Software & Systems

В 2009 году научным исследованиям в области медицинской информатики в Институте программных систем имени А.К. Айламазяна РАН исполняется 15 лет.

Подходы к созданию интегрированной медицинской информационной системы (МИС) рассмотрены в работе [1], а в [2] кратко освещена технология Интерин, которая стала главным результатом исследований и разработок.

Данная работа посвящена основным архитектурным и системным решениям технологии Интерин. При решении первоначально поставленной задачи создания МИС комплексного лечебно-профилактического учреждения (ЛПУ) были развернуты исследования и разработки практически по всем направлениям медицинских информационных технологий.

1.  Исследование основных проблем создания МИС и разработка:

·   архитектурных решений для учрежденческих, региональных, персональных и мобильных систем;

·   инструментальных средств и методик создания МИС.

2.  Исследования и разработка общесистемных механизмов:

·    поддержки информационной безопасности в МИС; сложных организационных структур в МИС; историчности информации в МИС; информационных стандартов и стандартов предметной области в МИС; принятия решений в МИС; телемедицинских технологий;

·    организации пользовательского интерфейса и визуализации медицинской информации;

·    идентификации в МИС, в том числе с использованием технологий идентификации (штрих-коды и смарт-карты);

·    интеграции медицинских приборов и информационных систем;

·    взаимодействия и интеграции разных информационных систем, в том числе в гетерогенной среде, обмена медицинскими данными в сети ЛПУ.

3.  Исследования и решение прикладных задач общесистемного характера:

·    создание единой медицинской карты пациентов;

·    поддержка экономики лечения, управленческого учета, решение проблем автоматизации материального учета;

·    поддержка контроля качества лечения и безопасности пациентов в МИС.

4.  Исследование экономической эффективности информационных технологий в медицине.

На рисунке 1 показана взаимосвязь перечисленных направлений исследований в рамках проекта создания МИС ЛПУ.

Особенности создания МИС

Основные проблемы, стоящие перед разработчиками МИС:

-   большие объемы и разнообразие типов медицинской информации;

-   недостаточная формализация (концептуализация и стандартизация) предметной области;

-   постоянно расширяющиеся понятийная и концептуальная базы предметной области;

-   необходимость одновременной поддержки бумажной и безбумажной технологий работы;

-   необходимость и актуальность поддержки единого информационного пространства (полные данные по каждому пациенту независимо от места оказания медицинской помощи).

Были исследованы и сформулированы требования к интегрированным информационным системам (ИИС) для сложных, плохо структурированных и трудноформализуемых предметных областей, таких как медицина, а именно:

-   поддержка хранения и обработки фактографической информации с одновременным обеспечением основных функций существующих информационно-поисковых систем и систем обработки данных;

-   хранение и обработка документов, построенных на фактографической информации, с обеспечением основных функций существующих систем документооборота;

-   моделирование бизнес-процессов на основе данных и документов, возможность определения «мягкого» и регулируемого регламента работы с фактографической информацией и документами;

-   применение методов компонентного проектирования информационных систем (ИС) как для фактографических БД, так и для архивов документов и информационных потоков;

-   разработка процедур компонентного изменения ИС при изменении бизнес-процедур и применяемых приложений;

-   постоянная актуализация логической модели ИС для учета изменений в деятельности предприятий;

-   возможность определения дополнительных регулируемых механизмов авторизации и прав доступа при работе с фактографической информацией и документами;

-   построение интерфейса пользователя, интегрирующего в себе разные способы представления информации (в том числе манипулирование данными, документами), средства анализа информации, работа с информацией различного характера (графического, текстового, временных рядов).

Исследования показали, что возможностей существующих методологий и инструментальных средств для решения задач построения интегрированных МИС недостаточно, поэтому они были продолжены в направлении поиска научно-техно­логических и методологических решений.

Были изучены и классифицированы основные устоявшиеся технологии ИС: фактографические системы (банки данных), системы документооборота (Docflow) и системы рабочих потоков (Work­flow).

На основе проведенных исследований сделан вывод, что ввиду особенностей бизнес-процессов в медицинских учреждениях интегрированные МИС должны включать в себя элементы всех трех указанных типов ИС. В то же время каждая технология в отдельности либо не удовлетворяет все потребности МИС (фактографические системы, Docflow), либо плохо применима для их построения (Workflow).

Стало понятно, что составной частью общей методологии разработки интегрированных МИС может служить понятие «документ», которое сначала пытались вытеснить в эру АСУ, а потом внести в технологию ИС «как есть» в эру систем документооборота.

