автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Принципы проектирования систем телемедицины, ориентированных на обмен сообщениями

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Принципы проектирования систем телемедицины, ориентированных на обмен сообщениями

05.13.17 - Теоретические основы информатики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УДК 621.391

На правах рукописи

Никитов Дмитрий Сергеевич

Москва-2004

Работа выполнена на кафедре прикладных информационных технологий

Московского физико-технического института

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук,

профессор, академик РАН Гуляев Юрий

Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Петров Игорь Борисович

доктор физико-математических наук, профессор Кравченко Виктор Филиппович

Ведущая организация: МГТУ им Н.Э. Баумана, г. Москва

Защита состоится 26 октября 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К212.156.04 в Московском физико-техническом институте (ГУ) по адресу: 141700, Московская обл.,

г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, ауд. 204 Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ (ГУ).

Автореферат разослан сентября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного

к.т.н., доцент

Куклев Л.П.

2005-4 ^

12970

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В настоящее время практически все разработчики в области медицинских информационных систем подчеркивают сложность создания таких систем ввиду разнородности, сложности и эволюционной природы медицинских данных. Одним из реальных путей решения этой проблемы является стандартизация медицинской информации, а также стандартизация обмена данными, как между отдельными медицинскими информационными системами, так и самими клиническими центрами.

Повсеместное распространение и доступность компьютерной техники и различных телекоммуникационных технологий привело к возникновению в медицинской практике совершенно новой и молодой отрасли - телемедицине. Одно из главных достоинств телемедицины состоит в возможности приблизить высококвалифицированную и специализированную помощь в отдаленные районы. На сегодняшний день существуют несколько направлений разработок, которые принято относить к области телемедицины, а именно, консультирование больных с помощью телефонной связи, проведение хирургических операций с помощью интерактивных видео- и аудио-конференций, телеконсультации, (банки клинических данных) и так далее.

Вследствие разнообразия понятий и подходов в области телемедицины одной из главных задач является проблема выделения тех общих принципов, которые характерны для всех систем, и исследование путей реализации этих принципов на основе современных технологий, признанных наиболее перспективными ведущими разработчиками в области телекоммуникаций. Принципиальные решения в области телемедицины должны органически включать в себя имеющийся в медицине опыт по формализации данных, иерархические структуры описания клинических случаев, автоматизации документооборота и т.д. Поэтому в области современной телемедицины одной из самых актуальных проблем является задача анализа сложившихся стандартов и протоколов в области передачи медицинских данных, выработка принципов формализации медицинских данных на основе стандартов и протоколов и проведение исследований по созданию методик реализации протоколов передачи этих данных (в терминах современных информационных систем - обмена сообщениями).

В предлагаемой работе излагаются результаты исследования по выработке общих принципов построения систем телемедицины, а также представлена разработанная система обмена медицинской

' гис- национальная I 3 1 библиотека }

информацией, и показана ее апробация при использовании методов удаленных консультаций.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в формировании на основе современных подходов общих принципов построения информационных систем телемедицины и в выработке на основе этих принципов рекомендаций по использованию новейших технологий для создания эффективных медицинских информационных систем. С целью апробации и уточнения предлагаемой методологии разработан прототип системы, основанной на отечественном опыте предоставления экспертных консультаций специалистам, находящихся в удаленных клинических центрах. Принципы построения системы являются общими, назначение системы ориентировано на решение конкретной задачи - осуществление посреднической оперативной связи между специалистами и экспертами в области онкологии для получения компетентного второго мнения при постановке диагноза в особо сложных случаях либо условиях.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертации определяется результатами, впервые полученными в данной работе, и заключается в следующем:

1. Подобные телемедицинские системы удаленных консультаций не разрабатывались ранее в научных и медицинских учреждениях в России. Подход и технологии, предложенные в работе способны помочь в унификации способов хранения, использования и эффективного электронного обмена медицинскими данными между клиническими центрами.

2. При разработке системы удаленных консультаций используются новейшие информационные технологии, ранее не применявшиеся также и в известных зарубежных разработках.

3. Методология передачи данных на основе медицинских сообщений разработана с точки зрения привязки медицинского сообщения к структуре сообщений, передаваемых по общедоступным протоколам передачи данных.

4. Использование технологии web-сервисов в разработанной информационной системе может использоваться как конечными пользователями, то есть в качестве результирующей системы, так и использоваться в качестве приложений для других информационных систем, например, имеется возможность использования отдельных модулей системы в качестве модулей системы сторонних разработчиков.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Полученные в диссертационной работе результаты подтверждают универсальность выработанных общих принципов потроения систем телемедицины и их адекватность в отношении новейших технологий при разработке эффективных медицинских информационных систем, направленных на решение конкретных прикладных задач.

Кроме этого, полученные в диссертационной работе результаты подтверждают, что подобные информационные системы удаленных медицинских консультаций в различных областях медицины, могут быть использованы широким кругом специалистов региональных медицинских клиник для оперативно взаимодействия с экспертами из крупных медицинских специализированных центров. Система позволяет специалистам, используя лишь стандартное программное обеспечение (web-браузеры), передавать клинические данные и предполагаемый предварительный, в случае необходимости, диагноз экспертам, обычно находящимся в удаленных медицинских центрах. Подобные информационные системы обладают потенциалом для решения смежных задач таких, как автоматизация документооборота например, электронная карта больного, накопление базы знаний диагнозов клинических случаев для дальнейшей разработки экспертных систем.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫ Е НА ЗАЩИТУ

1. Требования для разработки стандартов сообщений:

• стандарты сообщений для обмена медицинскими данными должны строиться на основе существующей концепции предметной области медицины;

• стандарты медицинских сообщений должны быть адаптированы к современным коммуникационным технологиям;

• стандарты сообщений должны быть масштабируемыми - иметь возможность гибкого изменения или расширения при имеющейся на то необходимости;

• стандарты сообщений должны быть открытыми -любое заинтересованное лицо, принимающее правила использования системы, должно иметь возможность воспользоваться ею.

2. Структура сообщения должна быть стандартизована с целью унификации обмена информацией.

