Теоретические аспекты цифровых технологий. Лекция 1

1.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Лекция 1.

2.

Цифровые технологии — от лат. Digital technology —
технологии со своим программным обеспечением, которые
созданы с помощью вычислительной техники.
Одно из значений слова digital — «палец». Человечество на
протяжении своей истории использовало для счета целых
чисел пальцы. Поэтому вначале определение digital
применялось к целым числам, которые меньше десяти.
Современное значение понятие цифровых технологий
приобрело в связи с появлением новых вычислительных
машин.

3.

Открытие логарифмов Джоном Непером позволило создать
инструменты для расчета. Вильгельм Шиккард изобрел
вычислительную машину. Блез Паскаль построил первое устройство
сложения. Готфрид Лейбниц сконструировал ступенчатый
калькулятор и разработал формальную логику.
Логика свелась к бинарной (двоичной) системе счисления — основам
информационного счисления. Числа в этой позиционной системе
записываются с помощью только двух символов — нуля и единицы.
Карл Лейбниц доказал, что в данном множестве действуют все
арифметические операции. Поэтому с развитием электронновычислительных машин двоичная система подошла для
программирования и организации информационных данных в памяти
устройств. Их программирование осуществляется языком цифрового
кода — последовательностью нулей и единиц.
В основе цифровых технологий заложены способы кодирования и
передачи информации для быстрого решения задач.

4.

Цифровые технологии работают с дискретными, а не с непрерывными
сигналами.
Информация передается в виде двоичного кода, который
преобразовывается принимающим оборудованием. Код состоит из
битов.
Биты — двоичные числа из единиц и нулей, которые означают истина и
ложь соответственно; включение и выключение. Расположение нулей и
единиц определяет декодирование информации.
С помощью цифровых технологий хранят, обрабатывают и передают
данные. Например, смартфоны, облачные сервисы, сайты, интернет.
Сейчас цифровые технологии используют в разных сферах: бизнесе,
образовании, медицине, логистике.
Предшественник цифровых технологий — аналоговые, например
стационарные телефоны и радиоприемники. С их помощью также
передают данные. Они отличаются форматом передаваемых данных и
способом их обработки.

5.

Выделяют несколько основных видов цифровых технологий:
1.Искусственный интеллект и машинное обучение, глубокое обучение.
На основе данных об особенностях интеллекта и расшифровках
аспектов обучения машина может воспроизвести эти процессы.
Выделяют три группы систем искусственного интеллекта:
ограниченный искусственный интеллект (Narrow AI) — решение одной
конкретной задачи;
общий искусственный интеллект (AGI) — может выполнять много задач
как человеческий мозг;
сверхразумный искусственный интеллект — выше интеллекта
человека.
Машинное обучение — направление искусственного интеллекта,
включающее методы, с помощью которых можно обучить. Машины
получают данные и обучаются по ним. Например, решение класса
задач на распознавание образов.

6.

Глубокое обучение — подмножество машинного обучения ‒ использует
нейронные сети для решения реальных задач. Нейронные сети
имитируют человеческое поведение в процессе принятия решений.
2.Компьютерное зрение — область искусственного интеллекта,
направленная на анализ видео и изображений. Компьютер наделяют
набором методов, с помощью которых он извлекает информацию из
увиденного. Машины могут обнаруживать, отслеживать и
классифицировать объекты.
3.Нейросети — математическая модель, программа которой
функционирует подобно мозгу живого организма.
Сущность нейросетей заключается в построении
программы по принципу функционирования
биологических нейронных сетей. С помощью
нейронных сетей решают задачи классификации,
предсказания, распознавания.

7.

4. Блокчейн и криптовалюты.
Блокчейн — непрерывная цепочка блоков для хранения
информации, сформированная по определенным правилам.
Цифровые данные защищены от подмены и изменений.
Информацию преобразовывают в битовую строку
фиксированной длины — хешируют данные. В каждом блоке
блокчейна хранится информация о предыдущем блоке.
Например, база данных, в которой содержится список
сотрудников с транзакциями в системе, краткими
характеристиками информационных процессов.
Криптовалюта — разновидность цифровой валюты. Ее
количество определяется количеством данных расчетных
единиц, которое записывается в соответствующей позиции
информационного пакета протокола передачи данных.

