Intel Edison на страже здоровья. Опыт «ФРУКТ МД»25.06.2015 14:48

Итак, настало время дать ответ на маленькую загадку, заданную в сколковском посте: зачем спортивного вида девушка тренируется рядом с павильоном Intel? Отгадка, впрочем, очень проста. На белой одежде хорошо видны черные ремни. Это датчики системы мобильной диагностики здоровья, созданной на базе микро-компьютера Intel Edison специалистами компании «ФРУКТ МД». Комплекс собирает жизненно важные показатели организма человека и пересылает их в «облако» для хранения и анализа. О прототипе системы, которая показывает, как будет выглядеть мониторинг здоровья в недалеком будущем, рассказывает технический директор «ФРУКТ МД» Максим Яцковский.
Показанный на Startup Village в Сколково прототип состоял из следующих компонентов:

Медицинский сенсор, прикрепленный к нашему «пациенту»;
Модуль Intel Edison, выступающий в качестве шлюза, собирающего и обрабатывающего данные с сенсоров и взаимодействующий с «облаком»;
LTE модем, чтобы избежать сюрпризов в работе местного WiFi;
Облачная платформа мобильной диагностики здоровья;
Web интерфейс платформы.

В настоящий момент ПО для Intel Edison уже может работать со следующими видами медицинских устройств:

Электрокардиограф (на 1 и 3 отведения)
Пульсоксиметр
Датчик ЧСС (пульсометр)
Измеритель артериального давления
Глюкометр
Весы

Это если учитывать только виды устройств, если считать конкретные модели, то в сейчас поддерживается 13 различных устройств. В ближайших планах перевести максимум из перечня драйверов, что реализовывались под другие платформы, а это уже более 50.

Для связи используется как обычный Bluetooth, так и Bluetooth LE, при этом, фактически для каждой модели устройств нужно писать свой уникальный драйвер. И не спасают никакие спецификации GATT профилей, т.к. производители грешат значительным отступлением от стандарта, и иногда очень удивительным. Помимо медицинских устройств, система умеет работать и акселерометрами, iBeacon и датчиками окружающей среды, потому как для понимания, что творится с человеком, зачастую необходимо знать не только его пульс, но и в каких условиях человек находится и что вокруг него происходит.
В демонстрационном приборе на Village в качестве сенсора выступал хоть и не особо новый, но очень неплохой датчик Zephyr BH-3, позволяющий одновременно получать одноканальную ЭКГ, пульс, частоту дыхания и данные с акселерометров. Было кстати очень интересно протестировать систему в экстремальных радиоусловиях, когда вокруг ходят сотни людей с включенными Wi-Fi и Bluetooh, и по результатам надо отметить что радиочасть на Edison повела себя очень достойно, что не может не радовать.

Датчик Zephyr BH-3

Внутри Edison большая часть логики реализована на node.js, в том числе и работа с устройствами. Алгоритмы обработки и анализа биосигналов (в первую очередь ЭКГ) написаны на C++ и подключаются как бинарные модули, чтобы избежать узких мест в производительности. При такой архитектуре Edison может свободно работать с 6 одновременными потоками ЭКГ с частотой дискретизации 500Гц. Объем занимаемой памяти процессом редко превышает 100 Мб. ЭКГ высокого разрешения пока не проверялось, в связи с отсутствием в данный момент на руках приборов, но по предварительным оценкам это не будет потолком для системы.

Тут наверное нужно немного отвлечься и отметить, что сенсоры можно разделить на 2 больших категории: те, которые передают некоторое измеренное число, к примеру вес или артериальное давление и те, с которых поступает непрерывный сигнал, такие как электрокардиограмма и пульсовая волна с пульсоксиметра. И если в первом случае применение производительных платформ не сильно оправдано, там по большому счету не требуются особые вычислительные ресурсы, то во втором случае простого контроллера уже не достаточно.
Предвидя вопросы «А почему не взять Raspberry Pi или что-то аналогичное и не сделать тоже самое?», можно ответить что да, при выбранной программной архитектуре можно свободно перенести код и на нее, но в результате мы не получим то, что можно назвать продуктом. Нужно добавить Bluetooth 4.0 модуль, очень желательно стабильно работающий и с хорошей дальностью, чего в большинстве подобных плат нет, нужно сделать компактный корпус, в отдельных случаях обеспечить автономное питание и т.д… И в результате мы имеем разницу не более пары десятков долларов при большем размере и числе компонентов и соответственно снижение надежности и, кстати, увеличении энергопотребления.

