Алгоритмические и программные средства интеграции данных при создании электронных медицинских карт

В настоящее время вместе с растущим развитием экономики и уровня жизни общества, потребности человека в качественной заботе о его здоровье постоянно возрастают. Применение информационных технологий предоставляет возможности передачи медицинских данных своевременной и оперативной диагностики пациентов, новые возможности повышения квалификации врачей, широкое внедрение новых медицинских технологий и методов, дистанционные медицинские консультации и т. д.

Актуальность темы

В рамках исполнения федеральной программы «Электронная Россия», направленной на информатизацию широкого спектра областей жизнедеятельности человека и реализацию прав граждан на доступ к информации, в работе рассматриваются актуальные вопросы разработки документооборота для задач описания электронной истории болезни в ЕИП здравоохранения.

В настоящее время перед всеми специалистами, занимающимися разработкой программных продуктов для здравоохранения остро стоит вопрос организации медицинских данных. Это обусловливается тем, что медицинская информация имеет сложную структуру и очень разнообразна по своему составу. Более того, высокие требования к точности, надежности, безопасности и в потребности постоянного обновления медицинских данных накладывают дополнительные требования для реализации способов работы с ними.

Как показывает практический опыт использования информационных технологий в различных медицинских учреждениях, внедрение МИС позволяет повысить качество и эффективность медицинского обслуживания и снизить стоимость медицинских услуг.

Полноценная МИС должна обеспечивать механизм формирования ЭМК, автоматизацию электронного документооборота, интеграцию данных, а также иметь техническую возможность проведения удаленных консультаций специалистов и позволять повысить эффективность принятия управленческих решений.

В рамках диссертационной работы рассматривается новый способ решения задачи автоматизации медицинского электронного документооборота с использованием процессного подхода. В отличие от существующих способов, применяемых для разработки МИС, рассматриваемый способ предлагает:

• использовать новый формат Open UMS, являющийся адаптацией международных медицинских стандартов (HL7 CDA и openEHR) к условиям российского здравоохранения, для ведения ЭМК пациента;

• использовать язык описания бизнес-процессов BPEL, тесно связанный с концепцией сервис-ориентированной архитектуры, использующей веб-сервисы в качестве универсального способа интеграции данных;

• использовать Office Open XML, представляющий собой серию форматов файлов для хранения электронных документов пакетов офисных приложений, что предоставляет пользователю альтернативный вариант работы с ЭМК;

• использовать различные информационно-коммуникационные технологии для решения задач проведения удаленных консультаций в рамках ЕРШ.

Для органов управления здравоохранением с целью оперативного управления важно получать актуальную информацию для принятия управленческих решений. Таким образом, задача создания информационной модели, обеспечивающей формирование ЭМК пациента и автоматизации бизнес-процессов медицинского обслуживания с использованием современных открытых форматов и технологий очень актуальна. Решение такой задачи позволит пользователям отказаться от использования традиционного бумажного документооборота и перейти к эффективной модели автоматизации и управлению бизнес-процессами с применением электронных документов.

Цель диссертационной работы состоит в разработке алгоритмических и программных средств интеграции данных при создании ЭМК пациента. Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:

• анализ современного состояния здравоохранения в России и за рубежом;

• разработка рекомендаций по модификации формата медицинских данных для задач организации хранения и обмена данными в ЕРШ;

• разработка методологии формирования ЭМК пациента с использованием сочетания форматов Open UMS и Office Open XML;

• проектирование шаблонов медицинских документов в форматах Office Open XML для систем ведения ЭМК;

• разработка алгоритмического обеспечения для задач динамической настройки конфигурации МИС;

• разработка алгоритма формирования лечебно-диагностического процесса для описания потока исполнения задач на языках UML и BPEL с целью динамической реконфигурации исполнения МИС;

• разработка веб-модуля для решения задачи проведения удаленных консультаций между специалистами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы проектирования программного обеспечения, моделирования и структурного анализа бизнес-процессов, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы. В диссертационной работе обоснована проблема разработки ЭМК пациента, предложен способ динамической организации состава и маршрута документа, выбраны средства управления медицинским электронным документооборотом, в том числе для задач ЕИП, решена задача проведения удаленных консультаций специалистов в рамках ЕИП.

Научную новизну работы определяют следующие основные положения:

• модификация формата медицинских данных для задач организации хранения и обмена данными в ЕИП;

• способ ведения ЭМК с использованием шаблонов медицинских документов в форматах Office Open XML с применением ЭЦП;

• алгоритмическое обеспечение для задач динамической настройки конфигурации МИС;

• алгоритм формирования лечебно-диагностического процесса для описания потока исполнения задач на языках UML и BPEL с целью динамической реконфигурации исполнения МИС.

