Сервис-ориентированная информационная система для сотрудничества исследователей в области электрогастроэнтерографии: представление данных

Размещено на http://allbest.ru

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

Сервис-ориентированная информационная система для сотрудничества исследователей в области электрогастроэнтерографии: представление данных

Попов А.И., Рудалёв А.В., Тюльпин А.А.

Россия, Архангельск

Введение

Электрогастроэнтерография (ЭГЭГ) является одним из электрофизиологических методов обследования моторики желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Суть ЭГЭГ заключается в регистрации биопотенциалов с поверхности тела и анализе полученных сигналов. Метод является неинвазивным, т.е. не требующим вмешательства в организм пациента [1,2,3]. Возможности ЭГЭГ еще недостаточно изучены, но некоторые её применения представляются перспективными. Например, ЭГЭГ необходима в тех случаях, когда сложные диагностические комплексы применять затруднительно (после хирургического вмешательства), либо принципиально невозможно (на удаленных территориях, в сельской местности). Кроме того, важным достоинством ЭГЭГ является возможность получения количественных оценок состояния органов, что означает объективизацию обследований.

Принципиальная возможность регистрации электрических волн, сопровождающих сокращения гладкомышечной ткани, была открыта еще в начале XX века. Однако при помощи аналоговой аппаратуры, использовавшейся долгое время как в отечественной, так и в зарубежной практике, затруднительно было осуществлять качественную селекцию низкочастотных сигналов ЭГЭГ. В последние годы всплеск в развитии ЭГЭГ во многом обеспечен методами цифровой обработки сигналов на ЭВМ. Лабораторные исследования проводятся в разных странах [2,3,4]. Разработаны различные способы регистрации и алгоритмы обработки сигналов, выделены количественные показатели состояния органов, созданы типовые аппаратно-программные решения для измерений и анализа сигналов, собраны некоторые объемы данных, принимаются попытки автоматизации диагностики заболеваний [4].

Однако выполняемые исследования разрознены, а их результаты плохо верифицируемы. Отсутствует четкое представление о сфере эффективного применения ЭГЭГ. Для формирования доверия к ЭГЭГ со стороны практикующих медиков и создания надежных автоматизированных методов выявления при ее помощи конкретных заболеваний необходимо обеспечить возможность проведения серьезного статистического анализа способов диагностики, предлагаемых разными исследователями. При этом важно обеспечить совместный доступ к большим объемам измерительной информации.

Изложение основного материала

Переход к качественно новому этапу в изучении ЭГЭГ может быть обеспечен созданием в интернет-пространстве открытой платформы для накопления и совместного использования опыта исследователей, разделенных территориально.

Такой опыт существует в форме разнотипных данных (цифровые сигналы, параметры терапевтического или хирургического воздействия, диагнозы и др.) и методах их обработки, по-разному комбинируемых в рамках обследований [5].

1. Подсистема хранения данных. Анализ ряда идейно близких проектов в медицинских (ECG Library, The Telemetric and Holter ECG Warehouse, PhysioNet) [6,7] и других предметных областях (Rapid Earthquake Viewer, Southern California Earthquake Data Center, Incorporated Research Institutions for Seismology) [8] позволяет сделать вывод о преимуществах построения интернет-платформы в рамках сервис-ориентированной архитектуры (SOA). Информационная система с такой архитектурой представляет собой набор дискретных единиц логики (сервисов) в вычислительной среде, оснащенных стандартизированными интерфейсами для их взаимодействия. В рамках SOA наработано множество технологий, стандартов и зарекомендовавших себя подходов [9]. Применение SOA позволит постепенно расширять платформу от простого хранилища записей ЭГЭГ до распределенной облачной системы обработки данных. электрофизиологический биопотенциал моторика

Модель взаимодействия подсистемы хранения с различными сервисами представлена на рис.1. Доступ к записям обследований осуществляется через единый интерфейс программирования (API), что позволяет обращаться к ним как через веб-интерфейс, так и из различных программных инструментов: медицинских информационных систем (МИС), специализированного программного обеспечения, универсальных GRID.

С учетом исследовательского характера платформы, записи ЭГЭГ должны быть доступны не только в медицинских (например, HL7), но и в популярных научных форматах (HDF5, FITS и др.), что позволит использовать математические пакеты для создания и отладки новых вычислительных процедур обработки измерительных сигналов.

Рис. 1. Подсистема хранения данных

2. Концептуальная модель данных. На рис.2 показано, как базовые понятия предметной области: «сигнал» (Signal), «измерение» (Measurement), и «обследование» (Examination) - объединяются в иерархической конструкции, которая может быть положена в основу системы хранения данных.

Под сигналом здесь понимается последовательность отсчетов. Описание (Description) сигнала включает такие данные, как шаг или частота дискретизации, разрядность аналого-цифрового преобразователя, коэффициент усиления и т.п.

