Menu Zavřeno

DP TN02000067-009 – Inteligentní integrační platforma pro lékařství 4.0

Hlavní řešitel: doc. Ing. Jan Mužík, Ph.D., České vysoké učení technické, Fakulta biomedicinského inženýrství
Kontakt: muzikj@fbmi.cvut.cz

Shrnutí

Obecným předmětem dílčího projektu je výzkum metod pro sběr, integrace a zpracování dat z nositelné elektroniky (wearables), domácích IoT senzorů i externích datových zdrojů včetně implementace a testování pilotního řešení.

Níže jsou vyjmenovány jednotlivé aktivity výzkumné agendy:

  • Identifikace konkrétních diagnóz a léčebných scénářů
  • Vzdálený monitoring pacientů s chronickými onemocněním
  • Využití agregovaných dat při telekonzultacích
  • Zpracování dat a prediktivní analýza
  • Klasifikace typologie pacienta
  • Výzkum potřeb zainteresovaných osob
  • Využití senzorů a IoT modulů vzniklých v rámci dalších dílčích projektů
  • Nové IoT senzory a zařízení využitelné pro telemonitoraci
  • Využití nových komunikačních technologií v telemonitoringu

Nedílnou součástí projektu je i návrh a vývoj univerzální IoT platformy CePIoT, která zajistí konzistentní implementaci poznatků z výzkumů jednotlivých agend. Platforma zajistí sběr a základní zpracování dat z monitoringu pacientů a souvisejících zdrojů. Zdroje dat, které budou do platformy integrovány (jednotky IoT, telemedicínské senzory a datové zdroje) bude možné na základě výzkumu a vývoje v jednotlivých oblastech rozšiřovat o nové varianty.

Plánované výstupy:

  • CePIoT – integrační platforma Healthcare a IoT
  • Integrace vybraných chytrých senzorů IoT a externích datových zdrojů
  • Diani Connector – modul pro napojení telemedicínského systému na integrační platformu
  • Webový prezentační portál – online prohlížení dat v CePIoT, zadávání anotací pro AI, exporty
  • SDK pro vývojáře IoT modulů
  • Sada AI modulů pro zpracování dat a predikce
  • 6x Konferenční příspěvek informující o dílčích výsledcích projektu

Úvod do problematiky dílčího projektu

Dálkové hodnocení zdravotního stavu, respektive získávání dat z tematických senzorů ve smyslu telemedicíny a telemonitoringu (dále jen „telemedicína“) je předmětem výzkumu a aplikace již přes půl století. S dynamickým rozvojem technologií posledních desetiletí přišel i podstatný rozvoj v této oblasti, kdy velké lékařské diagnostické přístroje byly postupně miniaturizovány a jsou dnes, i na základě cenové dostupnosti, běžnou součástí osobní – nositelné elektroniky. Výrazně k tomuto fenoménu přispěl i rozvoj a rozšíření datových telekomunikačních sítí a jejich zásadní zpřístupnění pro širokou veřejnost.

Z pohledu využití diagnostických systémů na principech telemedicíny jsou předmětem výzkumů a aplikovatelnosti primárně následující oblasti:

  1. diagnostika zdravotního, fyzického a psychického stavu uchazečů o konkrétní profese (vojáci, záchranáři atd.),
  2. diagnostika zdravotního, fyzického a psychického stavu profesionálních sportovců,
  3. diagnostika zdravotního, fyzického a psychického stavu pacientů ve zdravotnických zařízeních během dlouhodobých nebo krátkodobých rehabilitací,
  4. diagnostika zdravotního, fyzického a psychického stavu osob při dlouhodobých, nebo krátkodobých rehabilitacích, nezávisle na zdravotnických zařízeních (domácí prostředí apod.),
  5. hodnocení pokroku nebo zhoršení fyzického a psychického stavu v rámci vývoje nové asistenční technologie.

Samozřejmě je stále nutné rozlišovat úroveň a podíl vědecké součinnosti při vývoji takovýchto medicínských zařízení s podloženou kvalitou dat a diagnostických algoritmů od komerčního vývoje zařízení, mnohdy s orientačním měřením hodnot a jejich vyhodnocením.

