автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Информационное и программное обеспечение биохимических лабораторий

?*■■'> п 4 Г) т -

■ок* I. л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

на правах рукописи

ЧЕЧИКОВ ЮРИЙ БОРИСОВИЧ

УДК 681. 3. Об

ИНФОРМАЦИОННОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ

Специальность: 05.13.11 "Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нэсква

Издательство МАИ 1УУ±

С /

л'

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационном институте имени Серго Орджоникидзе

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

доцент Лукин ЕЕ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Л. И. ШАТРОВСКИЙ

кандидат физико-математических

наук, старший научный сотрудник ЕП.ГУСЛИСТЫЙ

Ведуп&я организация - Центральный ордена Ленина институт усовершенствования врачей

Защита состоится "_"_199_г. в_часов

на заседании специализированного Совета К053.18.09 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационного института имени Серго Орджоникидзе

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института Автореферат разослан " " ьиоЗс^ 199_^

Ученый секретарь, к.ф. ы.н.

М. Е Ротанина

1 . . сг >

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

С7ДЗЛ г

^Р^'^^датуальность темы. Развитие надежной и сравнительно дешевой вычислительной и измерительной техники подготовило техническую базу для создания автоматизированных систем в такой трудноформализуемой области как медицина. Появление автоматических аналитических приборов стимулировало разработчиков к автоматизации лабораторной службы. Поэтому возникла потребность в разработке информационного и программного обеспечения, адекватно поддерживающего современную технологию производства исследований.

Биохимические лаборатории ориентированы на обслуживание специализированных медицинских учреждений: поликлиник, диагностических центров, больниц, санаториев. Каждой категории учреждений соответствует свой класс лабораторий, характеризующийся нагрузкой, спектром исследований, аналитическим оборудованием.

Анализ тиражируемых лабораторных систем показал, что они обладают жесткой структурой, ориентированы на узкий спектр анализаторов, сложны в обращении и закрыты для внесения изменений. Ш этой причине, например в США, среди автоматизированных лабораторных систем 77.12% разрабатывались по индивидуальному заказу. Вэвозможность настроить систему на конкретные особенности лаборатории вынуждает персонал самостоятельно заниматься ее доработкой и адаптацией. Почти все системы - и промышленные, и разработанные лабораторным персоналом не обладают свойствами быстрой адаптации к конкретны)/ условиям и удобством эксплуатации на протяжении жизненного цикла. Несмотря на схожесть технологий проведения исследований в различных лабораториях, создание типовой автоматизированной системы для лабораторной службы - задача сложная и практически неразрешимая, так как в процессе эксплуатации большую роль играют индивидуальные особенности технологии и привычки персонала Когда возникает необходимость автоматизации лаборатории, речь идет, как правило, об индивидуальном проекте.

Если сравнивать лабораторные системы с тиражируемыми и разработанными по индивидуальному заказу, то автоматизированные

лаборатории находятся где-то посередине - тиражируемая и индивидуальная части в ней соизмеримы. в литературе по технологии проектирования программных комплексов таким системам внимание почти не уделяется. Точнее было бы говорить не о тиражировании автоматизированных систем в медицине, а о методах быстрой разработки плохо тиражируемых систем для слабоформализованной предметной области.

Цель работы. Разработать методику создания автоматизированных лабораторных систем, удобных в эксплуатации и сопровождении в течение жизненного цикла, снижающую сроки и трудоемкость разработки.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать принципы построения автоматизированных лабораторных систем.

2. Разработать структуру математического обеспечения, имеющего средства быстрой адаптации к возможным специфическим особенностям конкретной реализации, для использования в лабораториях различных типов медицинских учреждений.

3. Выбрать стандартные и разработать специализированные программные средства построения лабораторных систем.

4. Определить правило выбора конфигурации вычислительной техники в зависимости от предполагаемой загруженности лаборатории и специфики информационных потоков.

5. Разработать системы информационного и программного обеспечения лабораторных исследований.