Другими словами, к описанию сигнала относится все, что позволяет безошибочно сформировать шкалы на осях при графическом отображении сигнала и результатов его преобразований.

К параметрам (Parameters) относятся величины, вычисляемые в результате анализа сигнала с использованием данных из описания, например, доминантная частота, количество всплесков, средняя скорость затухания огибающей всплеска.

Рис. 2. Концептуальная модель данных: a) сигнал; b) измерение; c) обследование

Один или несколько сигналов составляют измерение (измерительный сеанс), которое также характеризуется описанием (время начала сеанса, наименование используемого оборудования и др.) и параметрами (отношение мощности сигналов, соответствующих соседним отделам ЖКТ, вклад мощности желудка в мощность суммарного сигнала ЖКТ и др).

Несколько последовательных измерений совместно с другими данными (another data) образуют обследование, выполняемое в соответствии с некоторым протоколом. Примером «других данных» может быть описание характера внешнего воздействия, реакция на которое часто является предметом исследования в ЭГЭГ. Описание обследования включает данные, идентифицирующие пациента, цель обследования, номер протокола обследования и др. Параметрами обследования могут быть данные о динамике показателей функционирования органов.

Важно отметить, что параметры на любом из трех уровней могут использоваться и как диагностические, и как параметры поиска данных.

Рис. 3. Сигналы, полученные в ходе исследования реакции желудка на принятие пищи: a, b) исходный сигнал до и после еды; c, d) гастрограмма до и после еды

На рис. 3 показаны графики сигналов, полученных при стандартном исследовании реакции желудка пациента группы «норма» на принятие пищи. Измерения проводились при помощи специализированного прибора "Гастроскан-ГЭМ". Обследование состоит из двух последовательных измерительных сеансов, проводимых натощак и сразу после еды. Из исходного сигнала путем цифровой фильтрации с полосой пропускания 0.03 Гц - 0.07 Гц выделен сигнал, содержащий информацию о сокращениях желудка (гастрограмма).

3. Представление данных ЭГЭГ в формате HDF5. Построенная концептуальная модель данных ЭГЭГ хорошо согласуется с рядом исследовательских иерархических форматов, что открывает широкие возможности для применения открытых стандартов, библиотек и программных инструментов. Примером такого формата является Hierarchicall Data Fotmat версии 5 (HDF5), разработанный HDF Group [10]. Он позволяет хранить любые типы данных и метаданных в качестве именованных атрибутов объекта, не накладывая ограничений ни на размер данных, ни на количество объектов в файле. Иерархия в HDF5 строится с помощью объектов двух основных типов: наборы данных (datasets) и группы (groups). Группы включают в себя как наборы данных, так и вложенные группы. К другим типам относятся таблица (table) и ссылка на объект (link).

Рис. 4. Данные обследования моторики желудка в формате HDF5

Обследование моторики желудка, описанное в предыдущем разделе, может быть представлено в HDF5 следующей иерархией объектов (рис. 4). Обследование (Examination) является группой, внутри которой находятся группа fasting (измерение натощак), таблица food (описание воздействия) и группа post prandial (измерение после еды). В группах fasting и post prandial в виде таблиц хранятся исходный сигнал (signal) и гастрограмма (filteredsignal). Здесь могут присутствовать сигналы и другого рода, например, метки, обозначающие состояние пациента в тот или иной промежуток времени (labels). Описание и параметры объектов относятся к их метаданным. Кроме того, метаданные могут задавать тип объектов и порядок их следования.

Заключение

В данной работе история развития электрофизиологических методов обследования органов желудочно-кишечного тракта проанализирована с точки зрения технологий сбора и обработки данных.

Поставлена задача создания интернет-платформы для сотрудничества исследователей в области цифровой обработки данных электрогастроэнтерографии.

Предложена концептуальная модель данных, связывающая базовые понятия «обследование», «измерение» и «сигнал». Приведен пример описания конкретного обследования в формате HDF5.

Литература

1. Периферическая электрогастроэнтерография в клинической практике / Смирнова Г.О., Силуянов С.В., Под ред. Ступина В.А. - М.: ИД «МЕДПРАКТИКА-М», 2009. - 20 с.

2. Parkman HP, Hasler WL, Barnett JL, Eaker EY Electrogastrography: a document prepared by the gastric section of the American Motility Society Clinical GI Motility Testing Task Force // Neurogastroenterol. Motil. - 2005. - №15 (2). - P. 89-102.

3. Rossi Z., Forlini G., Fenderico P., Cipolla R., Nasoni S. Electrogastrography // European Review for Medical and Pharmacological Sciences. - 2005. - №9 (1). - P. 29-35.

4. Gopu G., Porkumaran K., Neelaveni R. Investigation of Digestive System Disorders with Cutaneous Electrogastrogram (EGG) Signal - An Engineering Approach // European Journal of Scientific Research. - 2011. - Vol. 53. №.2. - P. 210-221.