Взаимодействие с облаком не является чем-то экстраординарным, реализовано через собственный REST API. Биосигналы буферизуются шлюзом и передаются в среднем каждые 500 мс., данный таймаут может адаптироваться под характеристики канала передачи. В случае обрыва связи, при первой возможности все измерения досылаются на сервер. При необходимости поток может сжиматься стандартным алгоритмом gzip. Единичные данные измерений передаются сразу. Далее биосигналы проходят в случае необходимости повторную обработку, и становятся доступны в web интерфейсе системы. Общая задержка сигнала от момента снятия до момента вывода в интерфейсе составляет 1–2 секунды и может быть уменьшена при необходимости.

Интерфейс мониторинга ЭКГ

Ну и немного об «облаке» — его основная цель не столько просто собрать данные и сохранить их, сколько обеспечить предварительную диагностику состояния здоровья человека, выявить тенденции в изменении здоровья. Для этого используются разные инструменты, начиная от обычных алгоритмов, нацеленных на выявление конкретных заболеваний, к примеру различных аритмий, когда сердце бьется нерегулярно, так и выявляющих изменение трендов параметров, в том числе и в совокупности с тем, что происходит с человеком (к примеру на артериальное давление может влиять температура воздуха, атмосферное давление, или даже присутствие человека некоторое время в помещении Старбакса :)).

Интерфейс мониторинга давления

«Облако» использует в качестве источников данных как вышеописанный шлюз, так и приложения для смартфонов, внешние сервисы (например может получить данные о погоде или импортировать результаты измерений с часов Basis или шагомеров FitBit и им подобных). Так как речь идет о медицинской системе, контролируется работоспособность источников данных, чтобы предупредить о разряжающейся батарейке в датчике или отключившемся шлюзе, имеется возможность работать с обезличенными данными, чтобы обеспечить приватность зачастую очень деликатной информации, или альтернативно, особенно в свете последних законов, позволяет хранить личную информацию в юрисдикции той страны, к которой относится человек.

И теперь, наверное, главные вопросы «Зачем?» и «Кому это нужно?» — применения такого решения можно разделить на три категории:

В больнице для наблюдения за пациентами не в острых состояниях. Шлюз может как перемещаться с самим пациентом (за счет малого размера), так и может быть развернута сеть из шлюзов, которые «следят» за перемещением пациента с сенсором. В этом варианте как раз очень важна оперативность реакции на возникновение проблем со здоровьем. К сожалению, для многих больниц у нас эта тема отнюдь не для настоящего времени, но будем надеяться…
В качестве домашней системы так называемого «мониторинга состояния здоровья», когда шлюз либо непрерывно снимает то же ЭКГ, так и получает данные с измерителя артериального давления, глюкометра или иных приборов. Альтернативой шлюзу может служить и смартфон, но реалии технологий таковы, что сейчас невозможно обеспечить непрерывный мониторинг ЭКГ более десятка часов, если не ставить смартфон на зарядку, а тут у нас есть отдельное устройство, в котором можно быть уверенным и работоспособность которого постоянно контролируется.
Для здоровых людей, ну или недообследованных :). При занятиях спортом, как в обычных фитнесс центрах, так и профессиональным. Контроль ЭКГ, а не просто пульса дает много интересных возможностей. И, кстати, шлюз в данном случае может обслуживать не 1, а нескольких человек одновременно.

Да, к сожалению, на данном этапе наша медицина еще не готова к массовому применению подобных устройств, хотя оно, в общем-то, уже вполне готово к реальной эксплуатации. Однако тот факт, что «ФРУКТ МД» получил поддержку государства в лице фонда Сколково, внушает определенные надежды. А уж за Intel не заржавеет — новые компактные компьютеры будут еще производительнее, экономичнее, меньше и удобнее в использовании.