3. Структура сообщения для передачи данных в области онкологии должна соответствовать выбранной модели сообщения.

4. Прототип системы удаленных медицинских консультаций, основанной на обмене сообщениями должен соответствовать тому, что:

• система должна быть ориентирована на XML, что позволит создавать запросы к Web-службам настолько же оперативно, насколько быстро могут быть написаны сообщения XML для вызовов программ существующих приложений;

• существует возможность многократного использования одних и тех же сервисов для различных клиентских приложений;

• использование XML-стандарта гарантирует одинаковое выполнение идентичных функций системы вне зависимости от того, кто является пользователем системы -клиентское приложение на любой платформе или другая служба.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: 45 и 46 научно-технических конференциях МФТИ (2002, 2003 гг), конференции «Электронная Москва», Москва (2002 г.), 6-ом международном семинаре МНТЦ, Москва (2003 г.), 6-ой международной конференции «Физика и электроника в медицине и экологии», Владимир, (2004 г.), научных семинарах в ИРЭ РАН, МФТИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российском онкологическом центре им. Н.Н. Блохина РАМН.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 120 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее практическое значение, сформулирована цель и определены задачи исследования, а также даны основные положения, выдвигаемые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена рассмотрению и анализу проблемы стандартизации в области телемедицины.

Ориентация на решение узких, специализированных задач, отсутствие стандартных способов хранения, преобразования и передачи медицинских данных в едином информационном пространстве как, впрочем, и отсутствие такового пространства, становятся в настоящее время существенным препятствием на пути эффективной информатизации здравоохранения. Время автономных медицинских компьютерных систем, которые создаются отдельными медицинскими подразделениями для решения частных задач, уходит в прошлое. Наступил период телекоммуникаций - период интеграции разнообразных медицинских ресурсов в глобальные системы. Создание современных информационных систем и интеграция в них представляют собой гораздо более сложные задачи, что связано с многоплатформенностью, различием архитектур, многообразием форматов данных в глобальных сетях. По этой причине исключительно актуальной представляется задача выработки не связанных с конкретными платформами соглашений, стандартов о способах структуризации и передачи медицинской информации.

Стандарты в современных медицинских информационных системах являются средством решения многих проблем, в частности:

• позволяют обмениваться информацией не только внутри своей локальной сети, но и с внешними системами, что обеспечивает эффективное взаимодействие региональных медицинских учреждений с крупными центрами, российских учреждений с международными, и т.д.

• облегчают создание распределенных медицинских приложений, основанных на компонентах независимых производителей, включая автоматизацию оборудования, специализированные автоматизированные рабочие места (АРМы), архивы и т.д.

• облегчают внедрение в медицину современных информационных технологий, используя программное обеспечение, поддерживающее единый стандарт, при этом медицинские учреждения имеют возможность поэтапного внедрения информационных ресурсов в системы большого масштаба.

• программное обеспечение, поддерживающее стандарты, дольше не устаревает, легко модернизируется и обновляется, и, как показывает практика, работает стабильнее. К тому же оно дешевле, так как введение

стандартов обеспечивает конкуренцию на рынке программного обеспечения.

Во второй главе анализируются новые информационные технологии и принципы построения на их основе систем обмена медицинскими сообщениями.

Одна из перспективных задач использования Internet, которая обсуждается в последнее время, связана с созданием так называемой программируемой сети, в которой приложения и устройства различных типов будут взаимодействовать, совместно используя имеющиеся у них возможности. Несмотря на наличие таких технологий, как COM/DCOM, CORBA, RMI и XML-RPC, Internet применяется главным образом для просмотра HTML-страниц и обмена сообщениями по электронной почте. Прежде всего это связано с тем обстоятельством, что функционирующие на разных платформах программы не могут совместно использовать другие службы без доработки.

В настоящее время стала широко распространена новая платформа web-служб (web-services) на базе языка XML (Extensible Markup Language) и связанных с ним технологий. Данная платформа призвана обеспечить доступ через Internet к различным приложениям и их совместное использование. Причём всё это должно происходить, таким образом, как будто все приложения располагаются на локальном компьютере. Реализация такого подхода очень проста и элегантна. Функционирование web-служб базируется на языке XML с присущей ему поддержкой межплатформенности. Стоит отметить, что web-службы уже достаточно распространены в системе Internet, и спектр предоставляемых ими услуг чрезвычайно широк.

Система .NET Framework не только обеспечивает возможность использования web-служб, но и предоставляет средства для быстрого их создания. Кроме того, теперь Java-клиенты, действующие в операционной системе UNIX, могут получать услуги из среды .NET. В свою очередь, .NET-клиенты способны взаимодействовать с web-службами, которые созданы с применением языков, не поддерживаемых системой .NET. Совместная работа с такими службами возможна, если они соответствуют стандартам, определяемым протоколами SOAP и WSDL. Использование этих протоколов позволяет избежать проблем, которые возникают при создании распределённых программ посредством технологий СОМ и CORBA. Таким образом, ориентированные на XML web-службы, и в особенности службы .NET, приближают нас к достижению главной цели - обеспечить взаимодействие разнородных и удалённых систем.

Web-служба - это приложение или блок находящегося на web-сервере выполняемого кода, функционирование которого основано на применении стандартных форматов XML. Web-службы отличаются от других технологий создания распределённых приложений следующими характеристиками:

Открытость стандартов

В web-службах отсутствуют какие-либо скрытые или недоступные элементы. Каждый аспект технологии от способа поиска web-службы до её описания и организации связи с ней, определён общедоступными стандартами. Доступность информации способствует дальнейшему расширению и развитию данной технологии.

Межплатформенность

Язык программирования, который позволяет создавать XML-документы и отправлять информацию посредством HTTP, позволяет взаимодействовать с любой web-службой. В частности, возможно получить web-услугу из системы, отличной от .NET, на .NET-клиенте либо получить web-услугу системы .NET на обычном клиенте. Преимущество этого заключается в том, что никогда не придётся ориентироваться на определённый «уровень совместимости» — web-службы .NET изначально встроены в открытые стандарты.

