2023ВКР750301ИСАКОВ

глюкометра, подключенного к мобильному приложению. Более редким вариантом может быть регистрация сигналов с монитора непрерывного мониторинга глюкозы (CGMS – continuous glucose monitoring system). Оба варианта могут иметь обратную связь с инсулиновой помпой с целью автоматизации процессов выбора вводимой дозы инсулина. Получившаяся система обладает высокими показателями точности измерения глюкозы и скоростью реагирования на проявляющуюся гипергликемию.

Однако, перед интеграцией механизма в процесс удаленного мониторинга следует оценить целесообразность его применения в каждом конкретном случае. Сложные технические решения, связанные с разработкой носимых медицинских изделий, находят отражение в завышенной стоимости конечного продукта, в то время как телемедицинские системы призваны снизить затраты на здравоохранение и повысить доступность медицинского ухода для всех. Их применение было бы целесообразно в случае тяжелого неконтролируемого протекания заболевания.

Метаболические осложнения, связанные с сахарным диабетом, в

особенности ГСД, развиваются не мгновенно. При ранней диагностике методы профилактики, такие как диета, умеренная физическая нагрузка и нелекарственная сахароснижающая терапия позволяют добиться лучших результатов в контроле уровней гликемии. Применительно к ГСД справедливо будет упомянуть и то, что при соблюдении схемы лечения заболевание может пройти бесследно после родов, в то время как покупка и установка инсулиновой помпы – долгосрочное дорогостоящее решение.

Задуматься можно и над тем, что инсулиновая помпа работает по принципу компенсации естественных функций организма, в то время как в научной среде активно обсуждается вопрос использования методов машинного обучения для прогнозирования опасных эпизодов повышения уровня сахара на этапе до фактического приема пищи. Результаты прогнозирования могут быть использованы, чтобы помочь человеку скорректировать план питания и выработать интуитивное понимание, каких

21

категорий продуктов / блюд ему стоит избегать, а какие их них безопасны к употреблению.

Впрочем, до конца не ясно, что считать опасным повышением уровня сахара и какие референсные значения должны быть заложены в решающие правила. Например, можно оценить относительное значение амплитуды, на которую вырастет показатель УСК, но известно, что в разное время дня на одни и те же приемы пищи величина постпрандиального гликемического ответа может сильно разниться. Альтернативными методами могут быть:

оценка абсолютных УСК через 60 и 120 минут, а также вычисление инкрементальной площади под кривой ППГО.

1.2.2 Неинвазивные системы мониторинга глюкозы

Вне зависимости от того, используем мы превентивные методы контроля гликемии или же инсулиновые помпы, необходимо произвести измерение показателей УСК. Для этой цели можно использовать распространённые глюкометры c Bluetooth подключением AccuCheck. Эти приборы требуют небольшого количества крови, производя замеры величины тока, появляющемуся в результате реакции со специальными веществами в тест-полоске. Применение подразумевает прокол пальца, что болезненно и вызывает образование мозолей. Кроме того, существует риск распространения инфекционных заболеваний, если игла загрязнена или используется более одного раза. Стоимость расходных материалов при этом варьируется от 1 тыс.

руб. до 10 тыс. руб. Методика амперометрии устаревает и уступает место многоразовым неинвазивным оптическим, микроволновым и электрохимическим способам определения концентрации глюкозы в альтернативных биологических жидкостях и на поверхности кожи [15, 16]. В

прочем точность оптических и микроволновых методов оказалась ограниченной проблемами, связанными с неоднородностью и изменчивостью во времени среды измерения, узким линейным диапазоном, а также сложностью методологии калибровки. Лучших результатов удалось добиться

22

с использованием малоинвазивных электрохимических методов, однако, им свойственна задержка во времени между фактическим изменением значений УСК и результатами теста, а также высокая стоимость элементов [17, 18].

Наиболее ярким представителем малоинвазивных Bluetooth устройств можно назвать AiDEX CGMS от китайской компании Microtech Medical. По заявлению разработчиков монитор демонстрирует высокую корреляцию между объективными показателями УСК и значениями, полученными в ходе двухнедельного мониторирования [19].