8.

5. Большие данные или Big Data — структурированные или
неструктурированные массивы данных большого объема.
Их используют для статистики, анализа, принятия решений.
Источники сбора данных:
-социальные — действия человека в сети;
-машинные — информация от гаджетов;
-транзакционные — перевод средств при покупках,
поставках и операциях с банкоматами.
6.Телемедицина — обмен медицинской
информацией посредством использования
компьютерных и телекоммуникационных
технологий. Также дистанционное предоставление
списка медицинских услуг.

9.

7.Виртуальная и дополненная реальность.
Виртуальная реальность — искусственно созданная трехмерная цифровая среда,
нацеленная на передачу человеку информации через его органы восприятия. С помощью
сенсорных устройств человек может погрузиться в интерактивный мир.
Виртуальная реальность — правдоподобная, интерактивная, изучаемая, с эффектом
присутствия. Специалисты тщательно изучают психологию будущих пользователей. Связь с
реальным миром отсутствует.
Компоненты взаимодействия с виртуальной реальностью:
-голова — отслеживание положения. Гарнитура перемещает картинку согласно положению
головы пользователя. Система называется шестью степенями
свободы;
-движения — отслеживаются движения, что обеспечивает
передвижение человека по виртуальной реальности;
-глаза — датчик анализирует направление взгляда.
Дополненная реальность — виртуальный мир накладывается
на реальный. Человек получает информацию из двух
источников.

10.

8.Кибербезопасность — комплекс мер безопасности для
обеспечения защиты и конфиденциальности, целостности и
доступности данных.
Основные категории кибербезопасности:
-безопасность сетей;
-безопасность приложений;
-безопасность информации;
-операционная безопасность;
-аварийное восстановление и непрерывность бизнеса;
-повышение осведомленности.
9.Интернет вещей — Internet of Thing — подключенные к интернету
физические объекты, которые способны взаимодействовать между
собой и внешним миром. Строится на базе разветвленной сети
устройств, сенсорных датчиков, которые фиксируют определенные
параметры. Устройства идентифицируют с помощью специальных
меток или маркеров по принципу «свой-чужой».

11.

10. 3D-печать
На 3D-принтерах можно печатать практически всё: от запчастей для оборудования
до человеческих органов для пересадки. Специалисты, которые работают на
таком принтере моделируют объект, настраивают устройство и подбирают
материалы. Технология значительно упрощает производство и логистику.
Например, на 3D-принтере уже печатают детали для космической станции прямо
в космосе, не дожидаясь доставки с Земли.
11.Робототехника.
Робототехникой называется наука, которая занимается проектированием
автоматических технологических систем и является очень важным техническим
основанием современного производства.
12.Квантовые технологии.
Под квантовой технологией понимается раздел физики, в котором применяются
уникальные свойства квантовой механики и в первую очередь квантовая
запутанность. Основные квантовые принципы, применяемые в квантовых
технологиях:+ Уровни энергии имеют дискретную структуру (эффект Холла).
Принцип неопределённости, сформулированный Гейзенбергом. Чистые
состояния систем имеют квантовую суперпозицию. Сквозь потенциальные
барьеры проходят квантовые туннели. Квантовая зацеплённость состояний.

12.

Сфера применения
Примеры сфер жизни с применением цифровых
технологий:
-бизнес: система управления взаимоотношениями с
клиентами (CRM), онлайн-сервисы для удаленной работы,
рекрутинг;
-образование: программы для дистанционного обучения,
выполнения домашних заданий, тренажеры, гаджеты;
-медицина: поиск лекарств и вакцин, онлайнконсультации, диагностика;
-ритейл: упрощения заказа и поиска товаров, управление
логистикой, формирование базы отзывов и предложений;
-искусство и развлечения: цифровизация игр, книг, музыки,
видео;
-производство: автоматизация процессов;
-общественное питание: приготовление блюд, контроль
качества.

13.