Кроме того, понятие «документ» как одна из основ построения МИС так же хорошо применимо для решения проблем поддержки стандартов представления медицинской информации, передачи медицинской информации и т.п.

Исследования в области использования концепции документа в архитектуре МИС привели к разработке механизма информационных объектов и архитектуры HL-X поддержки документов, которые составляют основу технологии Интерин.

Рисунок 2 иллюстрирует архитектуру ИС, построенной на основе механизма информационных объектов и архитектуры HL-X.

Информационные объекты

Механизм информационных объектов (ИО) предназначен для централизованного представления метаданных и описания информационной модели предметной области. В его рамках стало возможным единообразное и системное решение вопросов доступа, отображения и обработки информации, пользовательского интерфейса.

С помощью этого механизма выделяется формализованный метауровень, назначение которого – описание структуры предметной области, включающей понятия и связи между ними (содержательная часть), а также способы манипулирования информацией (функциональная часть).

Механизм ИО представляет собой конструктор системы, позволяющий вводить новые объекты в ИС и определять их функциональность.

ИО – это совокупность семантически связанной информации, имеющей тип и уникальный ключ.

Тип ИО характеризуется названием и используется для классификации объектов. С типом связаны операция создания объекта и множество операций над объектами данного типа.

Для каждого типа могут быть определены методы, подобные методам классов в объектно-ориентированном программировании. Методы служат для доступа к содержимому объекта.

Определяются составные объекты, в которые входят другие объекты, и атомарные. Множество объектов, входящих в составной объект, называется содержанием составного объекта. В качестве содержания могут выступать другие составные объекты. Связи составного объекта с другими объектами, составляющими его содержание, называются ссылками. Каждый объект имеет статус, который определяет состояние объекта.

Операцией над объектом называется неделимая последовательность действий, изменяющих его содержимое и/или состояние (статус). Операции выполняются при помощи процедур и/или программных модулей.

Кроме того, определяются понятия:

-   жизненный цикл – последовательность операций над объектом; летопись объекта – последовательность записей о выделенных операциях жизненного цикла объекта;

-   исполнитель – лицо, выполняющее операции над объектами;

-   пользователь – пользователь ИС (любой пользователь является исполнителем, но некоторые исполнители могут не являться пользователями);

-   метапользователь – абстрактный исполнитель, который задается отношением на множестве исполнителей, например, сотрудник терапевтического отделения, медсестра, член ВТЭК, лечащий врач, дежурный врач, директор центра и т.п.;

-   право – возможность метапользователя выполнять данную операцию;

-   рабочий стол – механизм, определяющий отношение владения объектами для пользователя;

-   ярлык – краткое описание содержимого объекта; ярлыки используются для получения минимальной информации о содержимом объекта, для выбора конкретного объекта из списка объектов, при поиске информации в системе.

Подсистема поддержки жизненного цикла ИО предназначена для выполнения обобщенных действий над всеми типами объектов в ИС. Такими действиями являются создание, пересылка, подписание, актуализация и деактуализация, унифицированный доступ и поиск, вызов программных модулей и процедур для выполнения специализированных действий.

Каждый объект существует на двух уровнях:

-   на нижнем уровне – БД/ИС – определена структура документа, здесь хранится информация, составляющая содержание документа;

-   на верхнем уровне хранится информация о документе: уникальный глобальный ключ, ссылка на содержание объекта, информация о состоянии и местонахождении объекта.

Механизм ИО также служит основой для функционирования унифицированного интерфейса Рабочий стол пользователя.

Документы в МИС. Архитектура HL-X

В основе архитектуры HL-X лежит понятие документа HL-X. Документ HL-X – это свободно конструируемая по заданным правилам информационная структура из формализованных концептов предметной области.

В основе подхода лежит представление о необходимости поддержки ИС эволюционного процесса концептуализации предметной области.

Концептуально документ HL-X задается как множество моделей, раскрывающих его с различных точек зрения: понятийная модель, информационная модель (структурная модель), модель обработки данных документа, модель визуализации, функциональная модель документа, модель безопасности.

Понятийная модель представляет документ в виде структуры абстрактных и соответствующих им конкретных понятий. Она предоставляет следующие возможности:

1) определяет, какие понятия содержатся в документе и какими понятиями владеют БД или БЗ документов HL-X;

2) выполняет перевод понятийной модели на другие языки при наличии словарей;

3) является основой для добавления семантических связей на понятиях и использования технологий искусственного интеллекта для анализа свободных документов (тематический поиск информации, поиск неизвестных знаний – Data Mining и т.п.);

4) фактически самодокументирует документ и может использоваться как умолчательная визуализация документа.