Vzhledem k široké škále výrobců diagnostických technologií, kteří většinou dodávají sw řešení výhradně pro své technologie, a vzhledem k velkým objemům dat z měření, je pro optimální a maximální využití možností dnešních technologií a komplexního zpracování potřeba vhodně univerzální software. Předpoklad univerzálnosti sw je směrován na získávání dat ze zařízení telemedicíny bez ohledu na výrobce hw, resp. způsob a formát datového přenosu a dále zpracování vstupních dat do jednotných formátů pro další analýzu a prezentaci.

Oblast analýzy dat je složitá disciplína, kdy historicky, obzvláště ve zdravotnictví, postupuje výzkum a vývoj logicky od analýzy dílčích, úzce zaměřených oblastí (např. EKG, EEG, tlak krve) k čím dále komplexnějšímu pojetí analýzy i napříč nad těmito dílčími zdroji informací a definuje aspekty a vzájemné souvztažnosti jednotlivých oblastí a tím i celkový vliv na zdraví daného jedince.

V dnešní době je proto vhodné kombinovat co nejvíce diagnostických zdrojů, které mají vliv na zdravotní stav, a to nejen zdroje z telemedicíny, ale i informace o prostředí, kde se daná osoba pohybuje a které podstatně zdravotní stav ovlivňují. Nedílnou součástí diagnostických algoritmů je potom i tzv. umělá inteligence, tedy systém průběžného učení se diagnostických a vyhodnocovacích principů na základě dříve získaných dat a opakujících se kombinací vlivů a následků apod.

Data a výsledné diagnostické závěry lze prezentovat na webovém portálu, nebo poskytovat přes API rozhraní informačním systémům třetích stran pro další zpracování.

Cíle a aktivity dílčího projektu

Výzkumné aktivity

Obecným předmětem dílčího projektu bude výzkum metod pro sběr, integrace a zpracování dat z nositelné elektroniky (wearables), domácích IoT senzorů i externích datových zdrojů (environmentální parametry jako lokální počasí, kvalita ovzduší, dopravní situace, akustické prostředí) včetně predikce jejich budoucích hodnot dále označované jako „agregovaná data“.

Níže jsou vyjmenovány jednotlivé aktivity výzkumné agendy:

Identifikace konkrétních diagnóz a léčebných scénářů, kde bude mít využití agregovaných dat největší přínos buď pro zlepšení zdravotní péče o pacienta, případně kde přinese největší úspory na straně poskytovatelů zdravotní péče. Vhodnými adepty jsou zcela jistě kardiologická onemocnění, diabetes, chronická respirační onemocnění, neurologické diagnózy, chronická onemocnění ledvina apod. Nicméně u každé diagnózy je třeba ještě identifikovat vhodné pacientské skupiny a vhodné režimy užití telemonitoringu.

Vzdálený monitoring pacientů s chronickými onemocněním – výzkum možnosti využití agregovaných dat pro podporu pacientů s chronickými onemocněními. Data mohou být využívána ke zpřesnění generování a zpracování emergentních situací stejně jako pro dlouhodobou edukaci pacientů a zvyšování motivace skrze zvyšování zapojení pacientů do managementu jejich chronického onemocnění (empowerment).

Využití agregovaných dat při telekonzultacích – výzkum možnosti využití agregovaných dat při poskytování zpětné vazby pacientům s chronickými onemocněními zdravotnickým personálem. Bude ověřena hypotéza, že integrace agregovaných dat přímo do nemocničních informačních systémů, případě do telekonzultačních systémů, zvýší úroveň poskytované zdravotní péče skrze možnosti optimalizace léčebných plánů a zlepšení kontroly jejich dodržování.