Поддержка сообщений на понятном человеку языке

Переход от двоичных стандартов, применяемых в СОМ и CORBA, к XML-тексту позволил упростить исправление ошибок и обеспечил возможность осуществлять взаимодействие с web-службами по обычным каналам HTTP.

В работе также рассматривается такой аспект создания систем телемедицины, как реализация на основе моделей унифицированных, стандартизованных способов хранения, обмена и поиска структурированных данных. Наиболее перспективными для данной задачи представляются языки разметки, в частности, активно развивающаяся технология XML. XML - универсальный, не зависящий от платформ стандарт, обеспечивающий концепции и технологии для гибких, открытых, и стандартизованных решений проблем структурирования, хранения и обмена данными. Основное достоинство и назначение XML заключается в разделении информационного содержания электронных документов от процедур обработки информации, в частности, способов ее представления. Достоинством XML также является его ориентация на возможность полной

автоматизации обработки документов компьютерными системами. На рис. 1 представлена структура языка XML как сумма отдельных технологий.

Язык разметки XML имеет глубокие корни - происходит от стандарта SGML и является концептуальной основой для большого числа связанных технологий - от способов структурирования информации (DTD, XDR, XSD) до способов ее обработки (DOM, XSLT, XLINK) и представления (CSS, XSL, XHTML).

XML может использоваться в любых приложениях информационной системы - от служебных приложений, с гигантскими объемами передаваемой информации, до пользовательских подсистем, реализующих относительно простые сценарии. Более конкретно, язык XML эффективен для решения следующих задач:

HTML ËÉMiSMMÊ

SGML

Рис. 1. XML как сумма технологий В первую очередь, эта технология полезна для разработчиков сложных информационных систем, с большим количеством приложений, связанных потоками информации самой различной структуры. В этом случае XML - документы исполняют роль универсального формата для обмена информацией между отдельными компонентами большой программы;

XML является базовым стандартом для нового языка описания ресурсов, RDF, позволяющего упростить многие проблемы в

Web, связанные с поиском нужной информации, обеспечением контроля за содержимым сетевых ресурсов, создания электронных библиотек и т.д.;

• XML-документы могут использоваться в качестве промежуточного формата данных в трехуровневых системах. Обычно схема взаимодействия между серверами приложений и баз данных зависит от конкретной СУБД и диалекта SQL, используемого для доступа к данным. Если же результаты запроса будут представлены в некотором универсальном текстовом формате, то звено СУБД, как таковое, станет "прозрачным" для приложения. Кроме того, на рассмотрении W3C находится спецификация нового языка запросов к базам данных языка XQL, который в будущем может стать альтернативой SQL;

• Информация, содержащаяся в XML-документах, может изменяться, передаваться на машину клиента и обновляться по частям. Разрабатываемые спецификации XLink и Xpointer позволят ссылаться на отдельные элементы документа, с учетом их вложенности и значений атрибутов;

• Использование стилевых таблиц (XSL) позволяет обеспечить независимое от конкретного устройства вывода отображение XML- документов.

Вышеперечисленные достоинства делают XML наиболее перспективной технологией для хранения, обработки и обмена медицинскими документами и данными. Именно поэтому европейским комитетом CEN/TC 251 принята рекомендация об использовании синтаксиса XML как единственной альтернативы по структуризации обмениваемыми сообщениями. В стандарте HL7 Version 3 XML планируется как основной способ структурирования сообщений в системе.

Связь между web-службами и их клиентами осуществляется посредством сообщений в формате XML.

Simple Object Access Protocol (SOAP) — это протокол на базе языка XML, который определяет правила передачи сообщений по Интернет между различными прикладными системами. SOAP представляет собой простой «связующий» протокол, с помощью которого узлы могут удаленно вызывать объекты приложения и возвращать результаты. Он предлагает минимальный набор условий, позволяющий приложению передавать сообщения: клиент может посылать сообщение для того, чтобы вызывать программный объект, а сервер может возвращать результаты этого вызова.

SOAP может быть привязан к любому транспортному протоколу для приложений, как правило, он используется вместе с HTTP. SOAP работает за счет преобразования информации, необходимой для вызова метода, например, сюда относятся значения аргументов и идентификаторы транзакций в формат XML.

Данные инкапсулируются в HTTP или в какой-то другой транспортный протокол и передаются адресату, в качестве которого обычно выступает сервер. Этот сервер выделяет данные SOAP из пакета, выполняет требуемую обработку и возвращает результаты в виде ответа SOAP.

Корневым элементом протокола является - SOAP-конверт (<SOAP:Envelope>), в котором содержатся заголовок (<SOAP:Header>) и тело (<SOAP:Body>), как это показано на рис. 2.

Рис.2. Структура SOAP-конверта

Как правило, в заголовке конверта передают служебную информацию, такую как данные цифровой подписи или аутентификации. Заголовок является необязательным элементом, но его использование позволяет решить некоторые стандартные задачи, например, такие как поддержка сессии. В теле сериализуются параметры функции, возвращаемое значение или ошибка, поддерживается передача параметров по ссылке, оптимизация при сериализации байтовых, разреженных и неполных массивов.

Использование протокола SOAP позволяет передавать структурированные данные в виде XML по средствам уже существующих и успешно работающих протоколов передачи данных, что является огромным плюсом при обмене медицинской информацией в глобальной сети Internet.

В третьей главе рассматриваются основные принципы проектирования систем обмена сообщениями для телемедицины.

Современные информационные системы, как правило, разворачиваются в глобальных сетях типа Internet. He являются исключением и системы телемедицины. Время автономных, локальных приложений уходит в прошлое. Их место занимают информационные системы, характеризующиеся многообразием архитектур, многоплатформенностью, разнообразием форматов данных и протоколов.

Наиболее перспективные тенденции в создании современных информационных систем можно объединить понятием "архитектура, обусловленная моделированием" (Model Driven Architecture - MDA). Философия этого подхода (Рис.3) заключается в том, что в сложной системе невозможно предусмотреть всё - все возможные сценарии, платформы, будущее развитие системы и т.д. Поэтому целесообразно разрабатывать некоторую общую для всех участников открытую объектную модель и определять принципы ее наращивания и интеграции приложений в систему. MDA решает эти вопросы посредством разделения задач проектирования и реализации. MDA отделяет спецификацию фундаментальной логики от спецификаций различного программного обеспечения промежуточного уровня (реализации).