Практическая ценность. Разработанная модель может применяться для построения МИС и систем ведения ЭМК в масштабах региона на основе 4 открытого формата Open UMS. При выполнении исследовательской части работы были получены следующие практические результаты, выносимые на защиту:

• разработанные шаблоны медицинских документов, представленных в форматах Office Open XML, в которых содержатся элементы ввода данных, для внесения или обновления информации о пациенте в системе;

• структурная схема конфигурации МИС для ведения ЭМК в рамках ЕИП;

• модель амбулаторного обслуживания пациента в среде Eclipse BPEL для управления медицинским электронным документооборотом;

• веб-модуль и способ поддержки удаленных консультаций в отложенном режиме с использованием технологии Silverlight и трехзвенной архитектуры.

Практическое применение. Разработаны шаблоны медицинских документов, таких как, медицинская карта амбулаторного больного (форма № 025/у-87), талон амбулаторного пациента (форма № 025−6/у-89), направление на госпитализацию, восстановительное лечение, обследование, консультацию (форма № 057/у-04), карта контроля артериального давления (форма № 140/у), карта больного с имплантированным электрокардиостимулятором (форма №.

073/у), рецептурный бланк (форма № 148−1/у-88) и т. д. Разработана конфигурация МИС для ведения ЭМК в рамках ЕИП, BPEL-модель бизнес-процесса амбулаторного обслуживания пациента, а также веб-модуль «DICOMAX Графический редактор медицинских изображений» в составе разработанной конфигурации в МЛПМУ «Больница № 2» и МЛПУ «Поликлиника № 2» города Томска.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации были представлены в следующих докладах:

1. «Разработка ActiveX компонентов для организации удаленной работы с использованием клиент-серверной технологии и цифровых протоколов обмена данными», A.A. Пономарев, Tan Ван Фам, конференция «Современные техника и технологии», 27 марта 2007 г.

2. «Стандартизация представления электронных медицинских документов», A.A. Пономарев, Tan Ван Фам, конференция «Молодежь и современные информационные технологии», 25 февраля 2009 г.

3. «HL7/CDA инфраструктура для проектирования и предоставления телемедицинских услуг и документов медицинского назначения при организации ЕИП», A.A. Пономарев, Tan Ван Фам, конференция «Современные техника и технологии», 6 мая 2009 г.

4. «Технологии Microsoft для решения задач интеграции данных здравоохранения», A.A. Пономарев, Tan Ван Фам, конференция «Молодежь и современные информационные технологии», 03 марта 2010 г.

5. «Разработка модуля — Редактор изображений, для задач АРМ врача инструментальной диагностики с использованием Microsoft Silverlight», A.A. Пономарев, Tan Ван Фам, конференция «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», 23 марта 2010 г.

6. «Решение задачи выписки направлений пациентам с использованием веб-сервисов, стандарта HL7 при поддержке Microsoft BizTalk сервера», A.A.

Пономарев, Tan Ван Фам, конференция «Современные техника и технологии», 14 апреля 2010 г.

7. «Использование Silverlight для решения задачи обработки медицинских изображений в лечебно-диагностическом процессе», A.A. Пономарев, Tan Ван Фам, IV научно-практическая конференция иностранных студентов, магистрантов и аспирантов, обучающихся в НИ ТПУ, 15 апреля 2010 г.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

• обзор существующих программных продуктов для ведения ЭМК в различных масштабах, на основе которого выделена их сравнительная характеристика;

• обзор международных и российских форматов представления и хранения медицинских данных, на основе которого выделены критерии их оценки;

• использование формата Open UMS для организации хранения медицинских данных в динамической исполняемой среде;

• способ представления ЭМК пациента в формате Open UMS на основе шаблонов медицинских документов, предназначенных для внесения информации о пациенте в систему, в форматах Office Open XML с применением ЭЦП;

• алгоритмическое обеспечение для задач динамической настройки конфигурации МИС. Разработка структурной схемы конфигурации МИС для ведения ЭМК в рамках ЕИП;

• алгоритм формирования лечебно-диагностического процесса для описания потока исполнения задач на языках UML и BPEL с целью динамической реконфигурации исполнения МИС. Разработка модели амбулаторного обслуживания пациента в среде Eclipse BPEL для управления медицинским электронным документооборотом;

• подход к проведению удаленных консультаций с использованием ЗПуегНд^ и трехзвенной архитектуры. Разработка веб-модуля для удаленных консультаций в отложенном режиме.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 тезисов докладов и 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендуемых для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук.

Зарегистрированы следующие программные приложения в государственном информационном фонде неопубликованных документов:

• «Редактор ОГСОМ изображений» № 50 201 000 076;

• «МесНсаГОос Редактор клинических документов» № 50 201 000 921;

• «ЭГСОМАХ Графический редактор медицинских изображений» № 50 201 000 922.