Научная новизна

1. Предложена методика построения автоматизированных лабораторий для класса плохо тиражируемых систем, снижающая сроки и трудоемкость разработки.

2. Разработана процедура выбора топологии системы в зависимости от характера входной нагрузки.

3. На основе проведенных исследований информационных потоков в лаборатории при пиковой входной нагрузке получено условие устранимости пиков системой. Оценены достижимая пропускная способность и среднее время реакции системы.

Практическая значимость. Автоматизированные лабораторные системы, созданные на основе научных результатов диссертации, могут быть использованы для автоматизации различных классов лабораторий. К настоящее времени разработаны и функционируют

автоматизированные информационно-измерительные системы Еиолаб и Биолаб-М для биохимических лабораторий. Система Еиолаб внедрена в централизованной лаборатории клинической биохимии Лабораторного центра ЛОО при КЫ СССР. Система Биолаб-М внедрена в биохимической лаборатории детской клинической больницы N0 7 города йэсквы.

Разработаны фабрикаты систем, которые можно использовать для тиражирования в рамках соответствующих классов. Разработан ген лабораторных систем, содержащий обобщенные знания и особенности лабораторий различных классов.

Результаты работы могут быть использованы для построения информационно-измерительных систем в медицинских лабораториях другого профиля, а также в областях, связанных с охраной природы, экологией.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 18 Всесоюзной школе-семинаре по биологической и медицинской кибернетике БИЫК-89 (пос. Лэсево, 1989), Всесоюзном Чегетском форуме "Интеллектуальные ресурсы научно-технического прогресса -Интеллект и выживание" (1989), 2-й Всесоюзной научно-практической конференции "Применение вычислительной техники в медицине" (Москва, 1990), 8-й и 9-й Всесоюзных школах по пакета»,I прикладных программ (1989, 1991), на научно-практических семинарах института сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева и Всесоюзного научного Центра хирургии (Оэсква).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, одного приложения и содержит 124 страницы машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика рассматриваемых в диссертации вопросов.

В первой главе рассматриваются проблемы автоматизации медицинских лабораторий, анализируется опыт существующих разработок, особенности применения автоматизированных лабораторных систем. Проведенный анализ позволяет выделить следующие особенности предметной области. Во-первых, технология

о

проведения исследований различна в разных медицинских учреждениях. Каждая лаборатория работает со своими анализаторами, использует определенные реактивы, методики, способы расчета, хотя, по сути, технологические схемы проведения исследований имеют много общего. Врач-лаборант - лицо ответственное за выдачу достоверной информации. Его точка зрения на функционирование лаборатории определяет выбор той или иной технологии поэтому система должна бьггь удобна именно ему. Разработка же системы под конкретного заказчика крайне трудоемка. Во-вторых, выдаваемые лабораторией результаты должны обладать высокой достоверностью, так как речь идет о здоровье и жизни ладей. По этой же причине лаборатория должна обслужить все поступившие ваявки, то есть работать без отказов. В-третьих, контингент пользователей системы - люди с гуманитарным складом мышления, не склонные к работе с техникой. Поэтому требуется высокое качество пользовательского интерфейса. В-четвертых, при большой трудоемкости и сложности разработки жизненный цикл системы, определяемый сроком сменяемости аналитического оборудования составляет 7-10 лет.

В диссертационной работе за критерий качества системы принимается удобство эксплуатации в течение жизненного цикла. С позиций этого критерия проведен анализ существующих подходов к созданию автоматизированных лабораторий, их достоинств и недостатков. Выделено два подхода к разработке - со стороны разработчика и со стороны пользователя, фи первом подходе автоматизируется наиболее формализованная часть работы лаборатории. Главное достоинство подхода - быстрый ввод системы в эксплуатацию, но, набор предоставляемых функций не соответствует естественной технологии проведения исследований. Ери втором подходе пользователь занимается разработкой самостоятельно и вкладывает в нее профессиональные знания о предметной области. Однако, они получаются замкнутыми и жестко ориентированными на конкретные условия эксплуатации. Каждый из перечисленных подходов имеет свои достоинства, но, сопутствующие им недостатки не позволяют выбрать один из них в качестве базового при построении системы. Нужен третий подход, который усиливал бы достоинства первых двух и ослаблял их недостатки.