Финансы

А

Промышленность

Электронная коммерция

Авизуя

телвкоммуиикаци! >

Космос

Транспорт

V

Другое..

Рис. 3. Философия MDA

ЗдрдадахраииЧ'И«

Это позволяет быстро разрабатывать и внедрять новые спецификации взаимодействия, используя новые развернутые технологии, базирующиеся на достоверно проверенных моделях.

Глобальные информационные системы, построенные на основе MDA-подхода, обеспечивают эффективное решение следующих проблем:

• Мобильность - возможность многократного использования приложений, уменьшение стоимости и сложности разработки и управления приложениями.

• Межплатформенное взаимодействие - использование строгих методов, стандартов, гарантирующих одинаковое выполнение идентичных функций вне зависимости от технологий реализации.

• Независимость от платформ - обуславливает значительное сокращение времени, стоимости и сложности переориентации приложений на другие платформы.

• Специализация - выработка специфических для предметной области моделей, адаптированных под специфические для данной индустрии задачи.

• Производительность - позволяет разработчикам, дизайнерам и системным администраторам использовать комфортные языки и концепции, с минимальными издержками интегрировать в процесс разработки другие команды разработчиков.

Процесс создания информационных MDA-систем представляет собой типичный сложившийся цикл разработки любого сложного информационного проекта: фаза выработки требований (ТЗ) - фаза анализа - фаза реализации (рис.4).

Рис. 4. Цикл разработки информационного проекта

Применительно к вопросам разработки информационных MDA-систем следует отметить, что на сегодняшний день уже существует такая система Rational Rose фирмы Rational и продолжает

совершенствоваться методология автоматизированного согласования и генерации XML- стандартов (схем) по спроектированным UML-моделям. Более того, разработаны способы реинжениринга -восстановления моделей по существующим XML - структурам. Таким образом, вопросы проектирования и реализации в технологиях UML-XML связаны и взаимообусловлены в гораздо большей степени, чем это может показаться на первый взгляд (см. рис. 5).

Модель классов системы может быть конвертирована стандартными средствами в определения типов документов или схемы для использования их в качестве стандартов структур данных, сообщений, документов реальной информационной системы.

В рамках каждой из фаз прорабатываются специфические для нее вопросы соответствия требованиям, согласованности и функциональности. Для фаз анализа и реализации наиболее перспективными признаны технология проектирования UML (Unified Modeling Language) и, основанный на технологии XML, стандарт XMI (Metadata Interchange).

Рис. 5 Реализация как "этап" проектирования

Вне зависимости от специфики конкретной ситемы телемедицины, ее реализация осуществляется на основе выбора некоторых стандартных технологий. Сумма технологий, определенных для реализации системы, составляет ее профиль. Профиль прикладной среды представляет собой набор базовых стандартов, которые

необходимы для удовлетворения функциональных требований в конкретной прикладной области. Профиль идентифицирует требования прикладной области, стандарты, пригодные для удовлетворения этих требований и расхождения между необходимыми возможностями и существующими стандартами Профили выполняют три наиболее существенные и взаимосвязанные функции:

• обеспечивает логическую группировку стандартов, которые разработчики могут использовать, чтобы упростить задачу по ориентации приложений для конкретной среды;

• задает ориентиры для построения прикладных программ и систем, профиль является руководством, которое определяет, насколько должным образом реализованы пакеты прикладных программ или система;

• в терминах профилей может быть осуществлено тестирование на соответствие как систем, так и приложений

Принципиальный профиль обобщенной системы телемедицины представлен на рис. 6.

Для систем телемедицины, оринтированных на обмен сообщениями по HTTP протоколу и использующих для этих целей web-сервисы, наиболее естественной технологией нижнего уровня стандарта сообщений является SOAP спецификация. SOAP поверх HTTP обеспечивает возможность обмена сколь угодно сложными структурированными сообщениями (в отличие от POST/HTTP).

Средний уровень стандарта сообщений реализуется на основе XML технологий. При этом структура сообщений на стороне сервера системы фиксируется при помощи XML схем - на основе XSD, а на стороне клиента системы определяется посредством WSDL запросов прокси клиента к сервисам системы.

Верхний (логический) уровень стандарта сообщений реализуется в форме спецификации системы сообщений (модели) на основе UML нотации.

КЛИЕНТ СЕРВЕР

Рис. 6. Принципиальный профиль системы телемедицины

В четвертой главе описывается реализация принципов проектирования на примере системы удаленных консультаций в онкологии.

Система удаленных консультаций «Специалист/Эксперт в области онко-патологии» представляет собой телемедицинскую систему, которая реализует функции предоставления консультаций специалистам, находящихся в удаленных клинических центрах. Она позволяет специалисту запрашивать консультацию о сложном клиническом случае и получать компетентное второе мнение эксперта при постановке окончательного диагноза. Запрос на консультацию должен сопровождается необходимым и достаточным минимумом данных о клиническом случае, может включать предварительный диагноз. Эксперт, обычно находящийся в крупном исследовательском центре, использует систему для рассмотрения поступивших запросов на консультации и формирования собственного заключения. При этом

для формирования окончательного заключения он может потребовать от специалиста дополнительную информацию о клиническом случае, которую последний обязан предоставить. Клинические случаи, являющиеся предметом консультаций, сохраняются в базе данных системы и могут быть предметом повторных консультаций.

Система удаленных медицинских консультаций имеет трехуровневую клиент-серверную архитектуру (Рис. 7). Роль клиентского приложения в системе выполняет так называемый «тонкий клиент» - 'М'еЬ-браузер. Сервис приложений - это связующее звено между сервисом представлений ^еЬ-браузер) и данными (база данных), в данной системе выполнен с использованием web-сервисов. В качестве сервиса данных используется система управления базами данных.

Основными преимуществами выделения логики приложения в отдельную составляющую являются возможность повторного использования логики приложения, повышение производительности используемого сервера базы данных, возможность масштабирования системы в целом и относительная независимость системы от конкретного производителя системы управления базами данных.

