 5 - дисплей; 6 - блок памяти; 7 - первый микроконтроллер, 8 - видеокамера; 9 - центральный микроконтроллер; 10 - блок модемов; 11- блок селекции измерительных каналов; 12 - управляемое пороговое устройство; 13 - блок измерителей функциональных параметров; 14 - тонометр; 15 - пирометр; 16 - алкотестер; 17 - микрофон; 18 - блок звукового воспроизведения; 19 - наушники; 20 - комплект аускультационных микрофонов; 21 - акустический приемник; 22 - блок переключения режимов; 23 - АЦП; 24 - блок формирования спектрограмм; 25 - блок анализа спектрограмм; 26 - блок принятия решений; 27 - детектор; 28 - блок фильтрации; 29 - усилитель.

Предлагаемый телемедицинский терминал для осмотра и тестирования работников промышленных и транспортных предприятий, далее, для краткости, Терминал содержит (фиг. 1) центральный микроконтроллер 9, первый интерфейсный порт которого связан с информационным портом хаба 1, выполненного с возможностью работы в сетях СПД диапазонов ГГц и МГц частот, а также блок 13 измерителей функциональных параметров, микрофон 17 и компьютерный моноблок 3, вход/выход которого подключены к соответствующим выходу/входу центрального микроконтроллера 9, а к информационным входам подключены информационные выходы блока 13 измерителей функциональных параметров, при этом микрофон 17 подключен к аудиовходу центрального микроконтроллера 9, к аудиовыходу которого через блок 18 звукового воспроизведения подключены наушники 19. В состав Терминала входят также последовательно соединенные комплект 20 аускультационных микрофонов, акустический приемник 21, АЦП 23, блок 24 формирования спектрограмм, например, процессор дискретного (быстрого) преобразования Фурье, блок 25 анализа спектрограмм и блок принятия решений. Блок анализа спектрограмм выполнен с возможностью измерения спектральных мощностей в области инфразвуковых частот от 0.04 до 0.4 Гц и спектральных мощностей в области от 1 Гц до 20 кГц, относящимся к работе внутренних органов человека, и сравнения полученных спектрограмм с предварительно введенными образцами таких спектрограмм. При этом указанные блок анализа спектрограмм и блок принятия решений могут быть выполнены, например, в виде процессора сверточной нейронной сети, самообучаемой на таких образцах спектрограмм. Терминал содержит также блок 22 переключения режимов аускультации, второй и третий выходы которого подключены, соответственно, ко второму и третьему входам акустического приемника 21. При этом центральный микроконтроллер 9 выполнен с дополнительным интерфейсным портом, к которому подключены управляющий вход и выход блока 26 принятия решений, и с дополнительным управляющим выходом, который соединен со входом блока 22 переключения режимом аускультации.

Возможные варианты построения указанных выше конструктивных узлов следующие:

Хаб 1 содержит (фиг. 2) связанные друг с другом видеосервер 2 и блок 10 модемов, выполненный с возможностью работы в сетях СПД ГГц и МГц диапазонов частот, а также последовательно соединенные блок 11 селекции измерительных каналов и управляемое пороговое устройство 12, выход которого подключен к информационному входу видеосервера 2, первый и второй управляющие выходы которого подключены к управляющим входам, соответственно, управляемого порогового устройства 12 и блока 11 селекции измерительных каналов, при этом информационный вход блока 11 селекции измерительных каналов и информационный выход видеосервера 2 являются информационным портом хаба 1.

Компьютерный моноблок 3 (фиг. 3) содержит связанные друг с другом первый микроконтроллер 7 и блок 6 памяти, дисплей 5, а также панель 4 управления и видеокамеру 8, выходы которых подключены, соответственно, к управляющему входу и видеовходу первого микроконтроллера 7, видеовыход которого подключен ко входу дисплея 5, при этом вход/выход первого микроконтроллера 7 являются входом/выходом компьютерного моноблока 3, а информационные входы первого микроконтроллера 7 служат соответствующими информационными входами компьютерного моноблока 3.