Работа также была отмечена следующими наградами: диплом I степени на IV научно-практической конференции иностранных студентов, магистрантов и аспирантов, обучающихся в ТПУ «Коммуникация в учебно-профессиональной и научной сферах», 12−16 апреля 2010 года, г. Томскдиплом I степени и диплом участника за лучшую презентацию на III Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», 19 — 21 мая 2010 года, г. Томск.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения, списка использованных источников, списка сокращений, списка иллюстраций и списка таблиц. В конце каждой главы сформулированы основные выводы и перечислены полученные результаты. Объем работы — 186 страниц машинописного текста, содержит 13 таблиц, 50 рисунок, библиографический список включает в себя 79 наименований.

Состав диссертационной работы. Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее практическое значение, сформулирована цель и определены задачи исследования, а также выделены основные положения, выдвигаемые на защиту.

Первая глава диссертационной работы содержит анализ проблем в построении МИС и систем ведения ЭМК в рамках ЕИП.

В данной главе рассмотрено текущее положение в сфере здравоохранения и обосновано применение МИС. Отмечена необходимость создания электронных документов и их формирования в ЕИП.

В последнее время, во многих экономически-развитых странах, большинство медицинских учреждений уже отказалось от бумажного документооборота, в это же время началось проектирование различных МИС, значительно облегчающих обслуживание пациентов и упорядочивающих бизнес-процессы. Со временем встал вопрос об интеграции накопленных данных, поэтому начались исследования в этой области и разработка стандартов для хранения и обмена данными.

Рассмотрены отечественные и международные стандарты, регламентирующие ведение ЭМК пациента, в состав которых входят структурированные и/или неструктурированные элементы. В настоящее время существует несколько популярных стандартов управления, хранения и обмена данными. К наиболее известным можно отнести HL7 CDA и openEHR. Первый главным образом направлен на обмен данными, тогда как openEHR сконцентрирован на информационной модели. В первой главе проанализированы недостатки концепции HL7 CDA и обосновано неуместное использование набора архетипов, использующих в концепции openEHR для задач российского здравоохранения. Рассмотрены вопросы адаптации HL7 CDA с учетом спецификаций медицинских документов, используемых в российских информационных системах. Ключевым элементом в документах, сформированных на основе предложенного формата, являются разработанные шаблоны, которые рекомендованы к использованию в условиях российского здравоохранения.

В данной главе также рассмотрены технологии, используемые для обеспечения работы с медицинскими документами. Технология XML способна работать со структурированными данными и позволяет описать сложные форматы медицинских данных произвольной структуры. При этом структурные теги документа, имеющего форматы Office Open XML, позволяют использовать источники данных в данном формате. BPEL — универсальный язык для описания алгоритма выполнения бизнес-процессов. Язык часто рассматривается как ключевая составляющая сервис-ориентированной архитектуры приложений. BPEL позволяет эффективно управлять вызовами веб-сервисов.

Во второй главе рассмотрены методы организации ЕРШ в здравоохранении и их классификация. Было отмечено, что увеличение темпов научно-технического развития, возрастание сложности и объема взаимоотношений «врач-пациент» медицинских учреждений приводит к информационной перегрузке, невозможности эффективно обрабатывать и учитывать все накопленные данные. Необходимо создание информационной инфраструктуры в этой сфере деятельности на базе парадигмы ЕИП, предусматривающей интеграцию разнородной клинической, научно-технической, финансовой, маркетинговой и других видов информации в рамках единой системы.

Рассмотрены основные типы медицинских данных, выделены требования к каждому типу, представлены методологии интеграции данных и модель распространения информации между системами/узлами. На сегодняшний день существуют два противоположных направлений в решении задачи интеграции данных в ЕИП: модели централизованного и распределенного хранения данных.

Третья глава посвящена алгоритмическому обеспечению для динамической настройки конфигурации МИС, решению медицинских задач по разработке ЭМК пациента на основе предложенного подхода, автоматизации и управлению документооборотом здравоохранения на основе BPEL модели, а также разработке веб-модуля, предназначенного для проведения удаленных консультаций специалистов в рамках ЕИП.

В четвертой главе рассмотрено практическое применение разработанной модели, методов и программных средств, а также сформулированы преимущества их использования для решения задач здравоохранения.

В заключении приведены основные научные и практические результаты, достигнутые в ходе диссертационного исследования и решения поставленных задач.

4.5 Выводы к главе 4.

В результате рассмотрения вопросов использования разработанной модели в медицинском учреждении получены следующие результаты:

1) ЭМК является важным элементом в любой МИС, что без нее смысл управления электронным документооборотом теряется. При построении ЭМК необходимо предусмотреть общие принципы формирования электронных документов.