Рис.7. Трехуровневая архитектура системы.

Обмен информацией с системой осуществляется на основе стандартизованных сообщений. Все сообщения имеют иерархическую структуру, определяемую структурой сообщения протокола обмена SOAP (структурой soap: Envelope), верхний, самый абстрактный уровень иерархии структуры сообщений для данной системы имеет вид, представленный на рис. 8.

Поскольку синтаксис SOAP сообщений определяется технологией XML, для уточнения структурных элементов и во

избежание конфликтов имен в стандартах далее широко применяется техника привязки к пространствам имен - составная часть технологии XML. Привязка осуществляется за счет явного определения XML атрибута xmlns. Для данной системы, в соответствии с ролями пользователей, предусмотрены следующие пространства имен: SM -пространство имен для специалистов (Specialist), EM - пространство имен для экспертов (Expert), AM - пространство имен для администраторов (Admin) и СМ - для всех пользователей.

Стандартный заголовок SOAP сообщения - soap:Header должен содержать подзаголовок системы MessageHeader с атрибутом xmlns -пространством имен, к которому принадлежит служба прецедента. Подзаголовок системы MessageHeader должен содержать раздел MessageActor для идентификации пользователя, которая осуществляется на основе пары полей:

• type - имя пользователя при первом обращении к системе, либо идентификатор сессии;

• code - пароль пользователя при первом обращении к системе, либо РОЛЬ В системе_._

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <soap:Envelope

xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:xsd-'http://www.w3 .org/2001/XMLSchema" xmlns:soap="http://schemas.xmlsoap.org/soap/enveIope/"> <soap:Header>

<MessageHeader xmlns=string > <MessageActor> <Type>string</Type> <Code>string</Code> </MessageActoi> </MessageHeader> </soap:Header> <soap:Body>

</soap:Body> </soap:Envelope>

Рис. 8. Структура 80ЛР-конверта

Подзаголовок MessageHeader может содержать и другие разделы.

Стандартное тело SOAP сообщения - soap:Body, в случае обращения пользователя к системе, может быть пустым, когда сообщение не содержит данных (например запрос о вызове некоторой службы с целью получения информации), либо должно содержать структурированные данные, находящиеся в разделе Message с атрибутом xmlns - пространством имен.

В работе показываются этапы проектирования базы данных для системы удаленных медицинских консультаций. Показаны физические и логические схемы. На этапе логического проектирования разрабатываются все сущности, их атрибуты и взаимосвязи между ними. Физическая модель данных соответствует описанию данных в БД конкретной СУБД, то есть схеме данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная система удаленных медицинских консультаций для онкологов-патологов, была разработана совместно со специалистами Онкологического центра им. Н.Н. Блохина РАМН. Это не означает что подобную систему нельзя использовать в других областях медицины. Модели и технологии, использованные в разработке, позволяют быстро осуществить адаптацию системы под нужды тех областей медицины, где необходимо использование второго компетентного мнения в постановке диагноза.

В результате проведенных исследований были выявлены основные концепции современных технологических решений в построении информационных систем телемедицины. Наиболее перспективный путь, что было отмечено также и консорциумом HL7, ориентирован на недавно появившиеся технологии Web-сервисов (web services). Далее, в результате пробной эксплуатации системы удаленных консультаций было выяснено, что разработанная система обладает следующими достоинствами:

• Архитектура разработанной системы подразумевает реализацию, ориентированную на современные web-технологии. В частности, отдельные сценарии подразумевают реализацию в виде web-сервисов, запросы и ответы на запросы в которых осуществляются в виде независящих от платформ сообщений XML-формата (SOAP-конвертов);

• Все web-сервисы системы, в соответствии с их концепцией, могут сопровождаться открытой WSDL документацией, описьюающей пользователю все, что необходимо знать о данной службе. Последнее обстоятельство допускает большое разнообразие способов взаимодействия пользователей с

системой - от использования web-браузеров (поддерживающих XML-формат) до создания и использования специализированных клиентских приложений, разработанных для нужд пользователя;

Система ориентирована на использование XML, что позволяет создавать запросы к Web-службам настолько же оперативно, насколько быстро могут быть написаны сообщения XML для вызовов программ существующих приложений; Система обладает возможностью многократного использования одних и тех же сервисов для различных клиентских приложений, что приводит к уменьшению стоимости, сложности разработки и управления системой; Использование XML-стандарта гарантирует одинаковое выполнение идентичных функций системы вне зависимости от того, кто является пользователем системы - клиентское приложение на любой платформе или другая служба. Это обстоятельство позволяет говорить об использовании межплатформенного взаимодействия.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Д.С. Никитов, З.А. Сновида, В. Бородин, В.Е. Анциперов. Разработка функциональных стандартов в сетях телемедицины. // Труды XLV научно-технической конференции МФТИ (ГУ), г. Долгопрудный, 2002.

2. Ю.В. Гуляев, Д.С. Никитов, З.А. Сновида, В.Е. Анциперов, Н.Н. Петровичев, И.П. Шабанова. Интерактивные образовательные программы поиска, структуризации и обработки медицинской информации. // Труды конференции «Электронная Россия», Москва, 2002.

3. Ю.В. Гуляев, Д.С. Никитов, З.А. Сновида. User profiles in the context of spatial-based services. // Proceedings of 6th International seminar on Science and Computing, Moscow, 2003

4. В.Е. Анциперов, Д.С. Никитов, З.А. Сновида, В.А. Бородин. Системы современной телемедицины: проектирование и реализация. // Информационные технологии, №5,2003, с. 48-50.

5. Д.С. Никитов, З.А. Сновида, В.А Перминов. Система удаленных медицинских консультаций, основанная на современных Web-технологиях. // Труды XLVI научно-технической конференции МФТИ (ГУ), г. Долгопрудный, 2003.

6. В.Е. Анциперов, Ю.В. Гуляев, Д.С. Никитов, З.А. Сновида. Разработка медицинской системы удаленных консультаций типа "специалист-эксперт", основанной на Web-технологиях. // Информационные технологии и вычислительные системы, № 2, 2004, с. 78-85.