Блок 13 измерителей функциональных параметров содержит (фиг. 4) тонометр 14, пирометр 15 и алкотестер 16, выходы которых являются информационными выходами блока 13 измерителей функциональных параметров.

Акустический приемник 21 содержит (фиг. 5) последовательно соединенные детектор 27, блок 28 фильтрации и усилитель 29, при этом вход детектора 27 и выход усилителя 29 являются, соответственно, входом и выходом акустического приемника 21, а управляющие входы детектора 27 и блока 28 фильтрации являются, соответственно, вторым и третьим входами акустического приемника 21.

Промышленная реализуемость предложенного технического решения обеспечивается благодаря известности и доступности всех его конструктивных элементов. Так, используемые в блоке 13 измерителей функциональных параметров датчики основных физиологических параметров человека (тонометр 14, пирометр 15, алкотестер 16), как и все составные части компьютерного моноблока 3 (первый микроконтроллер 7, панель 4 управления, дисплей 5, блок 6 памяти и видеокамера 8) являются конструктивными узлами вышеупомянутых аналогов ПАК «Телемедик» и измерительного терминала по патенту RU №2729713. Из этого измерительного терминала могут быть заимствованы также основные конструктивные элементы хаба 1 видеосервер 2, блок 11 селекции измерительных каналов, управляемое пороговое устройство 12 и блок 10 модемов. Последний включает в себя, например, модуль ГГц диапазона стандарта Wi-Fi от смартфона 3G или 4G и модуль стандарта LoRa, использующий две полосы нелицензируемых частот: 864-865 МГц и 868,7-869,2 МГц. Чипы для конечных устройств имеются в свободной продаже, есть вся документация, и она открыта любому желающему. Датчики и радиомодули под этот стандарт в России производят несколько известных отечественных и зарубежных компаний.

В качестве центрального микроконтроллера 9 может быть использовано покупное изделие, входящее в состав обычных смартфонов (планшетов) стандартов 3G или 4G. В ПО центрального 9 микроконтроллеров могу быть использованы модули ПО носимого телеметрического прибора (телеметрона), описанного в отчете предприятия-заявителя ООО "Альтоника" по НИ-ОКР "Разработка персональных телеметрических терминалов для контроля состояния сердца" и в описании патента "Носимый телеметрический прибор для кардиореспираторного мониторирования RU №164155, G08 25/10.

В качестве блоков, образующих акустический канал (комплект 20 аускультационных микрофонов, акустический приемник 21 с блоком 22 переключения режимов аускультации и АЦП 23) могут быть использованы одноименные блоки «Портативного приемопередающего устройства для визуального телемедицинского стетофонендоскопа» по патенту RU №196687, А61В 7/04, при реализации которого, в свою очередь, была применена компонентная база многофункциональных визуальных стетоскопов семейства "CMS-М" компании Contec Medical Systems Co., Ltd, China.

Блок 25 анализа спектрограмм и блок 26 принятия решений могут быть выполнены на базе покупного изделия SC20-E Smart Module (производство Quectel), включающего в себя микроконтроллер модели NRF52840 (Nordic Semiconductor) работающий под управлением операционной системы Android 6.0/7.1 и имеющий следующие основные характеристики: ARM® Cortex®-M4 32-bit processor with FPU, 64 MHz; 1 MB flash/256 kB RAM; 12-bit 200ksps ADC; 4-level comparator; 2-channels digital microphone interface (PDM), audio I2S; QSPI, 4xSPI, 2xI2C, 2xUART, USB2.0 FS (12 Mbps).

Таким образом, возможность практической реализации заявленного устройства не вызывает сомнений.