Преимущества цифровых технологий
1.передача сигнала без искажения: двоичная система минимизирует
риски потери информации или ее изменения. Чем меньше символов для
кодирования информации используется, тем выше вероятность
передать исходную информацию без искажений по установленным
каналам трансляции;
2.хранение информации: цифровой способ хранения информации
проще аналогового. Информация сохраняется и считывается без помех,
которые приводят к ошибкам. В аналоговых системах возможны
повреждения участков данных из-за устаревания аппаратуры. В этом
случае нельзя восстановить информацию без потерь;
3.легкость управления: специально разработанные программы
упрощают управление устройствами, которые разработаны на основе
цифровых систем.
4.возможность использовать сложные алгоритмы с высокой точностью
реализации;
5.сжатие информации: оцифрованная информация сохраняется в
небольшом пространстве;

14.

5.поддается манипулированию: можно изменять материал;
6.легкая доступность для работы в сети: контент распределяется сразу
между несколькими платформами и быстро распространяется.
Минусы использования цифровых систем:
1.энергозатратность части процессов, что требует усложнения
устройств;
2.изменение смысла сообщения при утере одного элемента
цифровой информации;
3.легкодоступность информации — обесценивание усилий при
поиске.

15.

Цифровизация постепенно проникает во все сферы жизни людей:
только за 2022-й год количество подключений к интернету вещей
увеличилось на 18% по сравнению с 2021-м годом, а в 2023-м году в
России ввели новую форму национальной валюты — цифровой
рубль.
Специалисты разрабатывают технологии на стыке разных сфер,
например, технологии для диагностики заболеваний по снимкам ―
синтез медицины и машинного обучения.
Практически все экономические отрасли проходят цифровую
трансформацию: рабочие процессы переводят в цифровой
формат. Например, компании автоматизируют управление
ресурсами и процессами с помощью электронного
документооборота и ERP-системы. Используют цифровых
технологий вроде облачных решений для хранения данных, и
развитие цифровых навыков персонала.
Технологии постоянно развиваются. Чтобы быть востребованным
специалистом, нужно регулярно учиться новому. Причём не только в
IT, но и в других сферах.

16.

Цифровые технологии и сервисы в
профессиональной деятельности
Актуальность внедрения цифровых технологий в профессиональную
деятельность и проектирование процесса обучения обусловлена
потребностями
современного
информационного
общества.
В
профессиональной деятельности цифровые технологии помогают в
реализации стратегических программ развития страны. В образовании
на всех этапах организации учебно-методического обеспечения
общеобразовательных программ активно применяет технологии
электронного, смешанного и мобильного обучения, дистанционные и
интерактивные
образовательные
технологии,
реализует
модели
организации учебного процесса с использованием смешанного
обучения, «перевёрнутого класса», внедряет оценивание результатов
учебной деятельности с помощью электронных образовательных
ресурсов. Информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) в
проектировании процесса предметного обучения стали неотъемлемым
звеном сопровождения образовательной деятельности.

17.

С развитием цифровой экономики главной задачей подготовки
будущих востребованных специалистов является приобретение
практических навыков использования современных
информационных технологий в своей профессиональной
деятельности.
На данный момент все учебные заведения имеют выход в интернет,
сайты со всей необходимой информацией, созданы средства для
изучения курса информатики и информационнокоммуникационных технологий, а также ведётся подготовка кадров
в сфере цифровизации и цифровых технологий.
Внедрение и совершенствование современных (цифровых)
образовательных технологий и качество обучения врачей,
оказывающих медицинскую помощь пациентам, имеют
чрезвычайную актуальность.

18.

Цифровизация здравоохранения является одним из восьми федеральных
проектов, включенных в Национальный проект «Здравоохранение» . Указ
Президента «О национальных целях развития Российской Федерации на период
до 2030 года» от 21 июля 2020 г. определяет национальные цели развития
Российской Федерации на указанный период, среди которых приоритетными
являются сохранение населения, здоровье и благополучие людей и цифровая
трансформация.
Концепция развития электронного медицинского образования в России
предполагает: разработку стратегии внедрения электронных технологий в
обучение; создание системы независимой оценки знаний студентов, врачей и
аттестации преподавателей; интеграцию дистанционных образовательных
программ в систему непрерывного медицинского образования.
Целью внедрения цифровых технологий в процесс обучения врачей является
повышение качества и доступности образования и, как следствие, повышение
компетентности специалистов здравоохранения и качества оказания
медицинской помощи. Система цифрового образования предполагает наличие
информационных ресурсов, телекоммуникации и систему управления

19.