2) С использованием разработанной модели действительно можно решить широкий спектр задач на рынке медицинских услуг. В работе рассмотрена модель обслуживания пациента, определены основные задачи, входящие в этой модели. Ключевым решением рассмотренной модели является использование современного инструмента ВРЕЬ. Он обеспечивает реализацию всего жизненного цикла процесса обслуживания пациента, включая моделирование, внедрение и исполнение бизнес-процессов.

3) Внедрение разработанной модели в практику проведено по основной схеме, применяемой для МИС «Аврора».

4) Произведены испытания созданной модели на практике, что напрямую отражает положительный результат работы в рамках решения задач здравоохранения. Протокол тестирования построенной системы был утвержден как часть комплексной МИС «Аврора», которая в текущее время внедряется в рамках МЛПМУ «Больница № 2» и МЛПУ «Поликлиника № 2» в городе Томске.

5) Предложена модель интегральных показателей здоровья населения, а также приведены таблицы распределения населения по группам здоровья в зависимости от возраста. При помощи математического аппарата теории вероятности и статистических наблюдений произведена оценка качества оказания медицинской помощи при использовании разработанной модели на практике.

Заключение

.

Значение информационных технологий в современном мире трудно переоценить. Бесспорно, велика их роль и в сфере здравоохранения в целом, и в деятельности каждого ЛПУ. Однако, признавая этот очевидный факт, в общем, большинство специалистов, занимающихся разработкой программных приложений в этой сфере, столкнуло немало проблем. Данное обстоятельство обусловлено сложностью в организации медицинских данных, несущихся структурированными и/или неструктурированными типами, включая сбора, структурирования, документирования и обмена ними между системами. Разработка ЭМК пациента и программного продукта для проведения удаленных консультаций специалистов в отложенном режиме в рамках ЕРШ является целью выполнения диссертационной работы.

На основании выполненной работы получены следующие основные теоретические и практические результаты:

1) Обзор и общий анализ текущего положения в применении информационных технологий для построения МИС и систем ведения ЭМК в сфере здравоохранения. Рассмотрены методы и технологии, позволяющие организовать сбор, хранение, документирование и обмен данными. Выделена сравнительная характеристика существующих программных продуктов для организации медицинского электронного документооборота, а также выделена сравнительная характеристика форматов представления и хранения медицинских данных.

2) Проанализированы недостатки существующих подходов для создания ЭМК пациента. Обосновано применение формата Open UMS, который может использоваться в российском здравоохранении для задач ведения ЭМК.

3) Предложен новый способ внесения или обновления информации о пациенте в ЭИБ в формате Open UMS с использованием шаблонов медицинских документов, представленных в форматах Office Open XML при поддержке ЭЦП. Разработаны шаблоны медицинских документов в форматах Office Open XML, в которых содержатся элементы ввода данных.

4) Построен алгоритм для задач динамической настройки конфигурации МИС. Разработана структурная схема конфигурации МИС для ведения ЭМК в рамках ЕИП.

5) Построен алгоритм формирования лечебно-диагностического процесса для описания потока исполнения задач на языках UML и BPEL с целью динамической реконфигурации исполнения МИС. Разработана модель амбулаторного обслуживания пациента в среде Eclipse BPEL для управления медицинским электронным документооборотом с использованием веб-сервисов и разработанных медицинских шаблонов.

6) Реализован веб-модуль «DICOMAX Графический редактор медицинских изображений» с использованием технологии Silverlight и трехзвенной архитектуры для решения задач проведения удаленных консультаций специалистов.

Материалы диссертационной работы использованы в рамках проектов, разработанных в компании UMSson, которая занимается разработкой программных продуктов, предназначенных для решения задач здравоохранения. В текущее время МИС «Аврора» внедряется в рамках МЛПМУ «Больница № 2» и МЛПУ «Поликлиника № 2» в городе Томске. Одним из частей данного проекта являются следующие программные модули: «Редактор DICOM изображений», «MedicalDoc Редактор клинических документов» и «DICOMAX Графический редактор медицинских изображений». Полученный программный код перечисленных модулей зарегистрирован в государственном информационном фонде неопубликованных документов (Приложение 2).

С технической точки зрения, предложенный подход реализации обработки информационной модели, может эффективно использоваться не только в сфере здравоохранения, но и во многих других областях человеческой деятельности. Это обусловливается как низкой стоимостью внедрения ПО с использованием рассмотренных технологий, так и возможностью описывать сложные структуры распределенных данных. В целом, создание современных МИС и интеграция разнообразных медицинских ресурсов в рамках ЕИП с использованием технологий Microsoft, а также иметь техническую возможность проведения удаленных медицинских консультаций позволит существенно упростить внедрение и удешевить эксплуатацию подобных систем.