Место и роль Терминала в медицинской информационно-коммуникационной системе поясняется на фиг. 1. На нем же приведена общая структурная схема Терминала. Как и ближайший аналог, описанный в патенте RU №2729713, рассматриваемый объект представляет собой ПАК, предназначенный для приема, цифровой обработки и отправки полученных результатов медико-биологических измерений и визуальных оценок через сети СПД в центр контроля состояния здоровья пациентов, обслуживающий данное предприятие, а также для передачи агрегированных биомедицинских данных через сети СПД в облачное хранилище («облако»), в котором аккумулируются паспортные и медицинские данные тестируемых работников, информация о сотрудниках предприятия, проводящих осмотры и тестирование, результаты текущих и предыдущих осмотров, другая необходимая информация. Все каналы сетей СПД являются двухсторонними. Работу указанных каналов обеспечивает хаб 1 (фиг. 2), являющийся составной частью Терминала.

Терминал работает следующим образом. Повседневная процедура проведения ПРМО начинается, как и в ближайшем аналоге, с подготовительного этапа, на котором устанавливают двухсторонний информационный контакт между Терминалом и центром контроля состояния здоровья пациентов. Для этого администратор указанного центра осуществляет на своем АРМ следующие операции:

• ввод персональных данных тестируемых работников, а также уполномоченного руководством предприятия технического специалиста (далее доверенного лица), участвующего в данном сеансе медицинского осмотра и тестирования (Ф.И.О., место работы, должность и др.);

• ввод разноракурсных видеоизображений лиц работников, планируемых к участию в данном сеансе медосмотра;

• ввод условного обозначения каждого пациента (не менее 5 цифробуквенных символов);

• формирование для каждого пациента и доверенного лица пароля (не менее 8 цифробуквенных символов);

• запись в электронный ключ типа Sentinel или Gvardant (флеш-накопитель) всех перечисленных персональных данных пациента;

• регистрацию пароля каждого пациента в электронном журнале регистрации;

• передачу каждому пациенту через сети СПД электронного ключа и пароля.

Перед проведением каждого обследования пациент и присутствующий при нем ответственный сотрудник предприятия (доверенное лицо) вводят в видеосервер 2, входящий в состав хаба 1 (фиг. 2), свои персональные данные и пароль. Эти операции они осуществляют с помощью общего с ближайшим аналогом и с вышеупомянутым ПАК «Телемедик» функционального узла компьютерного моноблока 3 (фиг. 3) посредством входящих в него органов управления, отображения и хранения информации: панели 4 управления, дисплея 5 и блока 6 памяти, работающих под управлением первого микроконтроллера 7. Изображения лиц пациента и доверенного лица получают с помощью входящей в состав компьютерного моноблока 3 видеокамеры 8, подключенной к видеовходу первого микроконтроллера 7. Взаимодействие между хабом 1 и компьютерным моноблоком 3 осуществляется через центральный микроконтроллер 9, который управляет по заданной программе приемом, накоплением, хранением и беспроводной передачей результатов предварительной обработки инструментальных медицинских данных и видеоизображений по сетям СПД в центр контроля состояния здоровья пациентов. Прием и передача телеметрических данных осуществляется хабом 1 с помощью блока модемов 10 (фиг. 2). Через центральный микроконтроллер 9 поток медицинской информации и видеоизображений поступает в блок 11 селекции измерительных каналов, осуществляющий коммутацию каналов, в соответствии с предустановленной в центральном микроконтроллере 9 программой управления каналами.

Номер подключаемого канала определяет те параметры медицинского обследования, которые планируется получить, передать и оценить затем врачом/фельдшером в центре контроля состояния здоровья пациентов.