На данный момент цифровые технологии приобрели
широкое распространение во многих ветвях медицины.
Начиная с CPOE (computerized physician order entry) —
компьютеризованной системы предписаний врача
(назначение анализов и/или медикаментов), заканчивая
роботами-интернами, помогающими хирургам во время
операций. Также не малое значение компьютеры играют и в
работе клиник в целом, помогая планировать и выполнять
различные административные задачи, отслеживать финансы,
проводить инвентаризации и т.д.

20.

Далеко не второстепенную роль сыграл и Интернет. Благодаря
ему появилось новое направление в медицинской диагностике —
телерадиология (проще говоря передача через всемирную
паутину изображений и данных медицинского характера). Это
новшество дало возможность анализировать данные пациента и
принимать решения касательно его лечения, находясь в дали от
него, тем самым экономя драгоценное время. Также врачи
получили возможность быстро консультироваться со своими
коллегами со всего мира. Огромная база медицинских знаний,
хранимая в Интернете, доступна и пациентам, давая им
возможность ознакомится со своим заболеванием, распознать
симптомы, узнать нужную информацию о враче и/или клинике, о
препаратах и т.д.

21.

И, возможно, самое необычное применение
компьютерных технологий в медицине это
видеоигры. Они используются для тренировки
хирургов, которые в дальнейшем будут выполнять
лапароскопические операции (когда в области
проведения операции делаются небольшие
надрезы для проведения операции внутри, вместо
большого надреза и «открытой» операции).
Исследования 2004 года показали, что хирурги,
играющие в видеоигры примерно по 3 часа в
неделю, допускают во время подобных операций
на 37% меньше ошибок.

22.

Тенденции изменения здравоохранения во всем мире показывают, что в
ближайшие годы медицина перейдет от реактивного к проактивному и
персонализированному подходу. С помощью цифровых технологий, таких
как портативная диагностика, новые расходные материалы, сенсоры,
пациент станет центром и участником медицинского обслуживания.
Более того, искусственный интеллект, нанотехнологии, различные виды
целевой терапии и точная медицина помещают в центр оказания
медицинской помощи конкретного человека вместо "обслуживаемого
населения", как это принято до сих пор. Вместо решений,
предназначенных для среднестатистического пациента, уже в ближайшем
будущем, как хочется надеяться, привычными станут
персонализированные решения для конкретного индивида.

23.

Тревожная статистика о глобальной нехватке врачей (по оценкам ВОЗ во
все мире ощущается нехватка более 4 миллионов врачей, медсестер и
других медиков) говорит о том, что необходимо предпринимать срочные
меры и технологии могли бы снизить нагрузку на врачей первичной
медицинской помощи. В то же время растет потребность в медицинских
услугах: болезни легче стало диагностировать, количество
"цивилизационных болезней", такие как диабет и ожирение, растет, в то
время как стареющее население нуждается во все большем уходе.
Цифровая технология может стать отличным инструментом для
терапевтов. Например, в будущем пациенты могли бы обращаться к
цифровым медицинским ассистентам и медицинским чатботам с
более простыми вопросами о своем здоровье, о конкретных лекарствах
или для управления своими административными делами

24.

Инновационные цифровые инструменты, доступ к большему объему точной
медицинской информации, сообществам профессионалов в социальных сетях и
данным позволят пациенту постоянно и самостоятельно заботиться о себе дома,
применяя более превентивный подход, когда речь идет о здоровье. Более того, все это
несомненно приведет к тому, что врач потеряет статус эксклюзивного источника
медицинских знаний. Заглядывая на шаг вперед, цифровые технологии и расширение
прав и возможностей пациентов превратят взаимодействие между врачом и
пациентом в более равноправное партнерство, а не в глубоко асимметричные,
патерналистские отношения.
Это огромные трансформационные сдвиги, и первыми, кто почувствует изменения,
будут пациенты и врачи первичной медико-санитарной помощи.
Несмотря на то, что у таких врачей, как правило, время и ресурсы для экспериментов
с новейшими технологиями очень ограничены, им придется этим заниматься.