Zpracování dat a prediktivní analýza – výzkum možnosti využití agregovaných dat pomocí pokročilých technologií zpracování dat ML/AI pro zlepšení identifikace vzorců chování a trendů a pro lepší odhalování rizikových situací pacienta. Využití agregovaných dat rovněž může zlepšit schopnosti modelů při automatizovaném vyhledávání problematických situací – například situací, kdy pacient s chronickým onemocněním záměrně či nezáměrně nedodržuje léčebný plán.

Klasifikace typologie pacienta na základě agregovaných dat z telemonitoringu. Ukazuje se, že univerzální řešení u telemonitoringu, aplikované na všechny pacienty stejně, dosahují nižší výkonnosti než personalizovaná řešení. Plně personalizovaná řešení na druhou stranu vyžadují vysokou úroveň konfigurace “na míru” jednotlivých pacientů. Vhodným kompromisem se ukazují řešení využívající konfigurací, která vyhovují určité typologické skupině pacientů. Pomocí zpracování agregovaných dat by mělo být možné odhadnout typologie pacienta a následně tuto informaci využít k nasazení vhodné konfigurace telemonitoringu.

Výzkum potřeb zainteresovaných osob (stakeholderů) – konkrétní implementace výsledků výše uvedených výzkumných aktivit bude provedena tak, aby co nejlépe odpovídala potřebám všech zainteresovaných osob: pacientům, lékařům, pracovníkům dohledových služeb a dalším osobám pečujícím o pacienty.

Využití senzorů a IoT modulů vzniklých v rámci dalších dílčích projektů – výzkum možnosti využití pokročilých senzorů a IoT modulů vzniklých v rámci výzkumných aktivit v dalších dílčích projektech a na druhou stranu výzkum možnosti využití integrační platformy CePIoT a telemedicínského systému Diani a výzkumných aktivit ostatních dílčích projektů.

Nové IoT senzory a zařízení využitelné pro telemonitoraci – průběžné provádění rešerše a sledování vývoje trhu s senzorů a zařízení využitelných pro telemonitoraci pacientů, případně sledování jejich kontextu. V případě identifikace vhodných zařízení a vhodných scénářů využití bude provedena integrace a pilotní testování na pacientech.

Využití nových komunikačních technologií v telemonitoringu – výzkum možnosti využití nových komunikačních technologií (např. 5G, 6G GSM sítě apod) jejichž jedinečné vlastnosti by přinesly nové možnosti v připojení IoT zařízení, případně nové scénáře telemonitoringu.

Výsledky jednotlivých výzkumných aktivity budou implementovány do jednotlivých výstupů projektu (software) a ve vybraných případech bude jejich efektivita ověřena pomocí klinických studií.

Univerzální platforma CePIoT

Software integrační platformy hraje klíčovou roli v telemonitoringu pomocí zařízení IoT a telemonitoringu tím, že umožňuje bezproblémovou konektivitu, agregaci dat a interoperabilitu mezi různými hardware zařízeními a informačními systémy bez ohledu na výrobce zařízení nebo komunikační protokol.

Úkolem univerzální platformy CePIoT má být centrální integrace senzorických jednotek a funkcionality základního zpracování agregovaných dat ze zařízení telemedicíny, IoT a souvisejících datových zdrojů.

Základní funkce:

  1. Získávat a uchovávat naměřené a získané hodnoty od zařízení telemedicíny a IoT nebo z informačních zdrojů (systémy třetích stran, internetové zdroje…).
  2. Podle technologických možností nastavovat parametry / zprostředkovávat nastavení parametrů připojených zařízení telemedicíny a IoT (správa zdrojů).
  3. Zajistit maximální jednotnost formátů dat a komunikačních rozhraní (standardizace).
  4. Spravovat popisné údaje o zařízeních a vybraná data o klientech pro potřebné párování (evidence).
  5. Provádět pro vybraná data předem definované kontrolní a výpočetní operace (funkční moduly).
  6. Zasílat definovaným způsobem notifikace o nestandardních stavech zařízení nebo měřených hodnotách (alerty a notifikace).
  7. Poskytovat přes standardizovaná rozhraní datové výstupy pro jejich další zpracování v návazných informačních systémech (poskytování datových výstupů).
  8. Zajistit bezpečné uživatelské rozhraní pro prezentaci stavu a naměřených hodnot aktuálně provozovaných zařízeních telemedicíny a IoT včetně historických dat (základní prezentace agregovaných dat).
  9. Zajistit maximální bezpečnost dat a bezpečný přístupu k datům jak na prezentačním portálu, tak při poskytování dat přes API/Export. (bezpečnost).