С выхода выбранного канала информация поступает на вход управляемого порогового устройства 12, с помощью которого измеренный параметр ранжируется по степени соответствия допустимым значениям. Управление пороговыми уровнями осуществляется с помощью команд, поступающих из первого микроконтроллера 7, в соответствии с заданной программой, выбираемой с помощью панели 4 управления. При превышении каким-либо медико-биологическим параметром установленных индивидуальных допустимых показателей, видеосервер 2 формирует тревожные сообщения и с помощью блока 10 модемов передает их по сети СПД МГц диапазона в центр контроля состояния здоровья пациентов на рабочее место врача/фельдшера, участвующего в данном сеансе осмотра. В соответствии с нормативными документами, определяющими условия и порядок проведения обязательных ПРМО на автомобильном и железнодорожном транспорте, минимально необходимым набором контролируемых индивидуальных физиологических показателей являются: АД, частота пульса, температуры работника, а также концентрация паров алкоголя в выдыхаемом им воздухе. Соответственно, в состав блока 13 измерителей функциональных параметров входят: тонометр 14, пирометр 15 и алкотестер 16 (фиг. 4).

Врач изучает, кроме того, видеоизображения пациента и дистанционно с помощью аудио- и видеосвязи контактирует с пациентом для выявления клинических признаков его возможно неадекватного психоэмоционального состояния. Даже при отсутствии превышений в управляемом пороговом устройстве 12 допустимых уровней физиологических показателей врач, наблюдая изображения, получаемые через хаб 1 у себя на мониторе АРМ, имеет возможность путем опроса работника, анализа изменений его голоса, мимики, координации движений, состояния кожных покровов и пр. даже на расстоянии заподозрить у работника признаки нетрудоспособности. Для проведения голосового диалога между тестируемым пациентом и врачом в Терминале используются те же технические средства, что и в ближайшем аналоге, микрофон 17 и блок 18 звукового воспроизведения с наушниками 19, подключенные, соответственно, к аудиовходу и аудиовыходу центрального микроконтроллера 9.

В процессе участия в сеансе медицинского осмотра и тестирования медицинский работник с целью повышения степени доказательности и качества принимаемых им решений может дистанционно со своего АРМ получать информацию из "облака" о персональных данных пациентов, а также медицинские данные (знания), необходимые ему для принятия доказательных диагностических решений. При этом у него также есть возможность проконсультироваться с другими медицинскими специалистами. Порядок такого взаимодействия регламентируется приказом Минздрава №965н (к сути предлагаемого технического решения и, соответственно, к предмету изобретения эта процедура не относится и поэтому далее не рассматривается).

Принципиально важную роль в достижении ожидаемого технического результата изобретения играет акустическая информация, генерируемая в процессе жизнедеятельности внутренних органов человека, в первую очередь его сердечно-сосудистой системы и органов дыхания. Как известно, аускультация, о которой упоминал еще Гиппократ, применяется в медицинской практике настолько широко, что инструменты стетоскопы (без мембраны), фонендоскопы (с мембраной) и их комбинация стетофонендоскопы, используемые врачами при обследовании пациентов, стали узнаваемым символом профессии (www.dealmed.ru).

Стетофонендоскоп способен эффективно режектировать посторонние шумы, что позволяет при необходимости выполнить аускультацию не только в кабинете врача, но и в любом, даже довольно шумном месте. Современные цифровые стетофонендоскопы предоставляют возможность сохранять получаемую в ходе исследования информацию, передавать для дальнейшей процессорной обработки и принятия доказательных решений. Большинство этих недорогих и несложных в эксплуатации медицинских приборов требуют, тем не менее, достаточно высокой квалификации медицинских работников для правильной интерпретации получаемых результатов и применяются в основном при очном контакте врача/фельдшера с пациентом в больничных и амбулаторных условиях.

В рассматриваемом Терминале предлагается использовать лишь часть конструктивных элементов, применяемых в современных стетофонендоскопах, в частности, в цифровом стетофонендоскопе по патенту RU №196687. Это - последовательно соединенные комплект 20 аускультационных микрофонов, акустический приемник 21, к двум управляющим входам которого подключены выходы блока 22 переключения режимов, и АЦП 23.

