State of the Art in the Healthcare Cyber-physical Systems/ Veselības aizsardzības kiberfizikālo sistēmu apskats Современное состояние медицинских кибер-физических систем

Open access

Abstract

For several years, experts from different fields are interested in virtual and physical world interaction opportunities. Cyber-physical systems (CPSs) are developed to integrate real physical processes and virtual computational processes. CPSs are used in multiple areas such as medicine, traffic management and security, automotive engineering, industrial and process control, energy saving, ecological monitoring and management, avionics and space equipment, industrial robots, technical infrastructure management, distributed robotic systems, protection target systems, nanotechnology and biological systems technology. CPS sensors generate the sensitive data that must be protected and shared only in a secure manner. This paper provides an overview of CPSs, their application in medicine and compliance with existing standards and possibilities for further advanced system development.

Jau vairākus gadus dažādu nozaru speciālisti visā pasaulē interesējas par virtuālās un fiziskās pasaules mijiedarbības iespēju izmantošanu. Kiberfizikālo sistēmu pielietošanas mērķis ir integrēt reālus fiziskus procesus ar virtuāliem skaitļošanas procesiem. Pētījuma tēmas aktualitāte ir neapšaubāma un balstās uz to, ka kiberfizikālās sistēmas ir daudzsološa joma, kuras attīstība virza uz priekšu medicīnu. Kiberfizikālās sistēmas ir specializētas skaitļošanas sistēmas, kurām ir fiziskas mijiedarbības līdzekļi ar kontroles un vadības objektu. Iegultās sistēmās galvenais fokuss ir skaitļošanas elements, bet kiberfizikālās sistēmās - saite starp skaitļošanas un fizisko elementu. Kibefizikālās sistēmas tiek pielietotas tādās jomās kā medicīna, transporta plūsmu vadība, automobiļu būvniecība, industriālo un tehnoloģisko procesu vadība, enerģijas ekonomija, ekoloģijas monitorings un pārvaldība, avionika un kosmiskā tehnika, industriālie roboti, tehniskās infrastruktūras pārvaldība, sadalītas robottehnikās sistēmas, sistēmas aizsardzības mērķiem. Ir slimnīcas, kur jau tagad roboti pienes pacientiem ēdienu, šķiro pastu, maina gultasveļu, kā arī transportē pacientus uz operāciju zāli ar robotizētām gultām. Taču pilnībā automatizēta veselības aizsardzības sistēma vēl nevienā medicīnas iestādē nav ieviesta. Kiberfizikālo sistēmu izstrādei ir nepieciešamas gan zināšanas par datoriem, programmatūru, tīkliem, gan arī par fiziskiem procesiem, ar kuriem tiks integrēta izstrādājamā sistēma. Kiberfizikālo sistēmu izstrāde ir iteratīvs process, kas sastāv no 3 fāzēm: modelēšanas, izstrādes un analīzes. Pirms veselības aizsardzības kiberfizikālās sistēmas izstrādes ir vērts iepazīties ar medicīnas iekārtu standartiem un nolikumiem, kā arī klīnisko pētījumu standartiem, kurus apskatot un, identificējot izstrādājamās sistēmas galvenos uzdevumus, var uzsākt prasību definēšanu atbilstoši attiecīgajiem nolikumiem un standartiem.