Во второй главе исследуются возможности автоматизированных лабораторных систем. В первом разделе приводится классификация

медицинских лабораторий. дается понятие лабораторного процессора. Показано, что каждая лаборатория имеет свою область существования, ограниченную сверху производительностью процессора, а снизу - максимально допустимой стоимостью исследования. Цри рассмотрении информационных потоков выделяются лаборатории с . пиковой и перманентной нагрузкой. Наибольший интерес для автоматизации представляют лаборатории с пиковой входной нагрузкой. Во втором разделе рассматривается преобразование б функции плотности входной нагрузки Г(Ь) в функцию плотности выходной нагрузки еСЪ). Сформулировано необходимое условие существования преобразования э в условиях пикового характера входной нагрузки:

Harp

Здесь

Ii

Li

гдеJ? - верхняя граница производительности лабораторной системы t* - момент отработки 1-го пика. Находится из условия t" i' С VfM- 9«))^ = j" liU)-Sn))di . ü i," В третьем разделе анализируется максимальная пропускная способность системы X и максимальное время обслуживания заявки Т05 для системы реального времени с приоритетами. Получены оценки верхней и нижней границ этих величин.

Л ^ rmn (Vu, Ni +

t

w т*) c-i m:) i-i j=l 1

M — число ойслукенных заявок, где QK - очередь заявок k-того приоритета k<i; 1(QS) - длина этой очереди; Q" - очередь заявок k-того приоритета, поступивших с момента прихода заявки 1-го приоритета до конца ее обслуживания; l(Qj) - длина этой очереди; t; - время обслуживания одной заявки 1-го приоритета; R; - начальное время обработки заявки 1-го приоритета на терминале; t^ - время обслуживания j-той заявки из очереди <V. tm - min С,— tc).

В четвертом разделе сравниваются особенности работы централизованной и распределенной архитектур автоматизированных систем. При централизованной архитектуре имеется мощный обрабатывающий центр и равноправные терминальные устройства, которые независимо от своего назначения в критические моменты времени могут быть использованы для распараллеливания работ. Но при этом мощность центральной ЭВМ наиболее эффективно используется только в моменты пиковых нагрузок в системе. В распределенной системе каждое автоматизированное рабочее место (АРЫ) специализировано (АРМ регистратора, АРМ лаборанта) и решать на нем другие задачи трудно. В результате при загруженности одних машин другие могут простаивать. Использование распределенной мощности на рабочих местах снижает фоновую нагрузку на файл-сервер, хранящий общую базу данных. Пээтому при относительно постоянной нагрузке на лабораторию эффективнее распределенная архитектура Если нагрузка имеет ярко выраженный пиковый характер, эффективнее будет централизованная архитектура - мощный процессор позволит быстрее переработать пик.

В третьей главе рассматриваются методологические основы построения надежных автоматизированных лабораторных систем. Надежность понимается в смысле определения, предложенного в [1]. Для минимизации ошибок; она должна строиться на четырех принципах: адекватность принятой технологии, удобство сопровождения, дружественность по отношению к пользователю и живучесть при сбоях. Если в других системах выполнение этих принципов желательно, то в лабораторных системах - обязательно. Исходя из особенностей предметной области, а именно наличия 8

общей технологической части и индивидуальных особенностей лабораторий любого типа, следует, что программное и информационное обеспечение автоматизированных систем должно состоять из двух частей - ядра и надстройки. В состав ядра входят информационный банк, программы, его обслуживающие и подсистема защиты информации от несанкционированного доступа В состав индивидуальной надстройки входят подсистема опроса автоанализаторов, диалоговые интерфейсные процедуры, подсистема накопления и выдачи статистической информации о работе лаборатории.