Как и вышеупомянутом цифровом стетофонендоскопе, используются следующие четыре режима аускультации: 1 - области сердца (режим Н), 2 - области легких (режим Р), 3 - области шеи (режим N) и 4 - области кишечника (режим В). Порядок выбора режимов аускультации Н, Р, N или В может быть ситуативно изменен.

Циклограмма работы указанного канала во всех указанных режимах одна и та же. Она задается путем выбора соответствующей программы работы центрального микроконтроллера 9 с помощью команд, получаемых от первого микроконтроллера 7 и задаваемым, в свою очередь с панели 4 управления компьютерного моноблока 3. Команда выбора режима аускультации поступает из первого микроконтроллера 7 через центральный микроконтроллер 9 в блок 22 переключения режимов. При этом на экране дисплея 5 появляется соответствующее выбранному режиму символьное обозначение Н, Р N или В. При размещении аускультационного микрофона на груди пациента в области сердца, звуки кровотока легочной артерии, трикуспидального и митрального клапанов сердца обнаруживаются как пиковая волна острого тона сердца с постоянным периодом. Эти звуки, преобразованные аускультационным микрофоном в электрический сигнал, вводятся в акустический приемник 21, схема которого приведена на фиг. 5. Сигнал поступает последовательно в детектор 27 блок 28 фильтрации для минимизации шумов, а затем в усилитель 29. Усиленный аналоговый сигнал пиковой волны преобразуется далее в цифровую фонограмму с помощью АЦП 23.

Когда период пиковой волны постоянен, то это соответствует нормальному режиму работы сердца. Если период пиковой волны нерегулярен, то это означает наличие отклонения от нормы аритмию. Если количество биений сердца в минуту превышает норму, то это отклонение определяется как тахикардия. Замедленное сердцебиение определяется как брадикардия. Блок 22 переключения режимов формирует и подает на второй и третий входы акустического приемника 21 команды, определяющие соответствующие данному режиму параметры детектирования и фильтрации звукового сигнала.

Замечательной особенностью описанной выше многорежимной аускультационной процедуры является возможность эффективного использования получаемой с ее помощью кардиореспираторной информации как при проведении ПРМО, так и при тестировании работников на COVID-19. Такая возможность обеспечивается благодаря преобразованию цифровой фонограммы, получаемой на выходе АЦП 23, в спектрограмму в блоке 24 формирования спектрограмм, после чего осуществляется математический анализ распределения спектральных мощностей в различных участках спектра звука с использованием технологий ИИ.

При обработке результатов спектрального анализа для оценки психоэмоционального состояния пациента в инфразвуковом диапазоне выделяют относительно высокочастотные колебания (HF) ритма сердца в диапазоне от 0.15 до 0.4 Гц, характеризующих состояние парасимпатического отдела вегетативной нервной системы, и относительно низкочастотные колебания (LF) в диапазоне от 0.04 до 0.15 Гц, отражающие активность подкоркового сосудистого центра. Они характеризуют состояние внутрисистемного уровня центрального контура регуляции (Баевский P.M. Анализ вариабельности сердечного ритма в космической медицине. "Физиология человека". 2002, т.28, №2, с. 70-82).