Celé řešení CePIoT bude v základu, v součinnosti a na základě poznatků z jednotlivých výzkumných agend, zajišťovat provoz maximálně univerzálních vstupních a výstupních integračních rozhraní a související funkce zpracování dat. V úzké vazbě na tento základ jsou primárně formou mikro služeb řešeny specifické funkcionality CePIoT, které budou dále vyvíjené a rozvíjené dle technologických trendů a potřeb zákazníků. Předmětná data budou dále poskytována zákazníkům (lékařům, zdravotnickým zařízením, pacientům, pečujícím osobám i pro výzkumné projekty v této oblasti).

Plánované výstupy

1x Patent

Výstupem projektu bude alespoň jeden patent. Předpokládáme, že předmětem patentu bude zařízení jedinečně využívající integrované informace ze senzorů IoT.

5x Software

CePIoT – integrační platforma Healthcare a IoT

Bude vyvinut core univerzální platformy CePIoT a ověřena jeho funkčnost ve smyslu získávání a centrálního uchovávání velkého množství naměřených hodnot ze zařízení telemedicíny a IoT senzorů různých výrobců a dále z dostupných informačních zdrojů.

Do core CePIoT budou implementovány základní procedury a funkcionality na řízené zpracování získaných dat.

Bude ověřena bezpečnost dat a škálovatelného přístupu k datům online (API) i pro export.

Bude vyvinuto základní webové rozhraní a API pro administraci zařízení telemedicíny a IoT a pro administraci škálované hierarchie uživatelů i sledovaných osob.

Diani Connector – modul pro napojení telemedicínského systému na integrační platformu

Bude vyvinut modul pro napojení a komunikaci s vybranými telemedicínskými zařízeními.

Budou ověřeny specifické možnosti získávání dat z vybraných telemedicínských zařízení a možnosti a postupy centralizované parametrizace telemetrických zařízení.

Webový prezentační portál – online prohlížení dat v CePIoT, zadávání anotací pro AI, exporty

Bude standardizováno bezpečné API a exportní rozhraní pro data z CePIoT.

Bude vyvinut prezentační portál pro data z CePIoT s ohledem na specifika telemedicínských dat a specifika prezentace kombinovaných dat z různých zdrojů pro potřeby vyhodnocování zdravotního stavu a predikovaných možných zdravotních anomálií sledovaných osob.

SDK pro vývojáře IoT modulů

Bude vytvořen SDK – sada typizovaných vývojových nástrojů a postupů umožňující připojování nových typů telemedicínských a IoT zařízení do CePIoT a dále sada nástrojů umožňujících vytváření samostatných modulů a aplikací pro prezentaci dat z CePIoT.

Sada AI modulů pro zpracování dat a predikce

Bude proveden výzkum a případný vývoj nad analytickým zpracováním dat v CePIoT pomocí strojového učení a umělé inteligence pro účely maximalizace vytěžení kombinace informací pro co nejpřesnější prezentaci zdravotního stavu sledované osoby a pro predikci možných anomálií zdravotního stavu sledovaných osob.

6x Konferenční příspěvek informující o dílčích výsledcích projektu

V rámci odborných koneferencí zaměřených na oblast eHealth, telemedicíny nebo klinické aplikace budou formou ústního sdělení nebo posteru prezentovány výsledky projektu s cílem seznámit odbornou veřejnost s novými poznatky, navázat nové vztahy s cílem rozšířit aplikační možnosti a připravit podmínky pro postupnou komercionalizaci výsledků projektu.

2x publikace v odborném časopise s IF Nové poznatky získané v rámci řešení projektu budou publikovány v odborném časopise excerpovaném v databázi Web of Science (WoS).