Информационная модель представляет документ HL-X в виде структуры из различных ИО (концептов предметной области). Здесь под ИО в широком смысле понимаются некоторые абстрактные связные элементы модели, аналогами которых в различных языках программирования являются объекты, записи, структуры и т.п. Наличие у документа структуры позволяет декомпозировать его на элементы и при необходимости манипулировать ими. Информационная модель служит основой для:

-   конструирования документа из элементарных ИО;

-   конструирования документа на основе имеющихся документов с учетом накопленных знаний о контекстах использования того или иного объекта (понятия) путем полного или частичного заимствования уже существующих информационных моделей;

-   разбора и обработки данных документа (например, для структурированного хранения в реляционной БД или для экспорта и импорта данных, для усвоения знаний и пополнения БЗ непосредственно из экземпляров документов и их информационных моделей).

Модели обработки данных документа позволяют специфицировать обработку документа как единого целого в интересах конкретной ИС. Они определяют, какие именно данные нужно обрабатывать и как это делать. Модель обработки данных документа дополняет информационную модель документа конкретными, зависящими от ИС инструкциями. На базе модели выполняются все основные манипуляции с данными документа: разбор и хранение в БД, создание и редактирование документов, использование шаблонов и других документов в качестве источников данных.

Модели визуализации позволяют создавать различные визуальные представления данных документа. В основе визуальной модели лежит понятие визуальной компоненты как некоторой абстрактной элементарной формы представления данных. В различных конструкторах интерфейса аналогами визуальным компонентам служат компоненты визуальных палитр (таблицы, поля, панели, всевозможные элементы управления и т.п.). Основное назначение модели – создание абстрактного, не привязанного к конкретному программному языку или конструктору интерфейса описания представления данных документа в интерфейсе пользователя. Модель визуализации предназначена для:

-   визуализации документа в конкретной реализации пользовательского интерфейса со свободными документами;

-   предоставления совместно с функциональной моделью интерфейса для манипуляции данными документа.

Функциональная модель документа опре- деляет возможные манипуляции с данными до- кумента и соответственно поддерживает определенные ограничения на данные (целостность данных). К области компетентности этой модели отнесем:

-   транзакционность – обработку документа и всех входящих в него объектов как единого целого в рамках одной транзакции;

-   дисциплину коллективной работы над документом (пользовательские блокировки);

-   определение возможных манипуляций над документом на основе данных самого документа (учет статуса и т.п.);

-   целостность данных (обязательные элементы данных, домены возможных значений, контроль типов и форматов данных и т.п.).

Модель безопасности документа определяет права доступа к элементам данных и права на манипуляцию данными. В качестве структурного элемента документа, на который можно будет установить права доступа, предлагается принять элементарное понятие из понятийной модели. В информационной модели этому элементу доступа соответствует атрибут ИО или сам объект, а в визуальной модели – отдельное поле визуализации или ввода. Более элементарных целостных единиц данных, к которым можно было бы отнести доступ, в документе нет. На уровне структуры документа предложена самая сильная модель безопасности.

Документ HL-X рассматривается как единство всех этих моделей. Документ HL-X – это и сами данные, и организация данных в структуру, и знания, заключенные в структуре данных, и правила манипулирования данными, включая права доступа, и визуальное представление данных, и инструкции по обработке этих данных в ИС. Главное достоинство документа HL-X – высокий уровень абстракции этих моделей, делающих его неза- висимым от конкретной ИС, БД, технологичес- ких средств разработки и средств доставки документа:

-   документ HL-X может быть легко доставлен из одной ИС в другую с помощью любых каналов связи и средств доставки;

-   документ HL-X может быть понят и интерпретирован пользователем без использования модели визуализации на основе своей понятийной модели, благодаря которой он фактически является самодокументируемым;

-   модель обработки данных документа в каждой ИС может быть своя в зависимости от целей использования этих данных системой (степени их интеграции системой);

-   моделей визуализации может быть много в соответствии с желаемыми представлениями данных.

Преимущества документов HL-X:

-   свобода от конкретных, подверженных постоянному развитию и изменению технологий реализации ИС;

-   самоценность документа HL-X как носителя модели информации, описывающей определенную предметную область, как носителя знания об этой предметной области;

-   продление времени жизни модели докумен­та в силу ее инвариантности по отношению к реализации документа HL-X в ИС;

-   гибкость при реализации ИС на базе документов HL-X – возможность произвольного выбора БД (реляционной, постреляционной или объектной), технологий реализации интерфейса документа HL-X. В качестве языков реализации прототипа архитектуры были опробованы Pascal, PL/SQL, JavaScript, Java, HTML, XML;

-  

восприимчивость к инновациям в информационных технологиях; возможность быстрого переноса накопленных моделей документов HL-X в новую информационную среду без их существенных переделок и развертывания ИС на базе новых технологий.