В соответствии с известным способом оценки психофизиологического состояния человека по сердечному ритму, описанным в патенте RU №2246251, после измерения мощностей HF и LF составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов, оценку психофизиологического состояния человека проводят по индексу стресса S, определяемому по формуле S=(KxLF/HF)/(LF+HF), где коэффициент K=1787,5 имеет ту же размерность, что и спектральные мощности LF и HF. В стандартных условиях покоя, лежа на спине для среднестатистического человека индекс стресса S=1. Для человека с высоким уровнем функционирования сердечно-сосудистой системы, находящегося в стандартных условиях, индекс стресса уменьшается до 0.1. При 8-часовой нагрузке индекс стресса может увеличиваться с исходного уровня 1.0 до 5.0-10.0. Измерение и расчет указанного количественного показателя психоэмоционального состояния испытуемого работника осуществляются параллельно или последовательно с измерениями и количественной оценкой вышеупомянутых физиологических параметров и оценкой (субъективной) врачом психоэмоционального состояния пациента по его видеоизображениям. Для этого в ближайшем аналоге использовалась соответствующая измерительная цепочка, состоящая из последовательно соединенных блока формирования кардиоритмограммы, спектроанализатора, например, процессора БПФ, и калькулятора, реализующего приведенную выше формулу расчета индекса стресса S по измеренным спектроанализатором спектральным мощностям LF и HF. В рассматриваемом Терминале роль указанной цепочки выполняют последовательно соединенные блок 24 формирования спектрограмм, блок 25 анализа спектрограмм и блок 26 принятия решений.

Эта же цепочка используется и в режиме тестирования на COVID-19. Акустические сенсоры, входящие состав комплекта 20 аускультационных микрофонов, настроены на прием нормальных и аномальных звуков (хрипы, кашель и т.п.), издаваемых внутренними органами человека, т.е. в диапазоне примерно от 1 Гц до 20 кГц.

Известно, что звук как акустическая волна характеризуется двумя атрибутами амплитудой и частотой. Человек воспринимает амплитуду звуковой волны как громкость, а ее частоту как музыкальную высоту звука. Кроме этого, звук характеризуется тембровой окраской. Именно этот показатель, с одной стороны, легко воспринимается и распознается людьми, а с другой стороны, может служить идентификатором источника звука. Из акустики известно, что тембровую окраску звуку придают гармоники колебания более высоких, кратных частот. Амплитуды и частоты отдельных гармонических составляющих акустического сигнала могут служить компонентами входного вектора для нейронной сети при ее использовании для распознавания вида заболевания.

Решение задачи предварительного распознавания болезни включает в себя следующие основные этапы. Сначала полученные спектральные характеристики звукового сигнала подаются на вход блока 25 анализа спектрограмм, представляющего собой процессор с ПО, построенным на основе сверточной нейронной сети. Информацией для обучения нейроподобной сети, на базе которой реализован блок 25 анализа спектрограмм, служат оцифрованные образцы спектрограмм звуков, собранных у пациентов больных COVID-19, в клиниках.

Суть операции свертки состоит в том, что каждый фрагмент массива данных умножается на матрицу (ядро) свертки поэлементно, а результат суммируется и записывается в аналогичную позицию выходного массива данных. Работа сверточной нейронной сети обычно интерпретируется как переход от конкретных особенностей обрабатываемого массива данных к более абстрактным деталям, и далее к еще более абстрактным деталям вплоть до выделения понятий высокого уровня. При этом сеть самонастраивается и сама вырабатывает необходимую иерархию абстрактных признаков (последовательности карт признаков), фильтруя маловажные детали входного массива данных и выделяя существенные.

В классической модели перцептрона, представляющего собой компьютерную версию восприятия информации человеческим мозгом, каждый нейрон связан со всеми нейронами предыдущего слоя, причем каждая связь имеет свой персональный весовой коэффициент. Перцептрон состоит из трех типов элементов, а именно, поступающие от сенсорных элементов сигналы передаются ассоциативным элементам, а затем реагирующим элементам. Таким образом, перцептроны позволяют создать набор «ассоциаций» между входными стимулами и необходимой реакцией на выходе. В биологическом плане это соответствует преобразованию, например, звуковой информации в физиологический ответ от двигательных нейронов. В сверточной нейронной сети в операции свертки используется лишь ограниченная матрица весов небольшого размера, которую «двигают» по всему обрабатываемому слою (в самом начале - непосредственно по входному массиву), формируя после каждого сдвига сигнал активации для нейрона следующего слоя с аналогичной позицией. То есть для различных нейронов выходного слоя используются одна и та же матрица весов, которую также называют ядром свертки. Ее интерпретируют как кодирование какого-либо признака. Тогда следующий слой, получившийся в результате операции свертки такой матрицей весов, показывает наличие данного признака в обрабатываемом слое и его местоположение, формируя так называемую карту признаков. Ядра свертки формируются самостоятельно путем обучения сети классическим методом «обратного распространения ошибки». Это метод вычисления градиента, который используется при обновлении весов многослойного перцептрона. Итеративный градиентный алгоритм используется с целью минимизации ошибки работы многослойного перцептрона и получения желаемого выхода. Основная идея этого метода состоит в распространении сигналов ошибки от выходов сети к ее входам, в направлении, обратном прямому распространению сигналов в обычном режиме работы.

