Инженерный путь развития цифровой smart-медицины

к. Е. Воробьев







ИНЖЕНЕРНЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ЦИФРОВОЙ SMART-МЕДИЦИНЫ
Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 612.08
ББК 51.12
     В75

Рецензенты:
доктор медицинских наук, профессор, генеральный директор МЦ «Medcenter.KG» (г. Бишкек, Кыргызстан) Т. Т. Касымбеков;
доктор медицинских наук, профессор, директор «Medical Diagnostic Center» (г. Фергана, Узбекистан) Ф. Ю. Юлдашев





     Воробьев, А. Е.
В75 Инженерный путь развития цифровой smart-медицины : монография / А. Е. Воробьев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 200 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1355-8

           Представлены интеллектуальные медицинские устройства. Рассматриваются инновационные технологические достижения в умной медицине. Показано практическое применение умного здравоохранения.
           Для специалистов в области медицины и здравоохранения. Может быть полезно студентам медицинских колледжей и вузов.

УДК 612.08
ББК 51.12















ISBN 978-5-9729-1355-8

             © Воробьев А. Е., 2023
             © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ...........................................................6

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОЯВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО «УМНОГО» ЗДРАВООХРАНЕНИЯ...................................................10
  Методология проведенных исследований............................10
  Что является «умными» медицинскими устройствами?................13
  Объем мирового рынка интеллектуальных медицинских устройств.....14
  Причины развития «smart-медицины»...............................16
  Концепция «умного» здравоохранения..............................33
  Ключевые технологии «умного» здравоохранения....................35
  Перспективные направления цифровизации современной медицины.....36
  Сценарии возможного использования «умных» медицинских технологий и устройств.....................................................39

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ «УМНОГО» ЗДРАВООХРАНЕНИЯ..................40
  Технология удаленного мониторинга пациента......................40
  Цифровая профилактика здоровья пациентов........................42
  Телемедицина....................................................42
  Виртуальная и дополненная реальность в здравоохранении..........44
  3О-печать.......................................................49
  Медицинский «умный» дом.........................................51
  Практическое применение «умного» здравоохранения................52

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ «УМНЫЕ» УСТРОЙСТВА......................57
  Классификация медицинских устройств.............................57
  «Умная» медицинская одежда......................................59
  «Умные» зубные щетки............................................63
  «Умные» зеркала.................................................64
  Носимые фитнес-трекеры..........................................68
  «Умные» кольца..................................................69

3

  Смарт-часы.......................................................71
  «Умный» диспенсер................................................71
  «Умный» термометр................................................73
  «Умные» ингаляторы...............................................74
  Инсулиновая помпа с искусственным интеллектом....................75
  Новые функции «умных» пластырей..................................76
  «Умные» электронные повязки......................................85
  Электронная кожа.................................................86
  «Умные» очки.....................................................90
  «Умные» контактные линзы.........................................96
  «Умная» сетчатка глаза...........................................99
  «Умные» медицинские кровати.....................................100
  «Умные» лекарства...............................................104

«УМНЫЕ» НАНОЧАСТИЦЫ И НАНОУСТРОЙСТВА..............................106
  «Умные» тату....................................................106
  Подкожные микрочипы.............................................108
  Растворимые наночастицы и наноустройства........................108
  Разработкалекарств, контролируемых светом.......................110
  Нанолазерные технологии в стоматологии..........................110
  Наночастицы для доставки в организм пациента лекарств...........111
  «Умные» наночастицы для растворения тромбов.....................115
  Наночастицы с кровеостанавливающими функциями...................118
  «Умные» наночастицы в диагностике и лечении онкологии...........118
  Биорезорбируемый электронный стент с наночастицами..............127
  «Умные» наночастицы в борьбе с вирусами.........................127

«УМНЫЕ» МЕДИЦИНСКИЕ НАНОРОБОТЫ....................................130
  Общие принципы наноробототехники................................130
  Современный инструментарий нанороботов..........................130
  «Умные» наноустройства для лечения гастрита.....................131
  Медицинские нанороботы-«оригами»................................132
  НанотехнологияДНК-машин.........................................137

4

ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА...................................159

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В ЗДРАВООХРАНЕНИИ......................161
  Интегрированные медицинские платформы........................161
  Технология больших данных в здравоохранении..................164
  Возможности искусственного интеллекта........................166
  Архитектура программного обеспечения 1оТ для интеллектуальных медицинских устройств........................................168