25.

Обзор некоторых портативных медицинских устройств,
которые уже доступны или скоро появятся на рынке.
Cue: Портативная система для диагностики
Компания-стартап Cue разработала подключенную к Сети портативную "лабораторию
в коробке" для тестирования непосредственно на месте оказания медицинских услуг,
которая объединяет похожие на картриджи тестовые наборы с компактным и
подключенным мини-лабораторным устройством, которое может передавать
результаты на персонализированную панель здоровья на основе приложений.
Просто взяв на анализ образец из организма пациента (каплю крови или слюны),
система Cue за считанные минуты может диагностировать воспаление, грипп,
измерить количество витамина D в организме, определить уровень фертильности
(способности к оплодотворению), измерить уровень тестостерона. После проведения
анализа Cue отправляет данные на сопряженное смартфон-приложение через
Bluetooth 4.0. Приложение отслеживает взаимодействие уровня активности
пользователя с режимом питания и параметрами сна, а также анализирует
параметры организма на молекулярном уровне.

26.

Цифровой стетоскоп
Это один из лучших цифровых стетоскопов на рынке на
данный момент. Сам прибор маленький, простой в работе,
портативный и умный. Он позволяет пациентам и врачам
измерять частоту сердечных сокращений, а также записывать
звуки сердца и легких, сохраняя их автоматически в
приложение. Так как он сочетает в себе технологию
инфракрасного излучения и Bluetooth, пользователь также
может передавать результаты измерений удаленному
специалисту или сохранять их для сравнения позже. В
Clinicloud также встроен термометр. Он мгновенно снимает
показания температуры без необходимости контакта с кожей.

27.

oDocs nun: компактный офтальмоскоп на базе
смартфона
Компания oDocsEye Care разработала офтальмоскоп на базе
смартфона, который может использоваться для визуализации
сетчатки глаза как с закапыванием в глаза специальных
лекарственных препаратов для расширения зрачка, так и без
закапывания. Это портативный прибор для оценки состояния
глазного дна, который может использоваться практически с
любым современным смартфоном, работающим под
управлением iOS или Android.
Это устройство очень простое в применении, что очень удобно
для использования в клиниках первичной медицинской помощи,
учитывая, что жалобы на головную боль или на неприятные
симптомы, связанные со зрением, очень часто встречаются при
визитах к врачу общей практики. И одной из важных задач при
этом является обследование диска зрительного нерва для
исключения его отека. И с помощью oDocs nun такая
диагностика осуществляется очень просто.
Устройство уже сертифицировано европейскими
регулирующими органами как медицинский прибор 1 класса.

28.

Suki: Голосовая система автоматического
заполнения документов
Компания Suki разработала одноименную
систему, которая представляет собой
"виртуального помощника" для врача,
использующего возможности искусственного
интеллекта и голосовые технологии для помощи в
составлении клинической документации. С
помощью этого решения врач может говорить о
потребностях больного в процессе приема
пациента или после его посещения, а Suki затем
самостоятельно документирует все, что сказал
доктор. Кроме этого, этот продукт может быть
интегрирован в систему электронных
медицинских карт.

29.

Suki персонализируется для каждого врача отдельно и
становится все более "умной" по мере ее использования в
медицинской организации.
Аналогичную систему выпустила также компания Robin
Healthcare, которая использует для ее функционирования
"умную" колонку Amazon Alexa или Google Home. Слушая
обычный разговор врача с пациентом, это устройство
способно создавать вполне конкретные и полезные записи,
которые помещаются непосредственно в электронную
медицинскую карту больного.
Оно слушает весь диалог с пациентом и выбирает из него
только релевантную для врача информацию, которую затем
размещает в нужном месте. Поэтому лекарства, которые
пациент принимал раньше, но которые не помогли ему,
помещаются где-то в глубине истории текущего заболевания, а
лекарства, прописанные ему сегодня, остаются на "переднем
плане".

30.