Чтобы иметь возможность получить данные из подключаемого Bluetooth

устройства, приложение должно либо напрямую получить доступ к API (Application Programming Interface) вендера, предоставляющего услуги мониторинга, либо иметь возможность извлечь необходимую информацию через API Apple Health. В первом случае, процесс разработки зависит от заключения соглашения с вендором, но имеет ряд преимуществ, так как позволяет связаться с устройством напрямую. Если же использовать API Apple Health, мы будем иметь доступ только к той части информации, что собирает

Apple, и только на тех устройствах, что имеют связь с их фирменным приложением.

1.2.3 Веб-технологии и облачные вычисления

Приложение агрегирует доступную ему информацию о пациентке и процессах ее жизнедеятельности, чтобы затем отправить на сервер для последующей обработки. Разделение серверной и клиентской части снижает требования к мобильному устройству и переносит вычислительные задачи в облако. При этом приложение становится зависимым от наличия стабильного доступа к сети интернет, что не является существенной проблемой в городской среде, но ограничивает применение системы удаленного мониторинга в период сезонных отпусков или в условиях постоянного проживания в сельской местности [20].

23

Идея переноса части функционала с сервера на устройство клиента активно распространяется в последнее время в связи с ростом вычислительной мощности персональных устройств. Так, популярность приобрела JavaScript

библиотека React и ее фреймворк для разработки адаптивных мобильных веб-

приложений Next [21]. Их работа основывается на разделении задач таким образом, чтобы на стороне клиента выполнялись все промежуточные вычисления и отрисовка интерфейса, в то время как сервер занимался бы задачами, связанными с заполнением и обновлением содержимого базы данных, в параллельном потоке. Разделение стало возможным из-за особенностей работы кода JavaScript, это такой язык программирования (ЯП),

чья среда выполнения является клиентским браузером. Тем не менее,

получившиеся приложения не являются в полной мере мобильными, они лишь выглядят как таковые. React получил и другую библиотеку React Native [22].

Она использует JavaScript веб-технологии для создания полноценного мобильного приложения. Подход очень вычислительно затратный и не выдерживающий конкуренцию в скорости работы с мобильными приложениями, написанными на нативных языках программирования под iOS

и Android.

Тем не менее не стоит полностью отказываться от применения веб-

технологий при разработке мобильного приложения. Во-первых, серверная база данных позволяет обмениваться информацией между несколькими клиентами. Во-вторых, с ее помощью можно осуществлять ежемесячное резервное копирование. В перспективе можно реализовать API и отдельное приложение для врачей, где бы они могли наблюдать и вносить изменения в карту пациента, например, после получения расшифровки общих клинических анализов.

1.2.4 Мобильные технологии

Для разработки мобильных приложений активно применяются следующие среды: Xcode, Android Studio и Microsoft Visual Studio. Каждая

24

среда работает со своей технологией проектирования приложений. Так Xcode

предлагает стек технологий Swift / SwiftUI или Objective-C / UIKit. В

сравнении скорости работы Objective-C и Swift безусловным победителем является Swift. Этот язык программирования появился в 2014 году и был призван заменить Objective-C в области разработки iOS приложений.

Некоторое время после этого Apple предлагала использовать связку Swift / UIKit, как наиболее продвинутый комплект средств разработчика, затем в 2019

году был представлен новый декларативный фреймворк SwiftUI. В отличие от императивного UIKit, SwiftUI не обязывает программиста подробно описывать каждый свой шаг, вместо этого разработчик описывает ряд инструкций (деклараций), а система принимает решение, как ей это реализовать наиболее эффективным образом. Декларативная верстка снижает требования к квалификации программиста, а также оберегает последнего от использования заведомо неэффективных моделей проектирования, предлагая отработанные паттерны верстки – MVVM (Model, View, View-Model) и Viper.

Android приложения в большинстве случаев используют фреймворк

Jetpack Compose и язык программирования Kotlin. Средства интегрированы в среде разработки Android Studio. Основным языком программирования на

Android до 2017 года был Java. Изменения были вызваны переходом от императивной верстки к декларативной, как и в случае с Apple. Аналогично сравнивая скорость выполнения кода в стресс тестах, приходим к выводу, что

Kotlin значительно превосходит Java.