Среди причин, влияющих на успешную реализацию разработки и дальнейшую работоспособность системы, большую роль играет правильность выбора инструментальных программных средств. Они во многом определяют качество начального проектирования, стиль программирования, стоимость сопровождения. В качестве базовой выбрана идеология объектно-ориентированного программирования (ООП), которая упрощает отображение элементов технологии на вычислительные средства, позволяет применять более эффективные методы модернизации программного обеспечения и уменьшает сложность разработки.

Четвертая глава посвящена разработке методики построения автоматизированных лабораторных систем в условиях индивидуальных различий. Введены новые понятия - фабрикат и ген системы.

Фабрикат появился как естественное развитие метода макетирования и является обобщением свойств макетов для данного класса. Для него хорошо подходит идеология объектно-ориентированного программирования. Задача фабриката - обобщить свойства макетов и предложить универсальное решение для построения систем в рамках одного класса С точки зрения пользователя фабрикат представляет собой функционирующую систему, которая будет дорабатываться и уточняться в конкретной реализации.

Выше отмечалось, что структура программного и информационного обеспечения содержит ядро и надстройку. Известно, что полностью реализовать все функции ядра и надстройки в короткие сроки не удается. Поэтому предлагается выбрать наиболее важные информационные структуры и функции систем одного класса Полученный набор должен быть работоспособным, то есть отражать главные моменты в технологии данного класса лабораторий и обладать способностью выдавать

итоговую информацию. Фабрикат системы реализует основную технологическую схему работы для данного класса лабораторий, содержит процедуры, поддерживающие технологические этапы производства исследований и информационные структуры, реализованные в терминах конкретной системы управления базами данных (СУБД) или файловой системы (К). В пределах одного класса количественные характеристики входной нагрузки меняются слабо, поэтому выбор конкретной СУБД или ФС возможен для данного класса. Основными критериями выбора информационной базы являются время реакции на запросы, простота отображения частей системы и связей между ними, удобство разработки и модификации структур. После программирования выбранных функций и заполнения информационных структур получается фабрикат системы, который позволяет ускорить процесс разработки близких систем в условиях нетиражируемости.

Одно из главных свойств фабриката состоит в том, наследуя свойства макетов, он дает информацию об эффективности принятых решений и уточняет функции конкретной системы. Фабрикат также дает обобщенную информацию, в частности, о производительности лабораторного процессора В тех ситуациях, когда система разрабатывается на основе имеющейся в лаборатории вычислительной техники, после обучения персонала работе с фабрикатом оценивается адекватность его данной лаборатории, здесь же определяются временные характеристики технологических этапов, выявляются пути повышения производительности труда, которые должны включиться в конкретную реализацию. Зная тенденции изменения нагрузки в данной лаборатории, можно на основан™ результатов главы 2 и экспертных оценок определить область функционирования данной лабораторной системы. Если ожидаемая производительность не устраивает лабораторию, то принимается решение либо о переходе на новую техническую базу, либо об уменьшении нагрузки. Фабрикат позволяет выбрать наиболее удобный стиль диалога Идеология ООП облегчает в рамках существующих структур фабриката их модификацию. Таким образом, фабрикат позволяет создавать систему наиболее точно подходящую к конкретным условиям с учетом имеющихся ресурсов.

Если происходит смена технической базы системы или новая система принадлежит другому классу лабораторий, то полностью готовые процедуры имеющихся систем использовать как правило

невозможно. В этом случае для облегчения разработки предлагается заниматься не переносом и адаптацией процедур, а переносом основных проектных решений системы.

