Телеультразвуковые исследования с использованием смартфонов и одноплатных компьютеров

Полный текст

ОБОСНОВАНИЕ

В настоящее время отмечается увеличение производительности мобильных устройств, при этом происходит снижение их стоимости. Эти факторы приводят к расширению сферы применения мобильных устройств, в том числе в медицине и телемедицине [1–3].

Частным случаем телемедицины является телеультра-звуковое исследование (телеУЗИ) [4] ― метод диагностики, при котором врач-специалист ультразвуковой или функциональной диагностики получает и анализирует информацию с дистанционно расположенного ультразвукового аппарата и высылает обратно заключение или рекомендации. Для осуществления этого процесса необходимо наличие специального программно-аппаратного комплекса.

Известны случаи реализации телеУЗИ посредством смартфона [5–8], когда изображение с экрана УЗ-сканера захватывалось камерой смартфона и передавалось получателю при помощи коммуникационных программ. Данный способ имеет большой плюс в виде отсутствия необходимости применения дополнительного оборудования, однако имеет и определённые трудности выполнения: требуется привлечение дополнительных сотрудников или специальных удерживающих устройств для смартфона при записи исследования; кроме того, качество УЗ-изображений, доставленных эксперту, снижается по сравнению с оригинальным.

В настоящее время существуют мобильные устройства видеозахвата, которые могут быть подключены не только к персональному компьютеру, но и к таким мобильным устройствам, как одноплатные компьютеры и смартфоны.

Цель исследования ― изучить технические возможности реализации телеУЗИ при помощи одноплатных компьютеров и смартфонов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Программное обеспечение

В исследовании использовали УЗ-сканеры Sequoya 512 Acuson и SonoAce-8000. В качестве добровольца, которому выполнялось стандартное ультразвуковое исследование брахиоцефальных артерий врачом функциональной диагностики, выступал один из авторов исследования. На основании экспертного анализа (3 врача функциональной диагностики с опытом работы более 10 лет) проводилась субъективная оценка качества изображения, возможность его интерпретации, для чего фрагменты проводимого исследования сохранялись на УЗ-сканере в виде кинопетель длительностью по 5 сек, а затем циклически воспроизводились на УЗ-сканере. Всего было записано 9 кинопетель, по 3 для каждого режима: только B-режим; B-режим + цветовое допплеровское картирование, В-режим + спектральный допплер. У эксперта была возможность в режиме реального времени оценить изображение на экране монитора УЗ-сканера и на экране устройства клиента, при этом вышеописанная методика позволяла экспертам оценивать результаты работы разных программно-аппаратных комплексов на одном и том же исследовании (кинопетле).

В работе были использованы USB-камера Defender С-090 и бюджетные системы видеозахвата с УЗ-сканера. Так как в качестве аналогово-цифрового преобразователя в бюджетных устройствах применятся два типа микросхем (чипсетов) ― UTV007 и AMT630A, в работе были апробированы оба варианта:

1) Gembird UVG-002 ― устройство видеозахвата на базе чипсета UTV007 с разрешением 720×576 при 25 кадрах в секунду;

2) Espada USB 2.0 – RCA/S-video EUsbRca63 (далее по тексту EUsbRca63) ― устройство видеозахвата на базе чипсета AMT630A с разрешением 720×576 при 25 кадрах в секунду.

В исследовании на сервере использовалось следующее программное обеспечение (ПО):

• VLC Version 3.0.8 ― свободно распространяемое ПО, предназначенное для передачи и воспроизведения видео; имеет возможность потокового вещания видео с внешних устройств. Данное ПО функционирует под разными операционными системами, в том числе Linux и Android. В работе использовалось одновременно на сервере и клиенте телемедицинской системы;
• Motion Release 3.0 ― свободно распространяемое ПО, предназначенное для работы с камерами видеонаблюдения, ориентированное на обнаружение движения в кадре. Данное ПО функционирует под операционной системой Linux, устанавливалось на одноплатные компьютеры. Возможна работа в качестве фонового процесса, однако данное ПО способно транслировать только изображения, не позволяя передавать звук. Доступ осуществлялся с идентификацией пользователя и по паролю;
• USB Camera Version 7.9. ― свободно распространяемое ПО, предназначенное для передачи изображения с USB-камер; использовалась некоммерческая версия для работы в качестве сервера на Android-устройствах.

Основным критерием выбора программного обеспечения была возможность работы на различных операционных платформах. Далее осуществлялась оценка возможности функционирования представленных программных и аппаратных решений в качестве телемедицинской системы. Оцениваемый параметр ― скорость передачи данных (указывается в виде среднего ± SD). Для статистической обработки результатов использовался программный продукт Microsoft Excel.