7. Ю.В. Гуляев, Д.С. Никитов, В.Е. Анциперов, З.А. Сновида. Система удаленных консультаций типа "специалист-эксперт" для онкологов-патологов, основанная на Web-технологиях. // Труды VI международной научно-технической конференции "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии", Владимир, 2004.

8. Д.С. Никитов, З.А. Сновида, В.Е. Анциперов, Ю.В. Гуляев, С.А. Никитов. Развитие современных телемедицинских технологий. // Успехи современной радиоэлектроники, № 5-6,2004, с. 133-137.

9. В.Е. Анциперов, Ю.В. Гуляев, Д.С. Никитов, З.А. Сновида. Телекоммуникации в медицине: стандарты сообщений - современное состояние и перспективы. // Радиотехника и электроника, т.49, № 8, 2004, с. 1017-1022.

Подписано в печать 15.09.04. Формат 60x90/16 Усл. печ. л. 1.0. Тираж 70 экз. Заказ 382. Московский физико-технический институт (государственный университет)

Печать на принтере Rex-Rotaiy Copy Printer 1280. НИЧ МФТИ.

141700, г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д9 тел.: (09S) 408 8430, факс (095) 576 6528

» 1 7955

РНБ Русский фонд

2005-4 12970

Введение.

Глава I. Современное состояние проблем информатизации и автоматизации в медицине.

1.1 Проблема разнородности и стандартизации медицинской информации для разработки медицинских информационных систем.

1.2 Направления стандартизации в медицинской информатике.

1.3 Необходимость информационных стандартов в медицине.

1.4 Опыт ведущих организаций по разработке информационных стандартов для медицины.

Глава II. Новые информационные технологии и принципы построения на их основе систем обмена медицинскими сообщениями.

2.1 WEB-сервисы, как основа информационных систем, ориентированных на обмен сообщениями.

2.2 Технология Web-сервисов для обмена медицинскими сообщениями.

2.3 Технологии построения иерархических систем сообщений.

Глава III. Принципы проектирования систем обмена сообщениями для телемедицины.

3.1 Методы разработки современных систем телемедицины.

3.2 Информационная модель для построения систем, поддерживающих обмен сообщениями.

3.3 Формализация данных в предметной области медицины. Онтологии.

3.5 Принципиальный профиль системы телемедицины.

Глава IV. Реализация принципов проектирования на примере системы удаленных консультаций в онкологии.-.

4.1 Архитектура системы.

4.2 Проектирование системы. Прецеденты в системе.

4.3 Проектирование и реализация базы данных системы.

4.4 Реализация клиентского приложения.

По мнению большинства экспертов, прогнозирующих развитие науки и техники, двадцать первый век должен стать "веком коммуникаций", что подразумевает повсеместное использование глобальных информационных систем. Использование таких систем в медицине открывает качественно новые возможности:

• в обеспечении взаимодействия региональных клиник с крупными медицинскими центрами;

• в вопросах интеграции отечественных систем в международные медицинские ассоциации;

• в оперативном получении результатов последних научных исследований;

• в деле подготовки и переподготовки медицинских специалистов.

Главной задачей данной работы является апробация технологий обмена медицинской информацией. В результате проведенных исследований были изучены и проанализированы существующие стандарты и протоколы, и была предложена методика реализации протокола передачи медицинских данных посредством обмена сообщениями.

Тот факт, что именно обмен сообщениями в медицинских информационных системах является центральным, общепризнан основными мировыми разработчиками и производителями в области медицинских информационных систем НЬ7 и СЕК/ТС 251. Системы, основанные на обмене сообщениями, имеют то исключительное для телемедицины преимущество, что изначально унифицируют обмен информацией (т1егорегаЫ1ку) между разнородными пользовательскими приложениями, характеризующимися различными профилями, платформами, концепциями и т.д.

В результате исследований в рамках данной диссертационной работы были поставлены и защищаются следующие научные положения:

1. Требования для разработки стандартов сообщений:

• стандарты сообщений для обмена медицинскими данными должны строиться на основе существующей концепции предметной области медицины;

• стандарты медицинских сообщений должны быть адаптированы к современным коммуникационным технологиям;

• стандарты сообщений должны быть масштабируемыми -иметь возможность гибкого изменения или расширения при имеющейся на то необходимости;

• стандарты сообщений должны быть открытыми - любое заинтересованное лицо, принимающее правила использования системы, должно иметь возможность воспользоваться ею.

2. Структура сообщения должна быть стандартизована с целью унификации обмена информацией.

3. Структура сообщения для передачи данных в области онкологии должна соответствовать выбранной модели сообщения.

4. Прототип системы удаленных медицинских консультаций, основанной на обмене сообщениями должен соответствовать тому, что:

• система должна быть ориентирована на XML, что позволит создавать запросы к Web-службам настолько же оперативно, насколько быстро могут быть написаны сообщения XML для вызовов программ существующих приложений;

• существует возможность многократного использования одних и тех же сервисов для различных клиентских приложений;

• использование XML-стандарта гарантирует одинаковое выполнение идентичных функций системы вне зависимости от того, кто является пользователем системы - клиентское приложение на любой платформе или другая служба.

С целью унификации обмена информацией структура сообщений должна быть стандартизована. Существует ряд требований, которым должны удовлетворять стандарты сообщений:

• стандарты сообщений должны отражать семантику предметной области - строиться на основе понятий и концепций данной области медицины

• стандарты сообщений должны быть масштабируемыми — иметь возможность гибкого изменения или расширения при имеющейся на то необходимости

• стандарты сообщений должны быть открытыми — любое заинтересованное лицо, принимающее правила использования системы, должно иметь возможность воспользоваться ею.

Наиболее адекватным средством стандартизации, удовлетворяющим перечисленным требованиям, является открытая технология XML, ориентированная на протокол обмена сообщениями SOAP. Архитектура системы построена на базе современных web-технологии, таких как XML, SOAP, web services. В основе работы системы лежит обмен медицинскими сообщениями.