ECG Dongle: Многоканальный ЭКГ
ECG Dongle – разработка российских ученых из компании
"Нордавинд". По сути, это мобильный кардиокомплекс
размером с флешку. В его состав входит – прибор, с
помощью которого исследуется работа сердца,
мобильное приложение, отображающее результаты
диагностики, уровень стресса, частоту сердечных
сокращений и облачный сервис «КардиоОблако»,
позволяющий легко отправить данные специалисту и в
течение часа получить от него мнение о работе сердечнососудистой системы.
Гаджет рассчитывает данные сердца, используя 12
стандартных выводов. Этого достаточно, чтобы обнаружить
все виды аритмии.
Процедура диагностики простая и занимает не более 10
минут, а проводить ее можно в любом месте и в любое
время.

31.

Withings BPM Core: Монитор давления
Это сертифицированное в Европе и США устройство
для мониторинга давления и частоты сердечных
сокращений. Измеренные показания систолического и
диастолического давления тонометр загружает на
смартфон и, кроме того, светодиодный дисплей на
самом устройстве также позволяет пользователям
проверить давление и без необходимости в
смартфоне или планшете.
Кроме этого, этот прибор имеет функцию
обнаружения мерцательной аритмии и аномалий
сердечной деятельности. После 90-секундного
считывания показания пульса, артериального давления и
ЭКГ отображаются на светодиодном дисплее
устройства и в подключенном приложении. Затем
приложение сообщит пользователю, означают ли
данные ЭКГ наличие нормального синусового ритма,
мерцательную аритмию или "неубедительные"
показания, которые необходимо повторить, а также
предупредит, когда у пациента может развиться
сердечно-сосудистая недостаточность.

32.

DermaSensor для диагностики рака кожи
Это портативный прибор, предназначенный для оценки
потенциально опасных образований на коже. Он использует
спектроскопию, оптику и технологии машинного обучения для
диагностики рака кожи у пользователей. Устройство использует
метод визуализации, называемый спектроскопией упругого
рассеяния, который измеряет, как фотоны рассеиваются
различными клеточными структурами. По данным компании,
онкологические поражения рассеивают свет слегка иначе, чем
доброкачественные, поскольку имеют ячеистую и субклеточную
структуру.
Диагностика осуществляется путем прикладывания устройства
к коже в месте исследуемого образования, а визуализация
результатов обеспечивается приложением, к которому прибор
подключается беспроводным способом.
Используя прецизионную оптику, DermaSensor способен
обнаруживать клеточные патологические изменения размером
от 2 мм. По словам разработчиков, система позволяет
произвести оценку состояния кожи за несколько секунд.

33.

Clarius: Мобильный УЗИ-сканер
Компания Clarius Mobile Health выпустила серию беспроводных,
подключаемых к смартфону или планшету ультразвуковых сканеров
второго поколения, по качеству изображения не уступающих
параметрам больших, более дорогих систем. Это доступные по
цене устройства, которые помещаются в кармане.
Устройства Clarius имеют в восемь раз большую вычислительную
мощность, чем у большинство портативных сканеров, что
обеспечивает максимально быстрое получение изображений с более
высоким разрешением и большей детализацией.
Новая линейка, включающая в себя два многоцелевых сканера и
четыре специализированных сканера, обеспечивает
производительность, присущую устройствам стоимостью в $25 000, за
существенно меньшую цену - порядка $5000.

34.

При этом эта версия ультразвукового сканера может
использовать платформу Clarius AI на базе технологии
искусственного интеллекта, которая фокусируется на данных
и качестве изображений, простоте сбора данных
Как вариант врач общей практики может использовать
другое мобильное УЗИ-устройство - сканер Butterfly Network,
который принципиально отличается от своих конкурентов тем,
что все компоненты ультразвуковой системы объединены в
едином, миниатюрном электронном чипе. В этом чипе
возможности трех типичных УЗИ-датчиков интегрированы в
единый двухмерный матричный массив, состоящий из тысяч
микроэлектромеханических систем, т.е. один датчик
используется для диагностики как близлежащих органов
человека, так и находящихся глубоко в его теле. При этом
этот зонд может использовать систему дистанционного
управления Butterfly TeleGuidance, которая позволяет
практически любому человеку провести ультразвуковое
исследование, что очень удобно в условиях пандемии.