Телемедицинская система

Телемедицинская система состоит из сервера и клиента. В контексте настоящей работы под сервером подразумевается программно-аппаратный комплекс, осуществляющий передачу видеоизображения с УЗ-сканера. Клиентом является устройство, принимающее и воспроизводящее видеоизображение. Связь клиента с сервером осуществлялась по локальной сети через Wi-Fi-роутер с пропускной способностью 72 Мбит/с. При проведении тестирования выбиралось максимально доступное качество видеосигнала (максимальное разрешение и максимальная частота кадров). Клиент подключался к серверу по протоколам, поддерживаемым установленным ПО: HTTP и RTSP. Программы клиента, необходимые для воспроизведения видеоизображения: VLC ― при работе с протоколом RTSP, для HTTP ― Google Chrome на Windows 7 и Android, Chromium ― на Raspberry Pi. Каждое ПО, установленное на сервере, поддерживало свой кодек: JPEG (Motion), VideoH.264 (VLC), H.264 (USB Camera).

Реализовано 2 варианта подключения (рис. 1).

1. Сервер ― смартфон (Android 7.0, 8-ядерный процессор 2 ГГц, 3 Гб оперативной памяти, или Onyx Max3 Android 9.0, 8-ядерный процессор 2 ГГц, 4 Гб оперативной памяти), соединённый с устройством видеозахвата посредством OTG-USB кабеля. Устройство видеозахвата подключено к видеовыходу УЗ-сканера. Клиент ― ноутбук на базе AMD E-450 APU, 8 Гб ОЗУ, 64 bit OS Windows 7 или смартфон.
2. Сервер ― одноплатный микрокомпьютер (Raspberry Pi 1 Model B, CPU 700 МГц, 512 Мб или Raspberry Pi 4, CPU Quad core Cortex 1,5 ГГц, 4 Гб с установленной ОС Linux версия 4.19.118-v7+), соединённый с устройством видеозахвата посредством USB-кабеля, с USB-веб-камерой. Raspberry Pi 1 не имел Wi-Fi-модуля и подключался к роутеру через LAN-кабель. Клиент ― ноутбук на базе AMD E-450 APU, 8 Гб ОЗУ, 64 bit OS Windows 7 или смартфон.

 

Рис. 1. Схема подключения.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

УЗ-сканеры. На УЗ-сканере Sequoya 512 были протестированы два видеовыхода: коаксиальный выход для подключения видеопринтера и S-Video-выход для подключения видеомагнитофона. При анализе изображения на выходе для видеопринтера было получено чёрно-белое изображение, часть которого выходила за поля устройств видеозахвата. Напротив, при подключении к S-Video-выходу удалось получить цветное изображение, соответствующее оригиналу на экране монитора УЗ-сканера. Sequoya 512 использовался совместно с системами на основе Raspberry Pi. SonoAce-8000 использовался для реализации телеУЗИ на базе Android-устройств. В качестве видео-выхода был выбран, как и в предыдущем случае, S-Video.

UVG-002. Данное устройство успешно определялось на всех мобильных устройствах и нормально функционировало со всеми тестируемыми программами. Обеспечивало заявленное максимальное разрешение на всех устройствах. Максимальная частота кадров была достигнута на всех устройствах, кроме Raspberry Pi 1.

EUsbRca63. Данное устройство успешно определялось на всех мобильных устройствах и нормально функционировало со всеми тестируемыми программами, кроме VLC на Raspberry. Заявленное максимальное разрешение ни на одном из устройств достигнуто не было, максимальное разрешение составило 640×480.

USB-камера. Была успешно определена на всех мобильных устройствах и нормально функционировала со всеми тестируемыми программами. Максимальное разрешение 640×480, частота кадров 30 в секунду.

ПО Motion. Было сконфигурировано для работы в качестве сервера: непрерывная регистрация и передача изображения с видеоустройств с максимальным разрешением. Из-за низкой производительности Raspberry Pi 1 данная программа способна была выдавать 1–1,5 кадра в секунду. Этих недостатков был полностью лишён Raspberry Pi 4, позволяя одновременно запускать несколько процессов без снижения качества транслируемого видео.

ПО VLC. Успешно было установлено на Raspberry Pi 4, позволяя вести потоковое вещание с внешних устройств видеозахвата. Успешно была реализована также одновременная работа двух приложений VLC с захватом видео с устройства видеозахвата и веб-камеры, при этом качество изображения и частота кадров соответствовали максимальной. Была протестирована также возможность одновременной работы VLC и Motion на Raspberry Pi 4. VLC было установлено на Android-устройства, но в этой версии не позволяло работать в качестве сервера, а функционировало только в режиме клиента. В режиме клиента использовалось также на Windows-ноутбуке.

