Мониторинг и предиктивная аналитика состояния здоровья сотрудников. Носимые датчики и устройства (wearables) для создания СИЗ «Умная одежда

Основная цель нового исследования J’son & Partners Consulting – анализ мирового рынка алгоритмов (моделей), на основе которых можно строить предиктивную аналитику по состоянию здоровья сотрудников опасных производств в горнодобывающей, нефтехимической и др. отраслях. Анализ таких алгоритмов позволил выделить ключевые для мониторинга параметры состояния человека (Vital Signs). Параллельно был также проведен анализ рынка носимых датчиков по сбору информации о состоянии человека и окружающей среды. Как результат, - разработаны рекомендации по созданию на основе лучших образцов комплексных перспективных средств индивидуальной защиты (СИЗ или PPE) класса «Умная одежда».

В мире существует уже достаточно большое число алгоритмов оценки состояния персонала в различных отраслях с учетом их специфики, которые могут быть положены в предиктивные аналитические системы. Кроме того, имеются разнообразные модели машинного обучения, созданные для решения специфических медицинских задач и прогнозирования состояния человека. Как правило, в этом случае речь идет о пост-госпитальной реабилитации или наблюдении людей с хроническими заболеваниями. Проводятся также различные исследования, в т.ч. и в России, с использованием моделей машинного обучения для прогнозирования состояния определенных групп населения, и еще не дошедшие до стадии коммерческой реализации. 

В целом, для такой сложной биологической системы как человек, классификация его состояния требует использования комплекса показателей, значимых для диагностики. Эти показатели характеризуют функционирование различных систем организма – прежде всего, сердечно-сосудистой, а также дыхательной, нервной, опорно-двигательной и др. Организм при воздействии на какую-либо его систему для обеспечения гомеостазиса (динамического постоянства внутренней среды и основных физиологических функций) вносит изменения в функционирование других систем организма. 

Научные исследования показывают, что для мониторинга всех жизненно-важных показателей человека (ЧСС/пульс, давление, частота дыхания, температура, уровень кислорода в крови) достаточно четырех типов датчиков, которые снимая и с помощью известных алгоритмов сопоставляя сигналы, могут выдавать все необходимые данные. На основе их показателей можно создать мультисенсорную «умную одежду», способную закрыть потребность в мониторинге большинства необходимых параметров для сотрудников: ЭКГ/ECG, ФПГ (фотоплетизмограмма, PPG), Электродермальная активность кожи (GSR) и датчик температуры.

Датчики PPG и температуры де-факто стали стандартом для большинства коммерческих фитнес-устройств, реже встречаются датчики GSR (стресс/эмоции). Именно сравнительно простые оптические датчики PPG, с использованием различных алгоритмов обработки, позволяют получать как ЧСС, так и артериальное давление, частоту дыхания, насыщенность крови кислородом (SpO2), а также вариабельность сердечного ритма. В комплекте с датчиками движения (акселерометр, гироскоп, GPS) это позволяет с приемлемой погрешностью использовать простые массовые устройства для решения очень большого круга задач. 

Рис. 1. Возможности извлечения ключевых жизненно-важных параметров человека четырьмя типами сенсоров (ECG, PPG, GSR, температура)

Источник: Majumder et al., 2017¹ 

Что же касается удаленного снятия ЭКГ, самого «глубокого» показателя, а самое важное, - более точного и максимально приближенного к эталонным стационарным амбулаторным решениям, на основе которого можно делать далеко идущие выводы (ЧСС, давление, дыхание, вариабельность сердечного ритма или уровень кислорода в крови, а также потенциальная диагностика практически всех заболеваний), то пока эта сфера остается уделом узкоотраслевых решений. Как правило, для снятия ЭКГ используются датчики на пластыре, которые крепятся в области грудной клетки для постоянного ношения в течение 1-7 дней. Либо такие решения представлены столь же узкоспециализированными футболками из проводящего текстиля. Плюс последнего форм-фактора в удобстве ношения и том, что футболка позволяет разместить большее количество датчиков (помимо отведений ЭКГ, это температура, дыхание и т.д.), а также нательное устройство, совмещающее функцию аккумулятора и агрегатора получаемых данных/коммуникатора. Футболка также является предпочтительным вариантом для создания комплексного СИЗ, когда на базе нее агрегируются все физиологические параметры, а поверх - надевается защитный комбинезон (и/или каска), на которых крепятся датчики анализа окружающей среды.

^{1 Majumder et al. Wearable Sensors for Remote Health Monitoring. Sensors 2017, 17, 130; doi:10.3390/s17010130. Access: https://www.mdpi.com/1424-8220/17/1/130}

На основе открытых научных статей медицинской тематики, по разным оценкам, существует уже более 100 различных алгоритмов оценки, интерпретации, сопоставления различных физиологических показателей и построения на их основе прогнозных моделей. Большинство из них в той или иной степени учитывают показатели сердечно-сосудистой системы как интегрального среза состояния человека.