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ «УМНЫХ» БОЛЬНИЦ.............................174
  Концепция «умной» больницы...................................174
  Тенденции развития «умных» больниц...........................177
  Компоненты «умной» системы управления больницей..............181
  Навигация в «умных» больницах................................184
  Мониторинг пациентов в «умных» больницах.....................184
  Технология «умной» больницы для диагностики заболеваний......185
  «Умные» системы управления больницами........................185
  Реализованные проекты «умных» больниц........................186

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................188

ЛИТЕРАТУРА.....................................................190

           Наномедицина - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованиемразработанных наночастиц и наноустройств.
Роберт Фрейтас



            ВВЕДЕНИЕ


    Качество медицинских услуг в настоящее время является довольно важной не только медицинской, но и социальной проблемой [33]. Его постоянное совершенствование неизбежно требует массового вовлечения и сотрудничества широкого круга специалистов из различных сфер человеческого общества. При этом существующая проблема повышения качества современного здравоохранения неуклонно и довольно серьезно осложняется весьма быстрым ростом населения мира, особенно темпами роста пожилых людей (65 лет и старше). Так, по полученным данным Всемирной организации здравоохранения, к 2050 г. число пожилых людей увеличится примерно до 1,5 млрд человек. Необходимо отметить, что такое старение населения означает одновременный рост различных сложных хронических заболеваний, требующих весьма частых посещений медицинских работников, а также повышенную потребность в госпитализации, что приводит к повышению нагрузки на медицинские учреждения.
    Необходимо отметить, что традиционная модель здравоохранения следовала классическому подходу, ориентированному, прежде всего, на заболевание, при котором основное внимание уделялось диагностике по проявляющимся симптомам. Затем эти симптомы и заболевание лечили в соответствии с предписанным протоколом.
    Проблема здесь заключалась в том, что у пациента в анамнезе могли быть и другие заболевания, проявляющие несколько сходные симптомы. Поэтому игнорирование прошлых записей иногда может привести к нежелательному результату. При подходе, ориентированном на пациента, основное внимание уделяется существующей истории болезни, потребностям и убеждениям пациента в прошлом. При принятии всех медицинских решений обязательно учитываются мнение и предпочтения пациента.
    Происходящая в настоящее время четвертая промышленная революция постоянно увеличивает скорость своего развития, и интеллектуальные медицинские устройства находятся в авангарде этого процесса. Взаимосвязанные и во многом интегрированные с другими смарт-устройствами текущие технологические достижения в «умной» медицине означают, что наступает время кардинальных изменений в здравоохранении - в диагностике, лечении и профилактике болезней.
    Deloitte определила 12 инновационных технологий, которые делают медицинскую помощь менее дорогой и гораздо более доступной для нуждаю

6

щихся пациентов. Эти технологии включают в себя нанотехнологии [7, 13, 18, 20, 22, 25, 28, 29, 30], геномику, блокчейн, дополненную реальность, аддитивное производство, робототехнику и когнитивные вычисления.
    В первую очередь, это технологии, представляющие:
    Электронное здравоохранение: использование инфраструктуры ИКТ для лечения пациентов, исследований и мониторинга заболеваний и общественного здравоохранения.
    Мобильное здравоохранение: общественное здравоохранение, поддерживаемое цифровыми мобильными устройствами.
    Интеллектуальную сеть здравоохранения: сеть, которая обеспечивает выделенное соединение для здравоохранения с использованием таких технологий, как Wi-Fi или Pol.
    Интеллектуальное облако здравоохранения: систему, отвечающую за координацию государственных и больничных медицинских услуг, способную соединять пациентов и врачей для передачи данных и информации.
    «Умное» сотрудничество с клиникой: процесс взаимодействия, облегчающий диагностику тяжелобольного пациента.
    В настоящее время в «умной» медицине приоритетными являются следующие технологии [106]:
      • Доставка лекарств в систему организма на клеточном уровне.
      • Роботохирургия с микроскопическими разрезами тканей организма, позволяющая уменьшить воздействие и значительно ускорить период заживления постоперационных швов.
      • Диагностика и лечение онкологических заболеваний.
      • Безопасное распространение в организме компонентов вакцины.
    Осуществленными исследованиями было установлено, что в 12 % случаев излечению мешают такие причины, как место жительства (например, весьма актуально для пациентов с бронхиальной астмой) или генетика пациента. Кроме того, на лечение больных также влияет общая квалификация врачей и их узконаправленная специализация. Так, к настоящему времени известно около 10 000 болезней человека, но без подготовки, сразу, лечащие врачи могут вспомнить только лишь небольшую часть из них. В результате, согласно исследованиям университета Джона Хопкинса, проведенным в 2012 г., из-за поставленного ошибочного диагноза в отделениях интенсивной терапии в США ежегодно умирает свыше 40 тыс. пациентов [149].
    Однако применение правильных технологий - это только часть решения. Кроме того, в настоящее время необходимо пересмотреть многие аспекты существующей системы здравоохранения, её правовую основу, правила и механизмы возмещения, чтобы извлечь максимальную пользу из значительного прогресса в технологиях, позволяющих по-настоящему персонализировать медицину и профилактику.
    Так, на протяжении многих веков доминирующей медицинской парадигмой было то, что пациенты не знают и даже не могут знать, как их нужно лечить. Тем не менее в настоящее время было установлено, что пациенты при