ПО USB-Cam. Реализация телемедицинского сервера на основе данного ПО оказалась крайне чувствительной к качеству канала связи. Так, было выявлено, что при уровне сигнала ниже 80 дБ происходил разрыв соединения, при этом не было разницы в том, с какой стороны низкое качество связи ― со стороны сервера или со стороны клиента.

ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам проведённого исследования мы выявили перечень устройств и программных решений для реализации мобильных систем телеУЗИ. Результаты тестирования представлены в табл. 1: устройство видеозахвата на базе чипсета UTV007 позволяет получить субъективно более качественное изображение по сравнению с устройством на базе чипсета AMT630A. Устройство UVG-002 способно работать на всех платформах и со всем использованным ПО и продемонстрировало высокое качество картинки.

 

Таблица 1. Результаты тестирования ПО и устройств видеосигнала

Параметры		Motion	VLC	USB-Cam
Кодек		JPEG	VideoH.264	H.264
Протокол подключения		HTTP	HTTP, RTSP	HTTP
Скорость передачи, Мбит/с	UVG-002	18,7±2,8	0,64±0,17	5,2±0,3
	EUsbRca63	8,6±1,4	-	4,4±0,2
	Webcam	15,3±5	0,49±0,19	2,0±0,1

 

Модуль видеозахвата EUsbRca63 показал удовлетворительное качество работы на мобильных устройствах. Нам не удалось настроить работу данного устройства с VLC, несмотря на то, что ПО Motion EUsbRca63 работало с тем же драйвером без сбоев. Качество получаемого УЗ-изображения оказалось крайне низкое на всех платформах: надписи на изображении были трудночитаемы, адекватная оценка УЗ-изображения при таком качестве невозможна.

Выбирая оптимальное ПО, необходимо определиться с платформой, на которой планируется развёртывать сервер телеУЗИ. Так, в случае со смартфоном на базе Android единственным из рассмотренного ПО подойдёт USB-Cam, но реализация телеУЗИ в таком исполнении окажется требовательной к пропускной способности канала связи. В нашем случае пропускная способность канала для передачи данных УЗИ равнялась 4,4–5,2 Мбит/с, что на практике может быть труднодостижимо при работе в сетях сотовой связи. Напротив, при подключении к Wi-Fi данное требование к пропускной способности канала связи уходит на второй план. В ходе выполнения тестирования была выявлена повышенная чувствительность данного программно-аппаратного комплекса к качеству Wi-Fi-сигнала (т.е. удалённости от точки доступа). Эти факты накладывают серьёзное ограничение на возможность применения данной реализации телеУЗИ в мобильных сетях.

В настоящее время одноплатные компьютеры начинают активно использоваться в телемедицине [9, 10]. На наш взгляд, оптимальной платформой для реализации телеУЗИ являются одноплатные компьютеры последних лет. Участвующие в тестировании модели Raspberry Pi показали существенное увеличение вычислительной мощности: первое поколение Pi 1 способно было реализовать только передачу видео со скоростью не более 1,5 кадров в секунду (минимальная частота кадров на УЗ-сканере в нашем исследовании 16 кадров в секунду), что, по мнению экспертов, недостаточно для реализации на нём сервера телеУЗИ, но данное устройство способно выступить в этой системе в качестве клиента. Raspberry Pi 4 продемонстрировало высокую производительность, осуществляя одновременную трансляцию двух видеопотоков.

Увеличившаяся вычислительная мощность одноплатных компьютеров позволяет реализовывать технологии машинного обучения [11, 12], в том числе в медицине [13]. Имеющийся запас вычислительной мощности одноплатного компьютера может быть достаточным для развёртывания на нём параллельно с сервером телеУЗИ системы поддержки принятия врачебных решений для оценки УЗ-изображений на предмет патологии.

Выбирая между ПО Motion и VLC, необходимо руководствоваться пропускной способностью канала связи. Так, для функционирования одного видеопотока для VLC, по нашим данным, требуется 0,5–0,6 Мбит/с, а для Motion требуется минимум в 10 раз большая пропускная способность. По литературным данным, скорость подключения от 0,6 Мбит/с [14] до 1,5 Мбит/с [15] является минимально допустимой для комфортной работы удалённо расположенного эксперта при условии частоты смены кадров 15 в секунду и сохранении оригинального разрешения видео. Если необходима передача только изображения с экрана УЗ-сканера и нет ограничения по пропускной способности канала связи, оптимальным решением является ПО Motion, позволяющее автономно запускаться и развёртывать сервер телеУЗИ без участия человека. В иных случаях можно сделать выбор в пользу VLC. В нашем исследовании продемонстрирована также возможность одновременной работы двух разных систем.