В диссертации введено понятие гена системы. Фабрикаты для для различных классов лабораторий имеют много общего. Соответственно, эти фабрикаты будут пересекаться на определенном множестве функций и идеологических решений. С другой стороны, для каждого класса можно выделить присущие только этому классу характерные черты. Область пересечения фабрикатов, объединенная с множеством функций и решений, характерных для определенного класса, определяет некоторую структуру, которую будем называть геном системы. То есть, ген - это структура, обладаюдая общностью широкого спектра классов лабораторий с одной стороны и несущая индивидуальные особенности конкретного класса с другой. Ген представляет собой информационную свертку классов систем. Сам он непосредственно не работает как программная система С помощью гена, погруженного в конкретную предметную среду при соответствующих условиях можно получить фабрикат для данного класса лабораторий, а затем конкретную систему, наиболее точно подходящую к данным условиям. В разных классах лабораторных систем этот ген будет трансформироваться в индивидуальные, быть может непохожие друг на друга экземпляры автоматизированных лабораторий

Ген системы содержит знания, необходимые для создания множества фабрикатов и выбора из имеющегося множества функций тех, которые характерны для данного класса лабораторий. В первую очередь, ген описывает технологические и методологические основы производства исследований, категории пользователей системы, стиль взаимодействия, аналитическое и вычислительное оборудование, особые случаи. В частности, это может быть неформальная спецификация предметной области. Вторая сторона гена - иерархия процедур, которые описывают предметную область -множество биохимических лабораторий. Эта иерархия представляется в виде описания правил объектов которые используются для логического структурирования процедур. Конкретные реализации процедур здесь не предлагаются, в ген входит только упоминание о процедуре, 'комментарии о ее назначении и предлагаемое название выполняемой функции для диалога Третий элемент гена - базовые информационные структуры, обеспечивающие работу процедур.

Содержит словесное описание структур основных файлов: заказов, анализов, учреждений без привязки к языку конкретной СУБД. Последний элемент гена - библиотека процедур, реализующих системные функции, которые с большой - вероятностью могут использоваться в различных классах систем. Например, процедуры инициализации порта, ведения диалога в форме меню с механизмами сохранения и восстановления текущего экрана, стеков меню.

Формированием гена занимается специалист или группа специалистов, имеющих опыт нескольких разработок систем и хорошо знакомых с предметной областью. При таком подходе решается проблема дефицита квалифицированных специалистов и конкретной разработкой может заниматься программист, не обладающий таким объемом знаний. Ознакомление с геном позволит разработчику избежать многих серьезных ошибок. Ген дает контрольные точки, через которые должна проходить каждая лабораторная система Но необходимо учитывать, что ген дает обобщенную информацию о классах лабораторных систем, поэтому при конкретной разработке будет использована только часть информации, заложенной в гене. Ген состоит из связанных между собой локально структурированных частей.

Цри конкретной реализации системы для нового класса лабораторий программист после ознакомления с геном, уточнения особенностей лаборатории и постановки задачи выясняет к какому классу эта лаборатория относится, то есть выбирается необходимая информация из описательной части гена Затем, на основе описаний составляется техническое задание на разработку системы для данного класса лабораторий с указанием требуемых функций. После того, как задача поставлена, выбирается соответствующая иерархия процедур, на основе которой разработчик получает пункты меню диалога и информационные структуры. Процесс этот выполняется вручную и при необходимости структуры гена дополняются. В этот момент явно устанавливаются связи между выбранными частями гена

Следующий этап - разработка технического проекта и разворачивание отобранных структур гена до уровня фабриката На этом этапе к работе привлекается пользователь, который, работая с фабрикатом, высказывает свои конкретные замечания и пожелания к будущей системе. Здесь же происходит обкатка сопровождения, подбор его стиля, учет перспектив развития. С некоторого момента работы над техническим проектом начинают сворачиваться, а I"

структуры фабриката наполняться конкретным содержанием. Таким образом, получается конкретный экземпляр системы. После запуска системы в эксплуатацию для программиста этап разработки условно заканчивается и наступает этап сопровождения. Таким образом, обобщенная модель, предоставляемая геном, с помощью содержательной детализации доводится до фабриката, а затем до конкретной реализации.