В результате цифровой обработки спектральной информации звукового диапазона с помощью описанного выше алгоритма сверточной нейронной сети на выходе блока 25 анализа спектрограмм формируется кодовое сообщение о наличии у пациента COVID-19 и предполагаемой степени тяжести этого заболевания, аналогично тому, как это осуществляется, например, в «КТ-калькуляторе» при диагностировании пневмонии с помощью компьютерного томографа (https://tass.ru/moskva/10257987?rb).

Указанное кодовое сообщение поступает на первый вход блока 26 принятия решений, на второй вход которого подается другое кодовое сообщение, сформированное центральным микроконтроллером 9 по результатам инструментальных измерений и видеоизображениям, полученным из компьютерного моноблока 3. Указанное кодовое сообщение играет такую же роль, как и «результаты короткого опроса по симптоматике» в ранее упоминавшемся методе «выявления COVID-19 за минуту по кашлю», разработанном лабораторией ИИ компании «Сбер» (https://ria.ru/20210112/koronavirus-1592686640.html). Однако в рассматриваемом случае указанная информация получается не столько в результате субъективной оценки пациентом своего самочувствия, и/или столь же субъективной реакции врача на внешний вид тестируемого, сколько в результате совокупности объективных инструментальных измерений наиболее индикативных показателей, и потому является значительно более достоверной.

Таким образом, описанная в данной заявке на изобретение совокупность общих с ближайшим аналогом и существенных отличительных признаков, позволяет решить указанную выше техническую проблему, заключающуюся в необходимости расширения арсенала технических средств, используемых для снижения влияния на производство "человеческого фактора", в том числе для борьбы с наиболее опасными эпидемическими ЧС, в первую очередь с пандемией COVID-19. Техническим результатом является реализация этого назначения. Предлагаемое решение обеспечивает медицинских работников средством дистанционного (без очного контакта врача и пациента) комплексного инструментального и визуального тестирования сотрудников промышленных и транспортных предприятий, обеспечивающего предварительную дифференциальную диагностику системных заболеваний, в том числе, COVID-19. Решение принимается по результатам совместных измерений физиологических параметров, анализа с использованием видеоизображений физического и психоэмоционального состояния пациента и сопоставления их с результатами оценки в различных участках звукового диапазона спектрограмм звуков, связанных с нормальной и аномальной работой внутренних органов человека. Использование этого нового вида телемедицинской аппаратуры позволяет, с одной стороны, ослабить требования самоизоляции для значительной части работающего населения, а с другой стороны, снизить нагрузку на медицинскую отрасль и повысить эффективность ее работы в условиях повышенной готовности и в разгар эпидемических ЧС.