Говоря о выборе типа алгоритма для оценки общефизиологического состояния человека, можно остановиться на двух, основанных на прямом анализе ЭКГ и опосредованном снятии показаний через PPG. Оба варианта позволяют снимать и определять базовые показатели, но ЭКГ точнее (и дороже), приближаясь к профессиональным амбулаторным аналогам, в то время как PPG проще и дешевле (больше погрешность). Оба способа имеют сильные и слабые стороны, но алгоритмы на их основе позволяют снимать вариабельность сердечного ритма (HRV) – необходимый инструмент для измерения стресса, общей физиологической нагрузки, усталости, который служит для предотвращения перенапряжения и возможных несчастных случаев на производстве. Касательно монотонных профессий (водители, операторы АСУ и т.д.), стоит обратить внимание на анализ данных с датчиков GSR (электродермального сопротивления) и его комбинации.

Что касается анализа параметров окружающей среды, то на рынке уже существуют портативные и носимые устройства, но предназначены они, как правило, для массового рынка с соответствующими задачами (качество воздуха, содержание мелкодисперсных частиц, черного углерода, уровень радиации). Уровень шума и внешней освещенности, а также давления – становятся все более распространенным и стандартным функционалом у многих носимых коммерческих устройств ведущих производителей. Однако, что касается решения узкоотраслевых задач (мониторинг горючих газов, предупреждение о высоком напряжении), то пока на рынке представлены лишь специализированные монофункциональные устройства. Интеграция их возможностей, в т.ч. и в части мониторинга физиологических параметров человека – задача ближайшего будущего. 

Что касается возможностей и воспроизводимости таких технологий в России, то задача комплексирования датчиков снятия физиологических параметров человека и датчиков анализа окружающей среды (как общих, так и специализированных) находится на той же стадии решения, что и во всем мире – готовых комплексных и коммерчески доступных решений пока нет, исследования и разработки продолжаются, часть технологий пилотируется. 

Кроме того, существует по меньшей мере два решения, на основе которых в перспективе можно создать «умную» одежду/СИЗ для применения в горнодобывающей и нефтегазовой отраслей – это работы компании IQ-Beat по дополнению футболки с ЭКГ внешним комбинезоном с размещением в нем датчиков анализа окружающей среды (газоанализаторы, температура). И решение на базе системы радиосвязи с функцией мониторинга производственных условий «Гудвин-Нева», которую возможно дополнять внешними устройствами, как газоанализаторами/дозиметрам/датчиками высокого напряжения, так и датчиками ЭКГ/фитнес-браслетами. Еще одним возможным вариантом создания полноценного СИЗ является расширение функционала «Биотелеметрии» - отраслевого решения интегратора ITPS для нефтегазового сектора на базе браслета российской разработки HealBe GoBe2 (дополнение ЭКГ и датчиков анализа внешней среды). Альтернативным вариантом для IQ-Beat может стать также диагностическая система «Скринфакс» компании «Медскрин» для диагностики более 40 заболеваний по ЭКГ (4 отведения) – пока в коммерческой эксплуатации находится лишь стационарная версия, но компания работает над более компактным решением, подходящим уже для носимых устройств (2020 г.).

Задача комплексирования датчиков анализа физиологии человека и окружающей среды с созданием на их основе комплексного коммерчески доступного решения СИЗ в мире еще не решена. Как и в России – уже отработаны и доступны отдельные элементы промышленного класса (газоанализаторы, футболки с ЭКГ, датчики напряжения, умные браслеты и т.д.), ведутся первые опыты и пилотные проекты по их интеграции.

Рис. 2. Элементы перспективного СИЗ «Умная одежда», доступные на рынке уже сегодня

Источник: J’son & Partners Consulting на основе сайтов производителей

Устройства, считывающие ЭКГ напрямую или оснащенные более простыми PPG-датчиками по состоянию сердечно-сосудистой системы могут с большой долей вероятности определять общефизиологическое состояние сотрудника. Сопоставление этих данных с температурой, частотой дыхания и потоотделением, а также анализом движений лишь увеличивает корреляцию, зачастую не требуя сопоставления с данными окружающей среды чтобы понять, что ЧП уже произошло. В этом случае остается лишь максимально быстро информировать других сотрудников и оказать помощь пострадавшим. В этом плане использование дополнительных специализированных носимых устройства и датчиков (что предполагается перспективным СИЗ), к примеру, по регистрации высокого напряжения или различных газоанализаторов, направлено, прежде всего, на своевременное оповещение человека до захода в «красную» зону, предотвращение ЧП и избежание производственных травм. 

Для мониторинга базовых физиологических параметров человека целесообразно выделить четыре ключевых типа датчиков, на основе показаний которых можно вычислить все остальное. Это датчик ЭКГ, ФПГ (PPG), датчик электродермальной активности кожи (GSR) и датчик температуры. Также для СИЗ «умной одежды» необходимы датчики движения, гироскопы, акселерометр и дополнительные датчики анализа состояния окружающей среды, обусловленные спецификой той или иной отрасли (для горнодобывающей и нефтегазовой – это температура и газоанализаторы).