Еще одна основная концептуальная идея архитектуры HL-X – введение процесса концептуализации предметной области непосредственно в саму ИС – как ответ на трудности, связанные с недостаточной формализацией и динамичностью предметной области (рис. 3).

Информационная безопасность

На государственном уровне все большее значение придается обеспечению информационной безопасности персональных и медицинских данных. Исследования направлены на создание эффективной подсистемы информационной безопасности (ПИБ), обеспечивающей разделение доступа к данным в зависимости от полномочий пользователей и выделение/мониторинг прав и ролей, предоставляющей возможности настройки политики безопасности, а также гарантирующей сохранность данных и обеспечивающей контроль над функционированием системы и над действиями пользователей.

Построение адекватной схемы защиты данных в конкретном случае является поиском компромисса между конфиденциальностью, целостностью и доступностью данных с учетом специфики работы МИС ЛПУ как системы массового обслуживания.

В настоящее время ПИБ представляет собой завершенное решение в рамках типовой МИС семейства Интерин.

ПИБ основывается на модели угроз и модели нарушителя, разработанной для типового ЛПУ.

ПИБ МИС представляет собой комплекс организационных, технологических, технических и программных мер и средств защиты информации (рис. 4):

-   программные меры защиты информации реализованы программными компонентами и механизмами ПИБ;

-   технические меры защиты информации обеспечены техническими средствами защиты (описание необходимых для использования средств защиты и их настроек приводится в эксплуатационной документации МИС);

-   организационные меры защиты информации обеспечены выполнением персоналом порядков и регламентов для различных действий при эксплуатации МИС (описание необходимых организационных мер и регламентов работы приводится в эксплуатационной документации МИС);

-  

управление полномочиями пользователей, настройка политики безопасности, а также оперативный и ретроспективный контроль за действиями пользователей МИС и потенциально опасными событиями обеспечиваются выделенным рабочим местом – АРМ администратора информационной безопасности. Для независимости функционирования от МИС программное обеспечение рабочего места администратора строится на системных таблицах БД и для выполнения своих функций использует встроенные механизмы СУБД.

Схема на рисунке 5 иллюстрирует взаимодействие технических, организационных и программных компонент ПИБ МИС.

Теоретические исследования и практические разработки обусловили создание технологии построения МИС, включающей комплекс инструментальных средств, технологических решений и методик создания интегрированных ИС ЛПУ, которая впоследствии получила название технология Интерин. МИС семейства Интерин представляет собой интегрированную информационную и функциональную среду и обеспечивает информационную поддержку всех служб ЛПУ.

Интерин PROMIS

Интерин PROMIS – типовой вариант МИС, созданной на основе технологии Интерин. Свойства системы Интерин PROMIS позволяют использовать ее практически в любом ЛПУ. Внедрение системы предполагает установку типового варианта МИС, ее настройку и адаптацию к специфике ЛПУ, настройку рабочих мест пользователей, обучение персонала и последующее сопровождение работы МИС. Система Интерин PROMIS имеет Свидетельство Министерства здравоохранения РФ о пригодности к использованию в организациях здравоохранения России.

Основные свойства и возможности МИС Интерин PROMIS следующие.

·    Полная номенклатура АРМ медицинского персонала разных специальностей. Масштабируемость системы и возможность настройки рабочих мест под конкретные задачи пользователя.

·    Интеграция информационных потоков, обеспечивающая актуальность, целостность и непротиворечивость информации.

·    Концентрация информации вокруг пациента. Возможность просмотра и анализа информации о пациенте в различных представлениях, сгруппированной тем или иным образом.

·    Единое пространство услуг. Вводит систему формальных понятий, к которым можно привести весь спектр действий, выполняемых медицинским персоналом.

·    Представление динамики медицинской информации, мониторинг лечебно-диагностического процесса.

·    Автоматизация оформления документации: множественное использование данных без дублирования, автозаполнение, использование шаблонов документов, ввод данных в специализированных формах без форматирования с последующим автоматическим формированием документов, планирование технологической лечебно-диагнос­тической цепочки.

·    Автогенерация статистических отчетов, динамические подборки документов на Рабочем столе и сводки за период или на дату, формируемые для печати.

·    Редактируемые справочники для наполнения предметной информацией, позволяющие настраивать и модифицировать МИС при внедрении или изменении бизнес-процессов.