На протяжении последних десятилетий специалисты из разных областей заинтересованы в исследовании возможностей взаимодействия реального мира с виртуальным. Кибер-физические системы - это специализированные вычислительные системы, которые включают в себя объекты взаимодействия с реальным миром, вычислительные объекты и систему коммуникации. Тема исследования весьма актуальна, так как кибер- физические системы являются многообещающей отраслью, развитие которой способствует развитию медицины в целом. Во встроенных системах главной является вычислительная часть, а в кибер-физических системах - связь между вычислительными и физическими элементами. В современном мире кибер-физические системы используются в медицине, в том числе в телемедицине, управлении транспортом и обеспечении безопасности, автомобилестроении, в распределённых роботизированных системах, управлении производственными и технологическими процессами. Существуют больницы, в которых уже сейчас роботы разносят еду пациентам, меняют постельное бельё, с помощью роботизированной кровати пациенты транспортируются в операционные залы, но полностью автоматизированная система здравоохранения ещё не введена ни в одном медицинском учреждении. Разработка кибер-физических систем невозможна без знаний о вычислительных системах, сетях, но ещё более важными являются знания о физических процессах, интегрируемых с виртуальными процессами. Процесс разработки кибер-физических систем является итеративным процессом и состоит из трех фаз: моделирования, разработки и анализа. На данный момент не существует стандартов и регламентов, относящихся именно к медицинским кибер-физическим системам, поэтому стоит ознакомиться со стандартами и регламентами разработки медицинских систем, а также со стандартами клинических исследований. Рассмотрев вышеупомянутые регламенты и стандарты и определив главные задачи разрабатываемой системы, можно начать процесс формулирования требований к медицинской кибер-физической системе

References

  • [1] “Cyber-Physical Systems Week” [Online]. Available: http://www.cpsweek.org/ [Accessed: Sept. 1, 2014].

  • [2] D. Patterson, J. Hennessy, Computer Organization and Design: The Hardware Ssoftware Interface. 5th edition. Morgan Kaufmann, 2013.

  • [3] “Cyber-Physical Systems” [Online]. Available: http://cyberphysicalsystems.org/ [Accessed: Sept. 1, 2014].

  • [4] A. Milenkovic, C. Otto, E. Jovanov, “Wireless sensor networks for personal health monitoring: issues and an implementation,” Computer Communications, vol. 29, no. 13-14, 2006, pp. 2521-2533. http://dx.doi.org/10.1016/j.comcom.2006.02.011

  • [5] R. Buyya, J. Broberg, A. Goscinski, Cloud Computing: Principles and Paradigms, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 2011. http://dx.doi.org/10.1002/9780470940105

  • [6] N. Wu and X. Li, RFID Applications in Cyber-Physical System, Deploying RFID - Challenges, Solutions, and Open Issues. InTech, 2011.

  • [7] Cyphers, Cyber-Physical Eurobean Roadmap & Strategy. Deliverable D5.1: CPS: State of the Art, 2014.

  • [8] Steering Committee for Foundations in Innovation for Cyber-Physical Systems, Foundations for Innovation: Strategic R&D Opportunities for 21st Century, 2013.

  • [9] AENEAS Industry Association, Part B of the 2014 ECSEL MARSIA, 2013.

  • [10] A. Koubaa, B. Andersson, “A Vision of Cyber-Physical Internet,” Proceedings of the 8th International Workshop on Real-Time Networks, Dublin, Ireland, 2009.

  • [11] S. Amin, G. Schwartcz, A. Hussain, “In Quest of Benchmarking Security Risks to Cyber-Physical Systems,” IEEE Network. Jan./Feb. 2013, pp. 19-24. http://dx.doi.org/10.1109/MNET.2013.6423187

  • [12] “Networking and Information Technology Research and Development Program,” High-Confidence Medical Devices: Cyber-Physical Systmes for 21st Century Health Care. NTRD, 2009.

  • [13] G. Schirner, D. Erdogmus, K. Chowdhury, T. Padir, “The Future of Human-in-the-Loop Cyber-Physical Systems,” Computer, IEEE computer Society Digital Library, 2013, pp. 36-45. http://doi.ieeecomputersociety.org/10.1109/MC.2012.428

  • [14] S. A. Haque, S. M. Aziz, M. Rahman, “Review of Cyber-Physical System in Healthcare,” International Journal of Distributed Sensor Networks, Hindawi Publishing Corporation, vol. 2014, p.20, 2014. http://dx.doi.org/10.1155/2014/217415

  • [15] E. Lee, S. Seshia, Introduction to Embedded Systems, A Cyber-Physical Systems Approach. 2014.

  • [16] Eiropas Savienības terminu vārdnīca. - R., UNDP, 2004.

Information Technology and Management Science

The Journal of Riga Technical University

Journal Information

Metrics

All Time Past Year Past 30 Days
Abstract Views 0 0 0
Full Text Views 19 19 19
PDF Downloads 3 3 3