В пятой главе рассмотрены вопросы практической реализации предложенной методики. Были разработаны две системы для биохимических лабораторий. Система Биолаб - для крупной централизованной лаборатории клинической биохимии производительностью 1 200 ООО исследований в год. Она разрабатывалась на основе сформулированных принципов, правильность которых подтверждает высокая работоспособность системы до настоящего времени. Биолаб строился и использованием понятия фабриката, но при отсутствии механизмов объектно-ориентированного программирования.

При разработке системы Биолаб-М для небольшой лаборатории детской клинической больницы перенос системы Биолаб оказался возможен только на уровне основных проектных решений. На основе гена был разработан фабрикат для данного класса лабораторий и выполнена привязка к конкретным условиям с использованием механизмов объектно-ориентированного программирования. Такой подход дал выигрыш во времени разработки и реализации.

В заключении формулируются основные результаты работы.

В приложении приводятся характеристики системы Биолаб.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложен новый подход к автоматизации лабораторий и методика построения автоматизированных лабораторных систем, использующая понятия фабриката и гена системы.

2. Предложены принципы построения автоматизированных лабораторий для плохо тиражируемых систем. Разработаны конкретные требования по автоматизации лабораторий.

3. Выбрана структура программного и информационного обеспечения автоматизированных лабораторий.

4. На основе исследования загруженности систем, расчета предельного числа терминалов, анализа производительности и стоимости для различных топологий предложены рекомендации по

выбору архитектуры системы.

5. На основе предложенной методики разработано программное обеспечение для крупной централизованной лаборатории на основе мини-ЭВМ и для небольшой лаборатории на базе персональной ЭВМ.

Результаты 2,3,4 получены автором лично, результаты 1,5 получены совместно с научным руководителем.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Лукин Е Е , Скобеева Ы. К , Чечиков Ю. Б. Автоматизированная информационно-измерительная система для биохимической лаборатории // Перспективные направления развития информатики и компьютерной технологии в здравоохранении. Тезисы докладов. - М: 1986, - С. 281-282

2. Лукин К Е , Скобеева Ы. К , Чечиков Ю. Б., Макаровский К В. Автоматизированное рабочее место лаборанта и врача в биохимической лаборатории // Реализация математических методов с использованием ЭВМ в клинической и экспериментальной медицине. Тезисы докладов. - М: 1986, - С. 213-215

3. Лукин К Е, Чечиков Е Б. Автоматизированная информационно-измерительная система "Биолаб" // Интеллектуальные ресурсы развития научно-технического прогресса - М.: ВНИИШ - 1989. Ч. 1, С. 280-282

4. Макаровский Е К , Гайдукова Е В., Лукин В. Е , Лутошкин С. Ф. , Скобеева М. К , Чечиков Ю. Б., Шафранекий Ю. А., Базров Г. Д.

// Автоматизированная биохимическая лаборатория. Перспективное развитие. / Лабораторное дело. - 1989. - N9. С. 26-28

5. Чечиков Ю. К Обзор СУБД на ПЭВМ и их использование в пакетах прикладных программ // Тезисы докладов VIII Сибирской школы по пакетам прикладных программ "Программное обеспечение ЭВМ новых поколений". Иркутск: 1989, С. 133.

6. Чечиков Ю.Б. Проблемы построения автоматизированных систем для медицинских лабораторий // Применение вычислительной техники в медицине. Тезисы докладов 2-ой Всесоюз. научно-практ. конференции - М., 1990. , С. 25-26.

7. Лукин Е Е , Чечиков Ю. Б. Применение объектно-ориентированного программирования в разработке сложных систем // Тезисы IX

Всесоюзной школы по программному обеспечению математического моделирования, управления и искусственного интеллекта. - Иркутск: 1991. Принята к печати.

ЛИТЕРАТУРА

1. Майерс Г. Надежность программного обеспечения - М.: Мир, 1980. - 360 С.