·    Использование новейших разработок в области представления и передачи медицинских данных, дающие возможность взаимодействовать с программными продуктами сторонних разработчиков и с ИС других медицинских учреждений.

·    Применение элементов телемедицины, обеспечивающее снижение стоимости лечебного процесса, преодоление профессиональной изоляции, улучшение качества лечения.

·    Система управления визуальной информацией для диагностических и отчетных целей, включая удаленный доступ к хранилищам данных.

Функциональные подсистемы МИС Интерин PROMIS: клиническая подсистема, амбулаторно-поликлиническая подсистема, аналитическая подсистема, экономическая подсистема, лабораторная

подсистема, регистратура, стоматология, хранение и передача графических данных, аптека, лечебное питание, отдел кадров, удаленный доступ к Рабочему столу, администрирование МИС.

Внедрения

Первая прикладная МИС, созданная с использованием технологии Интерин, была установлена в Медицинском центре Банка России в 1996 году, с этого времени эксплуатируется и развивается. В настоящее время все подразделения и службы Медицинского центра Банка России, включая поликлинику, стационар и диагностический центр, оснащены МИС, основанной на технологии Интерин, и работают в едином информационном пространстве. Система насчитывает около 1 300 пользователей.

Впоследствии ИС на базе технологии Интерин были оснащены и некоторые другие крупные ЛПУ:

-   ИС управления (ИСУ) республиканской больницы № 1 Национального центра медицины Министерства здравоохранения Республики Саха (Якутия) «КИС НЦМ»,

-   ИСУ ЦКБ № 1 ОАО «Российские железные дороги»,

-   МИС «Амбулатория», основанная на технологии Интерин, амбулаторно-поликлинических учреждений ГУ Банка России по Вологодской, Костромской, Омской, Нижегородской областям, Республике Марий Эл и Приморскому краю,

-   ИСУ ФГУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс МЗ РФ»,

-   ИСУ ФГУ «Клиническая больница» Управления делами Президента РФ,

-   ИСУ ФГУ «Поликлиника № 3» Управления делами Президента РФ.

В данной работе приведены описание и взаимосвязь основных архитектурных и системных решений технологии Интерин, эффективность которых доказана успешной эксплуатацией многочисленных ИС, построенных на этой технологии.

Основные результаты исследований и разработок изложены в многочисленных публикациях, обновляемый список которых можно найти на сайте (www.interin.ru) Исследовательского центра медицинской информатики ИПС РАН.

Литература

1.   Интегрированная распределенная информационная система лечебного учреждения (ИНТЕРИН) / Я.И. Гулиев [и др.] // Программные продукты и системы. 1997. № 3.

2.   Гулиев Я.И. Интерин-технология для создания медицинских информационных систем // Программные продукты и системы. 2008. № 2.

3.   Айламазян А.К., Гулиев Я.И. Данные, документы и архитектура медицинских информационных систем // Информатизация процессов охраны здоровья населения-2001: тез. докл. Междунар. форума. М., 2001. C. 141–142.

4.   Малых В.Л., Пименов С.П., Хаткевич М.И. Объектно-реляционный подход к созданию больших информационных систем // Программные системы: Теоретические основы и приложения: тр. Междунар. конф. / ИПС РАН, Переславль-Залесский; под ред. А.К. Айламазяна. М.: Наука. Физматлит, 1999. C. 177.

5.   Гулиев Я.И., Малых В.Л. Архитектура HL-X // Программные системы: теория и приложения: тр. Междунар. конф. / ИПС РАН, Переславль-Залесский; под ред. С.М. Абрамова. В 2 т. М.: Физматлит. 2004. Т. 2. С. 147.

6.   Особенности решения проблем информационной безопасности в медицинских информационных системах / Г.И. Назаренко [и др.] // Врач и информационные технологии. 2007. № 4. С. 39–43.

7.   Назаренко Г.И., Гулиев Я.И., Ермаков Д.Е. Медицинские информационные системы: теория и практика; под ред. Г.И. Назаренко, Г.С. Осипова. М.: Физматлит, 2005. C. 320.

8.   Назаренко Г.И., Гулиев Я.И. Информационные системы в управлении лечебно-профилактическим учреждением // Врач и информационные технологии. 2006. № 4. С. 64–67.

9.   Гулиев Я.И. Медицинская информатика в ИПС РАН // Программные системы: теория и приложения: тр. Междунар. конф. / ИПС РАН, Переславль-Залесский; под ред. С.М. Абрамова. В 2 т. М.: Физматлит. 2004. Т. 1. С. 53.

[1]