7

носят реальную пользу своим собственным случаям, тем самым нарушая тенденцию, которая управляет традиционной культурой медицины.
    Поэтому сегодня, когда многие люди первоначально гуглят симптомы своего недомогания и используют цифровые медицинские технологии (рис. 1) ещё до того, как пойти к врачу, как никогда медицине важно быть в курсе всех цифровых разработок в области здравоохранения и ориентироваться в вопросах, связанных с цифровым здоровьем. Так, информация о здоровье является третьим по частоте поисковым запросом в Интернете. В результате 89 % граждан США обращаются к Google перед походом к своему врачу, а сам Google в 1 минуту получает более 70 тыс. запросов, связанных со здоровьем людей.


Рис. 1. Использование пациентами цифровых технологий

    С развитием различных инновационных технологий и базовой научной теории традиционная медицина (основным ядром которой в настоящее время является биотехнология) начинает постепенно оцифровываться и информатизироваться, что помогает лечащим медикам избежать этих врачебных ошибок. Кроме того, компании, занимающиеся генетическим тестированием, уже предлагают несколько решений для секвенирования генов, чтобы узнать больше о здоровье человека, к каким заболеваниям он предрасположен и какие возможные черты и состояния скрываются в его генах. Также важна и способность геномики целенаправленно разрабатывать персонализированные лекарства для отдельных людей.
    В результате реализации всех этих процессов и появилось интеллектуальное здравоохранение, включающее информационные технологии нового поколения. При этом «умное» здравоохранение - это не просто некая совокупность технического прогресса в области медицины, а её всестороннее и многоуровневое принципиальное изменение.


8

    Это изменение выражается в том, что происходят изменения [148]:
       • в медицинской модели (тенденция от лечения, ориентированного на заболевание, к лечению, ориентированному на пациента);
       • в конструкции информатизации (от клинической информатизации к региональной медицинской информатизации);
       • в медицинском управлении (от общего управления к персонализированному управлению);
       • в концепции профилактики и лечения заболеваний (от сосредоточения внимания на лечении заболеваний до сосредоточения внимания на профилактическом здравоохранении).
    Все эти важные изменения, происходящие в медицине, как правило, направлены на удовлетворение индивидуальных потребностей людей при одновременном повышении эффективности медицинского обслуживания, что значительно расширяет опыт медицинского обслуживания и здравоохранения и представляет собой будущее направление развития современной медицины.
    Таким образом, электронная smart-медицина развивалась поступательно, одновременно с развитием всего человеческого социума. Однако, в связи с глобальной пандемией COVID-19, вызвавшей всплеск цифровых инноваций во всех областях человеческого социума (от работы и сотрудничества до распределения и предоставления услуг), электронное здравоохранение и цифровизация современной медицины стали играть решающую роль в развитии дальнейшего управления состояния здоровья людей.

            ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОЯВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО «УМНОГО» ЗДРАВООХРАНЕНИЯ