5. Попов, А.И., Рудалёв, А.В. О роли международного интернет-сотрудничества при переходе к новому этапу развития электрогастроэнтерографии // Региональная информатика - 2012: материалы XIII Санкт-Петербургской международной конференции.. - СПб.: СПОИСУ, 2012. - С. 291-292.

6. PhysioNet. URL: http://www.physionet.org/ (дата обращения: 10.12.2012).

7. Telemetric and ECG Holter Warehouse Project. URL: http://thew-project.org/ (дата обращения: 10.12.2012).

8. IRIS - Incorporated Research Institutions for Seismology. URL: http://www.iris.edu/ (дата обращения: 10.12.2012).

9. Сервис-ориентированная архитектура // Море (!) аналитической информации URL: http://citforum.ru/internet/webservice/soa/ (дата обращения: 10.12.2012).

10. HDF Group - HDF5. URL: http://www.hdfgroup.org/HDF5/ (дата обращения: 10.12.2012).

References

1. Perifericheskaja jelektrogastrojenterografija v klinicheskoj praktike / Smirnova G.O., Silujanov S.V., Pod red. Stupina V.A. - M.: ID «MEDPRAKTIKA-M», 2009. - 20 s.

2. Parkman HP, Hasler WL, Barnett JL, Eaker EY Electrogastrography: a document prepared by the gastric section of the American Motility Society Clinical GI Motility Testing Task Force // Neurogastroenterol. Motil. - 2005. - №15 (2). - P. 89-102.

3. Rossi Z., Forlini G., Fenderico P., Cipolla R., Nasoni S. Electrogastrography // European Review for Med. and Pharm. Sciences. - 2005. - №9 (1). - P. 29-35.

4. Gopu G., Porkumaran K., Neelaveni R. Investigation of Digestive Syst. Disorders with Cutaneous Electrogastrogram (EGG) Signal - An Engin. Approach // European Journal of Scientific Research. - 2011. - Vol. 53. №.2. - P. 210-221.

5. Popov A.I, Rudalev A.V. O roli mezhdunarodnogo internet-sotrudnichestva pri perehode k novomu jetapu razvitija jelektrogastrojenterografii // Regional'naja informatika - 2012: materialy XIII Sankt-Peterburgskoj mezhdunarodnoj konferencii.. - SPb.: SPOISU, 2012. - S. 291-292.

6. PhysioNet. URL: http://www.physionet.org/ (дата обращения: 10.12.2012).

7. Telemetric and ECG Holter Warehouse Project. URL: http://thew-project.org/ (дата обращения: 10.12.2012).

8. IRIS - Incorporated Research Institutions for Seismology. URL: http://www.iris.edu/ (дата обращения: 10.12.2012).

9. Servis-orientirovannaja arhitektura // More (!) analiticheskoj informacii URL: http://citforum.ru/internet/webservice/soa/ (дата обращения: 10.12.2012).

10. HDF Group - HDF5. URL: http://www.hdfgroup.org/HDF5/ (дата обращения: 10.12.2012).

Аннотация

Сервис-ориентированная информационная система для сотрудничества исследователей в области электрогастроэнтерографии: представление данных. Попов А.И., Рудалёв А.В., Тюльпин А.А. Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова Россия, Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, 163002

В докладе проведен краткий анализ этапов развития электрофизиологических методов диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта. Показано, что переходы между этапами во многом определяются появлением новых технологий работы с данными. Сформулирована задача построения интернет-платформы для сотрудничества исследователей в области цифровой обработки данных электрогастроэнтерографии. Предложена иерархическая модель данных, связывающая понятия «обследование», «измерение» и «сигнал». Приведен пример описания конкретного обследования в научном формате HDF5 в соответствии с предложенной концептуальной моделью.

Ключевые слова: Автоматизация исследований; измерения; данные; интернет-технологии; сервис-ориентированная архитектура; электрогастроэнтерография.

Annotation

Service-oriented information system for collaboration of electrogastroenterography researchers: data representation. Popov A.I., Rudalev A.V., Tjulpin A.A. Northern (Arctic) Federal University named by M.V. Lomonosov, Russia, Arkhangelsk, Severnaya Dvina Emb. 17, 163002

Stages of the development of electrophysiological diagnostic methods of gastrointestinal tract are analyzed. It is shown that the transitions between the stages mainly determined by new data processing technologies. The task of the formation of an Internet-platform for research collaboration in the field of digital electrogastroenterography data processing is formulated. Hierarchical data model connecting concepts “examination”, “measurement” and “signal” is presented. According to this model the example of the description of an actual examination in HDF5 format is shown.

Key words: research automation; measurement; data; Internet-technology; service-oriented architecture; electrogastroenterography.

Размещено на Allbest.ru