Отдельный класс средств разработки составляют кроссплатформенные фреймворки, такие как Flatter (Dart) и Xamarin (C#). Их механизм работы позволяет унифицировать разработку на iOS и Android, добавляя новый слой абстракции. Разработчик составляет инструкции на локальном языке программирования, которые интерпретируются по-разному в зависимости от целевой платформы, и затем компилируются в некоторый промежуточный код, специфичный для платформы, например, классы Objective-C. Скорость разработки значительно возрастает. Разработчики становятся независимы от

25

ограничений, накладываемых конкретной версии iOS или Android, но и не получают всех новейших технологий. К тому же, сборка проекта требует больше времени, и, зачастую, полученный результат требует ручной доработки.

Кроссплатформенная разработка смотрит в будущее, фреймворки Flatter

и Xamarin набирают популярность, и все же, пока что нативные средства разработки под каждую из сред, iOS и Android, будут показывать лучшие результаты производительности и привлекательности готового продукта.

1.2.5 Форма обратной связи с врачом

Среди телекоммуникационных технологий современности, видеосвязь занимает лидирующие позиции – это быстро, удобно и позволяет использовать электронные доски для взаимодействия на расстоянии. В сфере здравоохранения видеоконференции могли бы использоваться для проведения консилиумов, совместном анализе снимков компьютерной томографии и обсуждении истории болезней пациента специалистами из разных регионов.

Так уже с начала 2001 года в Японии средства телекоммуникации применяются для обмена опытом врачами с островных и материковых регионов страны [23].

Впрочем, для целей мониторинга пациентов с гестационным диабетом традиционно ограничиваются лишь анализом электронных дневников пациентов и иногда фотографиями бумажных. Тем не менее австрийские исследователи пришли к выводу, что персональный контакт в форме обычного телефонного звонка, мотивирует пациентов тщательнее следовать курсу терапии и улучшает средние показатели контроля гликемии, а применение видеоконференций повышало уровень доверия к специалисту [24].

Согласно результатам систематического обзора темы применения телемедицинских приложений в сфере здравоохранения в 2013 году,

комбинация традиционных методов лечения и удаленного мониторинга улучшило контроль гликемии у пациентов с сахарным диабетом [25]. Более

26

позднее рандомизированное исследование также демонстрирует перевес в пользу применения систем электронного здравоохранения по сравнению с контрольной группой [26].

Несмотря на растущую популярность и всеобщую удовлетворенность применением e-Health систем нового поколения, врачи выражают опасения в связи со снижением физического контакта и, как следствие, контроля над ходом терапии [27]. Поэтому, мы предлагаем сохранить персональные консультации, но снизить их частоту.

1.3 Структура данных

Для организации работы системы удаленного мониторинга требуются разные подходы к обмену данными: между подключаемой электроникой и телефоном, телефоном и веб-сервером, телефоном и компьютером врача (см.

рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема обмена данными

Помимо этого, накопленная информация в должна сохраняться в некотором виде в памяти персонального мобильного устройства для поддержания работы приложения и, по истечении некоторого срока,

копироваться на серверную базу данных. Так исследователи получат бесценный источник данных для проведения углубленных исследований гестационного диабета.

27

1.3.1 Выбор системы управления базы данных

Система управления базами данных (СУБД) – это совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных [28].

SQLite – широко используемый формат для хранения локальных данных, простота его архитектуры снижает накладные расходы, время отклика и упрощает приложение. Однако, у этого подхода есть существенный недостаток: по умолчанию SQLite не поддерживает специфические для сервера операции многократной записи. Если вам необходимо выполнить несколько одновременный операций чтения и записи, можно использовать протокол Write-Ahead Logging (WAL), что значительно снизить производительность и лишит SQLite его главного конкретного преимущества [29].