            Методология проведенных исследований


    Слово «исследование» произошло от французского слова «recherche», что означает путешествие или обследование. Исследование можно определить, как:
      • сбор, анализ и интерпретацию данных для поиска решения имеющейся проблемы;
      • тщательное, систематическое, терпеливое изучение в какой-либо области знаний, проводимое с целью обнаружения или установления фактов или принципов;
      • процесс изучения предмета с разных точек зрения;
      • исчерпывающий поиск.
    Методологическую основу работы составляют:
      1. Философский метод, на котором базируются полученные аналитические выводы и теории о развитии технологий «smart-медицины».
      2. Общенаучный метод, на базе которого осуществлялся анализ мировой практики и опыта перехода на «smart-медицину».
      3. Классификационно-сравнительный метод, позволяющий с научной точки зрения рассмотреть наиболее перспективные направления « smart-медицины».
    Классический научный метод представляет собой систематический сбор данных (фактов) и их теоретическую обработку посредством надлежащего наблюдения, экспериментирования и интерпретации. Научный метод пытается объяснить систематическую взаимосвязь фактов с помощью осуществляемых экспериментов, наблюдений и логических аргументов, полученных из принятых постулатов и их комбинаций.
    Количественные исследования основываются на использовании статистического, формульного или числового анализа для получения численных результатов.
    Также были использованы различные многочисленные библиометриче-ские методы поиска [168], служащие для научного анализа отобранной профильной информации, опубликованной в области интеллектуальных устройств и оборудования в сфере здравоохранения. В общем случае библиометрия относится к количественному анализу и управлению литературной информацией математическими и статистическими методами, а затем исследует её структуру, характеристики и законы.
    Чтобы понять результаты исследований в области интеллектуальных устройств и оборудования в сфере здравоохранения на основе 1оТ для стати


10

стического анализа количества научной литературы за период с 2003 по 2019 гг., использовался аналитический метод, и была получена тенденция динамики публикации ежегодных статей (рис. 2) на эту тему и динамика участия в написании статей различных авторов (рис. 3).


Рис. 2. Годовое количество опубликованных статей

Рис. 3. Годовое количество авторов

    В нашем исследовании был использован метод адаптивного совместного анализа (АСА), состоящий из нескольких этапов: первые два являются композиционными, третий - декомпозиционным, а четвертый - калибровочным. Так, на первом этапе каждый уровень «умного» устройства или оборудования оценивается от желательного до нежелательного. На втором этапе важность

11

этих рейтингов измеряется путем оценки важности разницы между наиболее желаемым уровнем и наименее желаемым уровнем. На этом этапе создается перечень из наиболее часто используемой «умной» медицинской техники. На третьем этапе аналогичные «умные» медицинские продукты сравниваются между собой по 9-балльной оценочной шкале. На последнем этапе полностью описанные «умные» медицинские продукты оцениваются от 0 до 100 для расчета их прогностической ценности.
    Кроме того, в нашем исследовании мы опирались на существующую и дополненную методологию обнаружения реальных или возможных объективных закономерностей, тенденций и ассоциаций [19, 20], в развитии и совершенствовании медицинской техники и оборудования.
    Этапы планирования и проведения исследований представлены на рис. 4.


Мониторинг и проведение исследований

Определение и уточнение переменных исследования/ плана анализа

Разработка инструментов и определение методов сбора данных

Соответствие дизайна исследования целям исследования

Обдумывание формулировки темы; исследовательский вопрос / цель(и)

Написание отчета об исследовании

Подготовка данных для анализа

Рис. 4. Этапы исследования

    Еще один метод исследования был реализован в виде онлайн-опроса населения (со средним временем завершения 15 минут). Опрос начинался с краткой мотивации использования «умного» медицинского оборудования и техники. При этом было выбрано 5 факторов, оказывающих наибольшее влияние на дальнейшие решения по оценке «умных» медицинских устройств: носи-мость, удобство, функциональность (польза), достоверность и цена.


12

            Что является «умными» медицинскими устройствами?



    В настоящее время существующая медицинская техника и оборудование довольно интенсивно развивается [33]. Так, за 2 предыдущих столетия произошло их значительное качественное усовершенствование, начиная еще с изобретения доктором Лаэннеком в 1816 г. стетоскопа, первого рентгеновского изображения (В. Рентген в 1895 г.) или появления тонометра «Современный», разработанного в 1905 г. Н. Коротковым, до многочисленных современных «умных» инновационных устройств.
    Что в настоящее время подразумевают под «умными» медицинскими устройствами? В широком смысле этот термин относится ко всем медицинским устройствам, которые, благодаря имеющимся достижениям в области миниатюризации и беспроводной связи, стали портативными или носимыми и обеспечивают существенное увеличение производительности (рис. 5).


Рис. 5. Факторы, обеспечивающие рост производительности «умных» медицинских устройств

    «Умным» медицинским изделием является любой инструмент, прибор, оборудование, программное обеспечение, материал или другой предмет, используемый отдельно или в комбинации, включая программное обеспечение, предназначенное для использования изготовителем специально для диагностических и/или терапевтических целей и необходимое для надлежащего ис

13