Изобретение относится к информационно-телекоммуникационным технологиям, предназначенным для получения и цифровой обработки медико-биологических данных о состоянии здоровья человека при проведении медицинских осмотров и тестировании с целью принятия предварительных диагностических решений. Предложен телемедицинский терминал, являющийся средством дистанционного комплексного инструментального и визуального осмотра и тестирования сотрудников промышленных и транспортных предприятий для предварительной дифференциальной диагностики системных заболеваний, в том числе COVID-19. В измерительный терминал для проведения дистанционного контроля состояния здоровья персонала промышленных и транспортных предприятий, связанных с повышенными рисками, введены последовательно соединенные комплект аускультационных микрофонов, акустический приемник с блоком переключения режимов аускультации, аналого-цифровой преобразователь, блок формирования спектрограмм, блок анализа спектрограмм, выполненный с возможностью предварительного ввода образцов спектрограмм звуков, относящихся к работе внутренних органов человека, и блок принятия решений. При этом блок формирования спектрограмм выполнен, например, в виде процессора дискретного преобразования Фурье с возможностью измерения спектральных мощностей звуков, относящихся к работе внутренних органов человека в диапазонах звуковых частот от 0.04 до 0.4 Гц и от 1 Гц до 20 кГц. Блок анализа спектрограмм и блок принятия решений выполнены в виде процессора сверточной нейронной сети, самообучаемой на полученных заранее образцах спектрограмм в указанных диапазонах звуковых частот. Изобретение обеспечивает осмотр и тестирование работников промышленных и транспортных предприятий. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Телемедицинский терминал для осмотра и тестирования работников промышленных и транспортных предприятий, содержащий центральный микроконтроллер, первый интерфейсный порт которого связан с информационным портом хаба, выполненного с возможностью работы в сетях связи и передачи данных (СПД) диапазонов гигагерцовых (ГГц) и мегагерцовых (МГц) частот, а также тонометр, пирометр, алкотестер, микрофон и компьютерный моноблок, вход/выход которого подключены к соответствующим выходу/входу центрального микроконтроллера, а к информационным входам подключены выходы тонометра, пирометра и алкотестера, микрофон подключен к аудиовходу центрального микроконтроллера, к аудиовыходу которого через блок звукового воспроизведения подключены наушники, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные комплект аускультационных микрофонов, размещенных в областях сердца, легких, шеи и кишечника, акустический приемник, выполненный с возможностью прослушивания сердца (режим Н), легких (режим Р), шеи (режим N) и кишечника (режим В), а также аналого-цифровой преобразователь, блок дискретного преобразования Фурье, процессор сверточной нейронной сети, выполненный с возможностью предварительного ввода образцов спектрограмм звуков, относящихся к работе внутренних органов человека, и блок принятия решений, а также блок переключения указанных режимов аускультации H,P,N и В, первый и второй выходы которого подключены, соответственно, ко второму и третьему входам акустического приемника, при этом центральный микроконтроллер выполнен с дополнительным управляющим выходом, который соединен со входом блока переключения режимов аускультации, и с дополнительным интерфейсным портом, к которому подключены управляющий вход и выход блока принятия решений.

2. Телемедицинский терминал по п. 1, отличающийся тем, что хаб содержит связанные друг с другом видеосервер и блок модемов, выполненный с возможностью работы в сетях СПД диапазонов ГГц и МГц частот, а также последовательно соединенные блок селекции измерительных каналов и пороговое устройство, выход которого подключен к информационному входу видеосервера, первый и второй управляющие выходы которого подключены, соответственно, к первому управляющему входу блока селекции измерительных каналов и к управляющему входу порогового устройства, при этом информационный вход блока селекции измерительных каналов и информационный выход видеосервера являются информационным портом хаба.

3. Телемедицинский терминал по п. 1, отличающийся тем, что компьютерный моноблок содержит связанные друг с другом первый микроконтроллер и блок памяти, а также дисплей, вход которого подключен к дисплейному выходу первого микроконтроллера, панель управления и видеокамеру, выходы которых подключены, соответственно, к управляющему входу и видеовходу первого микроконтроллера, при этом вход/выход первого микроконтроллера являются входом/выходом компьютерного моноблока, а информационные входы первого микроконтроллера служат соответствующими информационными входами компьютерного моноблока.