Информационная система удаленных медицинских консультаций в области онкологии и онкопатологии, рассмотренная в данной работе, может быть использована широким кругом специалистов региональных медицинских клиник для оперативно взаимодействия с экспертами из крупных медицинских специализированных центров, в частности Российским онкологическим центром им. H.H. Блохина РАМН.

Система позволяет специалистам, используя лишь стандартное программное обеспечение (web-браузеры), передавать клинические данные и предполагаемый предварительный (в случае необходимости) диагноз экспертам, обычно находящимся в удаленных медицинских центрах. Эксперты, в свою очередь, имеют возможность при помощи средств автоматизации системы быстро оформить либо собственный диагноз, либо внести уточнения в имеющийся. Достоинством системы является возможность оперативного обмена данными, что весьма существенно в экстренных клинических случаях.

При разработке данной системы были существенно использованы многолетний опыт формализации предметной области и заделы по автоматизации в онкологии специалистов Российского онкологического центра им. H.H. Блохина РАМН и ведущиеся в Институте радиотехники и электроники РАН исследования в области телекоммуникаций и телемедицины [И].

Заключение

Представленная система удаленных медицинских консультаций для онкологов-патологов, была разработана совместно со специалистами Онкологического центра им. H.H. Блохина Российской академии медицинских наук. Это не означает, однако, что подобную систему нельзя использовать в других областях медицины. Модели и технологии, использованные в разработке, позволяют быстро осуществить адаптацию системы под нужды тех областей медицины, где необходимо использование второго компетентного мнения в постановке диагноза [10].

В результате проведенных исследований были выявлены основные концепции современных технологических решений в построении информационных систем телемедицины. Наиболее перспективный путь, что было отмечено также и консорциумом HL7, ориентирован на недавно появившиеся технологии Web-сервисов (web services).

В результате пробной эксплуатации системы удаленных консультаций было выяснено, что разработанная система обладает следующими достоинствами:

• Архитектура разработанной системы подразумевает реализацию, ориентированную на современные web-технологии. В частности, отдельные сценарии подразумевают реализацию в виде web-сервисов, запросы и ответы на запросы в которых осуществляются в виде независящих от платформ сообщений XML-формата (SOAP-конвертов).

• Все web-сервисы системы, в соответствии с их концепцией, могут сопровождаться открытой WSDL документацией, описывающей пользователю все, что необходимо знать о данной службе. Последнее обстоятельство допускает большое разнообразие способов взаимодействия пользователей с системой — от использования web-браузеров (поддерживающих XML-формат) до создания и использования специализированных клиентских приложений, разработанных для нужд пользователя.

• Система ориентирована на использование XML, что позволяет создавать запросы к Web-службам настолько же оперативно, насколько быстро могут быть написаны сообщения XML для вызовов программ существующих приложений;

• Система обладает возможностью многократного использования одних и тех же сервисов для различных клиентских приложений, что приводит к уменьшению стоимости, сложности разработки и управления системой;

• Использование XML-стандарта гарантирует одинаковое выполнение идентичных функций системы вне зависимости от того, кто является пользователем системы - клиентское приложение на любой платформе или другая служба. Это обстоятельство позволяет говорить об использовании межплатформенного взаимодействия.

1. Telemedicine Resources and Services: American Telemedicine Association. University of Texas at Austin, 1994.2. HL7, http://www.hl7 .org

2. CEN-TC251, http://www.centc251.org

3. UDDI Technical White Paperhttp://www.uddi.org/pubs/Iru UDDI Technical White Paper.pdf

4. The Architecture of Choice for a Changing http://www.omg.org/mda

5. Introduction to http://www.omg.org/gettingstarted/what isuml.htm

6. Core Standards (XML), http: //xml .coverpages .org/xml .html

7. E. Мамаев. Microsoft SQL Server 2000. БХВ, С.-Петербург, 2001

8. Б. Трэвис. XML и SOAP программирование для серверов BizTalk. Русская редакция, М., 2001

9. Никитов Д.С., Сновида З.А., Анциперов В.Е., Ю.В. Гуляев, Никитов С.А. Методы разработки современных систем телемедицины, Успехи современной радиоэлектроники, номера 5-6, стр. 133-137, 2004

10. Анциперов В. Е., Никитов Д. С., Сновида 3. А., Бородин В. А. Системы современной телемедицины: проектирование и реализация // "Информационные технологии" N 5, М., 2003.

11. Web Service Definitions in UML // E2E technologies Ltd, 2003.

12. Stalidis, G., Prentza, A., Vlachos, I. N., Anogianakis, G., Maglavera, S., Koutsouris, D.,2000, Intranet Health Clinic. // Proceedings of the Medical Informatics Europe 2000, IOS Press, pp. 1112-1116

13. An introduction to database systems, Date, C. J., 1986, Addison-Wesley

14. XSL Transformations (XSLT), Version 1.0, W3C Recommendation 16 November 1999, http://www.w3.orq/TR/xslt

15. M.J. Field and K.N. Lohr (eds.). Clinical practice guidelines: directions for a new program. Institute of medicine. Washington DC, National Academy Press, 1990.

16. Tim Berners-Lee, James Hendler, and Ora Lassila. The Semantic Web. Scientific American, 284(5):34-43, 5 2001.

17. The Gene Ontology Consortium. Gene Ontology: tool for the unification of biology. Nature Genetics, 25:25-30,2000.

18. HL7 Standard. http://puck.informatik.med.uni-giessen.de/people/messaritakis/-hl7xml/hl7stand.htm, 2000.

19. S. Schulz, M. Romacker, and U. Hahn. Knowledge engineering the UMLS. Stud Health Technol Inform, 77:701-5,2000.

20. J. Slodkowska, K. Kayser, and P Hasleton. Teleconsultation in the Chest Disorders. European Journal of Medical Research, 7 (Suppl I):80, 2002.

21. Unified Medical Language System. http://www.nlm.nih.gov/research/umls, 2002.

22. Ю.В. Гуляев, А.Я. Олейников, В.И. Богатырев и др. ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ // Материалы к межотраслевой Программе "Развитие и применение открытых систем", Москва, 1999

23. Ю.В. Гуляев, А .Я. Олейников. Открытые системы от принципов к технологии, Информационные технологии и вычислительные системы, №3, М., 2003.