Следует уточнить, что современные приложения редко используют чистый движок SQLite, чаще инструменты разработчика включают произвольные обертки над ним, например, Core Data от Apple. Такой подход позволяет сэкономить значительное время разработки, предоставляя более совершенные структуры и форматы хранения данных, решая проблемы кодирования текстовой информации, оптимизируя SQL-запросы, сжимая хранимые индексы и добавляя множество других возможностей, без которых не может существовать архитектура локального хранения данных современного приложения [30].

Учитывая особенности СУБД SQLite, будет разумно остановить свой выбор на ней для описания внутренней структуры данных мобильного приложения. Но это не решит проблему связи между приложением и удаленным сервером, поэтому было рассмотреть альтернативу в качестве клиент-серверной СУБД PostgreSQL. Ее основными преимуществами являются: неограниченный размер и легкая расширяемость. Кроме того,

PostgreSQL является объектно-реляционной СУБД, что делает ее невероятно

28

гибкой в использовании. Она поддерживает широкий спектр нестандартных типов данных, пользовательские объекты и позволяет хранить и извлекать сложные структуры данных, недоступные в реляционных базах данных, таких как MySQL [31].

Клиент-серверная СУБД обеспечит синхронизацию между несколькими пользовательскими устройствами и регулярное резервное копирование. Ее использование позволит организовать централизированных сбор биомедицинских данных, таких как клинический анализ крови, оценка прогресса в достижении целевых показателей гликемического контроля,

мониторинг динамики физической активности и направления изменения веса.

1.3.2 Выбор формата хранения и передачи данных

Для обмена информацией между подключаемым Bluetooth устройством,

таким как фитнес-трекеры, неинвазивные мониторы глюкозы или помпы разработчики используют CSV (Comma-Separated Values) формат. Это текстовый файл, где каждая колонка отделена от другой запятой или точкой с запятой. Microsoft Office Excel может использовать CSV, как подключенный источник данных, и открывать подобно xlsx файлам. Формат популярен благодаря своей простоте и большому числу библиотек, поддерживающих экспорт и редактирование текстовых файлов.

Согласно архитектурному стилю REST (Representational State Transfer)

обмен запросами и ответами между серверным API и мобильным приложением происходит по протоколу HTTP (HyperText Transfer Protocol)

или его защищенному расширению HTTPS (HyperText Transfer Protocol Secure). Для передачи данных, также как и в предыдущем случае, в тело запроса передается текстовый файл, но на этот раз в формате JSON (JavaScript Object Notation) или XML (Extensible Markup Language). JSON проще читается и меньше весит, он занимает доминирующую позицию в REST.

Предобработанные, структурированные данные передаются на персональный компьютер или мобильное устройство врача для последующего

29

анализа. Табличная форма обеспечит достаточный уровень визуализации, но для удобства анализа необходимо обеспечить возможность расширенного взаимодействия специалиста с данными. Microsoft Excel позволяет применять распространенные методы статистического анализа, строить диаграммы, а

также фильтровать и применять маски. Масками называют функции,

преобразующие выделенные диапазон данных некоторым образом, например,

цветовое кодирование. Таблицы Excel также могут быть открыты в среде профессионального статистического анализа IBM SPSS Statistics.

1.4 Прогнозирование уровня сахара в крови

Поиск моделей, клинически достоверно описывающих отклик постпрандиальной гликемической кривой, начался еще в предыдущем веке [32]. Мы предлагаем рассмотреть возможность реализации модели прогнозирования ППГО для пациенток с ГСД на основе данных, собираемых разрабатываемым нами мобильным приложением удаленного мониторинга больных СД.

1.4.1 Анализ прогностически значимых признаков

Одна из первых попыток описать повышение уровня сахара в крови путем анализа потребленных продуктов питания была предпринята в Университете Торонто в 1996 году [33]. В ходе эксперимента исследователи пришли к выводу, что количество потребленных углеводов и гликемический индекс продуктов описывают до 90% вариабельности наблюдаемых средних реакций на глюкозу у здорового человека. Некоторое влияние оказывают белки, жиры, а также клетчатка, механизм работы которой замедляет процесс усвоения пищи и, следовательно, откладывает рост УСК [34]. Стоит рассмотреть возможность включения в модель и других нутриентов, а также их комбинаций, чтобы учесть вклад перекусов, предшествовавших основному приему пищи.

30