В предыдущей работе [16] мы показали возможность использования стриминговых технологий в телеУЗИ на базе персонального компьютера, однако благодаря применению смартфонов и одноплатных компьютеров телеУЗИ способно стать ещё более мобильной методикой: устройство для реализации сервера телеУЗИ с необходимыми кабелями легко помещается в карман врача, позволяя ему держать комплект подключения наготове, и в случае необходимости организовать трансляцию исследования за считанные секунды.

Ограничения исследования

В настоящем исследовании проводился анализ работы только двух моделей УЗ-сканеров, тем не менее мы можем сделать предположение, что данное техническое решение подойдёт и для других УЗ-сканеров, имеющих аналогичный или иной поддерживаемый видеовыход. В настоящее исследование была включена лишь малая часть современных мобильных устройств, устройств видеозахвата, а также программного обеспечения для работы с устройствами видеозахвата и веб-камерами, однако нам удалось создать несколько функционирующих бюджетных систем для реализации мобильного телеУЗИ. Главная задача, поставленная перед авторами этого исследования, заключалась в поиске наиболее доступного способа реализации телеУЗИ. Так, расходы на мобильное устройство (Raspberry Pi4) и модуль видеозахвата на момент выполнения работы не превышали 6000 рублей, на сегодняшний день аналогичная комплектация стоит от 12 000 рублей. Используемое в работе ПО (Motion, VLC, USB-Cam) имело свободную лицензию или распространялось с открытым исходным кодом. Предполагается наличие установленной операционной системы (Windows, Linux, Android) на устройствах, входящих в состав телемедицинской системы.

При проведении такого рода исследований необходимо также учитывать пропускную способность [17] и защищённость каналов связи, по которым производится передача медицинских данных [3]. Одним из возможных способов обеспечения безопасности передаваемых данных является организация VPN-туннелей, однако изучение вопросов информационной безопасности при проведении телеУЗИ не является целью данной работы. Настоящее исследование отличается от аналогичных тем, что предложено новое техническое решение для телеУЗИ.

В настоящее время существуют портативные УЗ-системы для проведения ультразвуковых исследований, в том числе с функцией передачи изображения (телеУЗИ), например Butterfly iQ+Butterfly Network Inc., Kosmos EchoNous, Vscan Air General Electric и Lumif Philips Healthcare, однако эти системы дорогостоящие (от 500 000 рублей) и не обладают всеми качествами, необходимыми для полноценного исследования на стационарном УЗ-сканере [18]. Преимуществом предлагаемого нами подхода является использование ультразвукового оборудования, входящего в стандарт оснащения кабинета ультразвуковой диагностики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование устройств на базе одноплатных компьютеров и смартфонов позволяет реализовать бюджетную телеультразвуковую систему, что потенциально способствует повышению качества выполняемых исследований за счёт дистанционного обучения и консультирования врачей. Данные решения могут применяться также в удалённых регионах, для задач «полевой» медицины и других возможных направлений мобильного здравоохранения.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: К.М. Арзамасов ― разработка дизайна исследования, доброволец при проведении исследования; К.М. Арзамасов, Т.М. Бобровская ― анализ данных; К.М. Арзамасов, Т.М. Бобровская, В.А. Дроговоз ― интерпретация данных; К.М. Арзамасов, В.А. Дроговоз ― написание текста рукописи.

Благодарности. Авторы выражают благодарность сотрудникам НПКЦ ДиТ врачу функциональной диагностики д.м.н. Д.В. Шутову и ведущему научному сотруднику к.м.н. А.Е. Демкиной за помощь в проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. K.M. Arzamasov — research design development, research volunteer; K.M. Arzamasov, T.M. Bobrovskaya — data analysis; K.M. Arzamasov, T.M. Bobrovskaya, V.A. Drogovoz — data interpretation; K.M. Arzamasov, V.A. Drogovoz — writing the text of the manuscript.

Acknowledgments. The authors are grateful to collaborators of Moscow Center for Diagnostics and Telemedicine: doctor of functional diagnostics, MD PhD D.V.Shutov and the leading researcher, MD PhD A.E. Demkina for their help in this study.

Об авторах

Кирилл Михайлович Арзамасов

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: ArzamasovKM@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0001-7786-0349
SPIN-код: 3160-8062

к.м.н.

Россия, Москва

Виктор Анатольевич Дроговоз

Научно-производственное объединение «Русские базовые информационные технологии»

Email: Vdrog@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9582-7147
SPIN-код: 1804-2636

к.т.н.

Россия, Москва

Татьяна Михайловна Бобровская

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий

Email: BobrovskayaTM@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0002-2746-7554
SPIN-код: 3400-8575

MD

Россия, Москва

Антон Вячеславович Владзимирский

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий; Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова (Сеченовский Университет)

Email: VladzimirskijAV@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0002-2990-7736
SPIN-код: 3602-7120

д.м.н.

Россия, Москва; Москва

Список литературы

Дополнительные файлы