24. P. Buneman, S. Davidson, G. Hillebrand, D. Suciu, "A Query Language and Optimization Techniques for Unstructured Data", Proc. ACM SIGMOD Conf., Montreal, Canada, June, 1996.

25. S. Chawathe, S. Abiteboul, J. Widom., "Representing and Querying Changes in Semistructured Data", Proc. 14th ICDE, Orlando, Florida, February 1998.

26. Final draft of CEN Report: Health informatics Electronic healthcare record communication - Domain model. CEN/TC 251/N00-048, 2000-07-18, http ://www.centc251 .org.

27. Proposal for an intensified collaboration between CEN/TC 251 and HL7. CEN/TC 251/N99,106 1999-11-19 1 (6), http://www.centc251.org.

28. Memorandum of Understanding on Intensifying the collaboration between CEN/TC 251 and HL7, CEN/TC 251/N00-022 2000-03-14, http://www.centc251 ,org/tcmeet/doclist/TCdoc00/N00-022.pdf.

29. ISO/IEC Directives, Part3: Drafting and Presentation of International Standards. http://isotc.iso.ch/livelink/livelink/fetch/2000/2123/SDSWEB/sdsedit.htm.

30. Short Strategic Study on International Cooperation on Issues of Terminology, CEN/TC251/N00-033, 2000, http://www.centc251.org/tcmeet/doclist/TCdoc00/N00-033.pdf.

31. Coupling computer-interpretable guidelines with a drug-database through a web-based system The PRESGUID project, J.-C. Dufour, D. Fieschi and M. Fieschi, BMC Medical Informatics and Decision Making, 2004. http://www.biomedcentral.eom/1472-6947/4/2.

32. Когаловский M.P. Энциклопедия баз данных. Москва, 2002.

33. А. Э. Мационис, Г. И. Самсоненко, А. Н. Литвиненко, А. Н. Павличенко, А. Я. Зеньковский. Состояние и тенденции развития медицинскихинформационных систем для морфологических исследований. Архив патологии №3.

34. Message Development Framework Version 3.3 December 1999. George W Beeler, Stan Huff, Wesley Rishel, Abdul-Malik Shakir, Mead Walker, Charlie Mead, Gunther Schadow. http://www.hl7.org/library/mdf99/mdf99.pdf

35. Harmonizing CEN and HL7 work Some issues for discussion. CEN/TC. http://www.centc251.org/TCMeet/doclist/TCdoc00/N00-003.pdf

36. First working document of Health informatics General purpose information components. CEN/TC. http://www.centc251 .org/TCMeet/doclist/TCdoc02/N02-010Pt41 -1 .pdf

37. А. Феррара, М. Мак-Дональд. Программирование web-сервисов для .NET, Питер, BHV, 2003.

38. MSDN Library, http : //msdn.microsoft. com/

39. Web Services Description Language (WSDL),http://www.w3.org/TR/wsdl

40. SOAP Version 1.2 Specification, http://www.w3.orq/TR/2003/REC-soapl2-part0-20030624

41. А. Валиков. Технология XSLT. BHV, Спб, 2001

42. Lowe H.J., Lomax E.C., Polonkey S.E., The World Wide Web: a review of an emerging Internet-based technology for the distribution of biomedical information. Journal of American Medical Association, 3,1996.

43. Cimino J.J. Beyond the superhighway: exploiting the Internet with medical informatics. Journal of American Medical Association, 4, 1997.

44. Tofukuji, I., and Sawai, T. A development plan of the next generation telepathology system // Proceedings of American Telemedicine Association 9th Annual Meeting & Exposition, 2004.

45. Krupinski, E.A. Home health and telemedicine: where are we today? // Studies in Health Technology and Informatics, 104: 125-40,2004.

46. Payne, W. Periscope evidence of the benefits of telemedicine // British Journal of Healthcare Computing and Information Management, 21(4): 20-1,2004.

47. Wang, M., Lau, C., Matsen, F.A., and Kim, Y. Personal health information management system and its application in referral management // IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, Sep 8(3): 287-97, 2003.

48. ACR standard for teleradiology. http://www.emed.com/resources/telerad.pdf.

49. Tachakra S, Sivakumar A, Hayes J, Dawood M. A protocol for telemedical consultation. Journal of Telemedicine and Telecare, 3:163-8, 1997.

50. Wootton R. Telemedicine in the National Health Service. Journal of the Royal Society of Medicine, 91:614-21, 1998.

51. Aas IHM. A qualitative study of the organizational consequences of telemedicine. Journal of Telemedicine and Telecare, 7:18-26, 2001.

52. M. Loane, R. Wootton, A review of guidelines and standards for telemedicine, Journal of Telemedicine and Telecare, v. 8, 11,2002.

53. D. Nelson, Why Does Medicine Need Standards? Medical Computing Today, 08, 1997.

54. C. Lau, R. Churchill, J. Kim, F. Matsen, Y.Kim, Asynchronous Web-Based Patient-Centered Home Telemedicine System, IEEE transactions on biomedical engineering, vol. 49, no. 12,12,2002.

55. F. Magrabi, N. H. Lovell, and B. G. Celler, "A web-based approach for electrocardiogram monitoring in the home," Int. J. Med. Informatics, vol. 54, pp. 145— 153, 1999.

56. K. D. Mandl, I. S. Kohane, and A. M. Brandt, "Electronic patient-physician communication: Problems and promise," Ann. Internal Med., vol. 128, pp. 495-500, 1998.

57. XML Schema v. 1.1 specification,http://www.w3.org/TR/xmlschema-0/

58. Extensible Markup Language (XML) v. 1.0 (3-rd Edition),http;//www.w3.orq/TR/2004/REC-xml-20040204/

59. P. Borst, J.M. Akkermans, and J.L. Top: Engineering Ontologies, International Journal of Human-Computer Studies 46, 365-406, 1997.

60. Richard Fikes et al. DAML Query Language, http: //www, daml. org/2003/04/dql (April 2003).