Электрокардиограф для неинвазивной регистрации спонтанной активности клеток миокарда с целью раннего обнаружения признаков внезапной сердечной смерти

Одной из наиболее распространенных патологий, встречающихся в медицине, является патология работы сердца, приводящая к смерти. Заболевания сердечно-сосудистой системы занимают лидирующее место по количеству вызванных смертей. Согласно статистике Всемирной организации здоровья (ВОЗ) на 2015 год в мире умерло 17866560 человек от заболеваний сердечно-сосудистой системы, по прогнозам ВОЗ при сохранении текущего состояния здравоохранения и техногенного окружения в 2030 году эта цифра увеличится до 22245272 человек [58]. Сердечно-сосудистые заболевания широко распространены по всему возрастному спектру человека, но наибольшее количество случаев летальных исходов приходится на возрастную группу старше 70 лет. Три четверти всех смертей зарегистрированы среди населения с низким и средним достатком. [90]
Наиболее коварным видом летального исхода является феномен внезапной сердечной смерти. Внезапная сердечная смерть – это вид скоротечной ненасильственной смерти, вызванной остановкой сердца. [85] Феномен особенно опасен тем, что не обладает ярко выраженными специфичными симптомами, по которым его можно заранее определить и принять необходимые меры его предотвращения или оказать соответствующую помощь. Таким образом, человек может оказаться полностью беззащитным перед данным синдромом в самый неподходящий момент. Например, находясь в общественном транспорте, в процессе отдыха на дикой природе, во время работы на оборудовании или пилотирования транспортного средства, что может повлечь за собой гибель не только пострадавшего, но и людей, находившихся под его ответственностью.
Согласно статистическому анализу различных авторов, в США фиксируется от 300000 до 400000 случаев ВСС в год, частота возникновения варьируется от 0,36 до 1,28 на 1000 человек каждый год. В России предположительная частота
6
составляет от 0,8 до 1,6 на 1000 человек в год. За год, согласно рассчитанной статистике, число умерших по механизмам ВСС в России составляло 141 909 – 460766 человек. Средний показатель случаев ВСС для возрастной группы до 30 лет составляет 1,3 на 100000 человек в год, в то время как для возрастной группы от 60 лет частота значительно увеличивается до 8 случаев на 1000 человек в год [8,85]. Характерно также то, что количество умирающих от ВСС женщин в 2 раза меньше чем мужчин [92]. Является тревожащим факт распространенности случаев ВСС среди людей, занимающихся активными видами спорта [69] и у которых никогда ранее не проявлялись симптомы сердечных заболеваний. S.P. van Camp выяснил, что в США у школьников, ведущих спортивный образ жизни, частота возникновения случаев ВСС составляла 7,47 и 1,33 на 1000000 детей соответственно для мужского и женского пола. Для учащихся колледжей – 1,45 случаев на 100000 юношей в год и 0,28 на 100000 девушек в год. У профессиональных спортсменов частота ВСС составляет 0,35 на 100000 в год, а также 0,46 на 100000 и 0,77 на 100000 в год для спортсменов-любителей мужского и женского пола соответственно [14].
Большой интерес для диагностики на данное время представляет исследование низкоамплитудных потенциалов сердца человека. Диагностика локальных групп кардиомиоцитов, имеющих малую амплитуду потенциалов и обладающих меньшей энергией, сдерживалась из-за высокого уровня шумов измерительной аппаратуры.
Организация системы оценки по микропотенциалам степени повреждения или аномального функционирования участков сердца и рисков возникновения аритмий, создание новых аритмогенных ЭКГ-маркеров может позволить стратифицировать население, проходящее диспансеризацию, по новым категориям риска развития ВСС и предотвратить возможные случаи смерти в будущем.
Процент выживающих после сердечного ареста вне стен больницы составляет 7,6 %, поэтому определение рисков возникновения внезапной

7
сердечной смерти (ВСС) и прогнозирование его вероятности является важнейшей задачей для снижения смертности.
45% всех случаев ВСС происходят у людей, у которых не было зарегистрировано болезней сердца при исследованиях в поликлинических условиях.
В настоящее время единственной диагностической аппаратурой, применяемой для глобального мониторинга населения в амбулаторных условиях, является исследование электрической активности сердца.
Регистрация микропотенциалов сердца является актуальной задачей для формирования новой системы стратификации пациентов.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование электрокардиографа для неинвазивной регистрации спонтанной активности клеток миокарда с целью раннего обнаружения признаков внезапной сердечной смерти.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Разработать электрокардиографический аппаратно-программный комплекс высокого разрешения для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без усреднения и фильтрации в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц, уровень которых составляет 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт.
2) Разработать математическое, алгоритмическое и программное обеспечение фазового фильтра для устранения шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени с целью стратификации пациентов на группы при электрокардиографическом исследовании в поликлинических исследованиях.
3) Разработать специальную конструкцию наносенсора и медицинского пояса для быстрого наложения наносенсоров на грудную клетку пациента в поликлинических исследованиях.
4) Провести технические испытания разработанного АПК на специальном испытательном оборудовании для оценки их технических характеристик и разрешающей способности.

8
5) Провести предварительные медицинские исследования аппаратно- программного комплекса на добровольцах, перенесших инфаркт с различными видами патологий сердечно-сосудистой системы, и на группе «норма».
Методы исследований
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории измерительных сигналов, прикладной и вычислительной математике, прикладных программах для персонального компьютера, принципах построения современных аппаратно- программных средств.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются использованием аттестованного испытательного стенда, прошедшего испытания в Томском центре стандартизации и метрологии, и подтверждены результатами технических испытаний и предварительных медицинских исследований на добровольцах.
Научная новизна работы:
1) Впервые для электрокардиографических исследований разработан электрокардиографический аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала, что подтверждено техническими испытаниями и предварительными медицинскими исследованиями на добровольцах.
2) Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение фазового фильтра для устранения шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени с целью стратификации пациентов на группы при электрокардиографическом исследовании в поликлинических исследованиях и разработан алгоритм для ручной коррекции сегментирования электрокардиограмм, форма которых значительно отличается от классической.
3) Впервые по результатам предварительных медицинских исследований доказана связь значений зарегистрированных микропотенциалов в реальном

9
времени с состоянием сердца. Показано, что для ранней диагностики внезапной сердечной смерти необходимо динамическое наблюдение за состоянием спонтанной активности клеток миокарда путем регистрации микропотенциалов в реальном времени и оценки следующих параметров и характеристик:
 амплитуда и длительность микропотенциалов,
 спектр электрокардиосигнала и амплитуда боковых спектральных составляющих,
 гистограммы по амплитудным, средним значениям микропотенциалов и их длительности.
Практическая ценность работы:
1) Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ Института неразрушающего контроля ФГАОУ ВО НИ ТПУ, по проекту РФФИ No 12-08-00996 «Исследование искажений тонкой структуры (низкоамплитудных высокочастотных колебаний) биопотенциалов сердца и мозга, вносимых фильтрующими схемами медицинского диагностического оборудования; поиск путей устранения помех с сохранением тонкой структуры уровнем менее 1 мкВ в полосе частот 0 – 150 Гц», 2012-2013 гг., и по проекту ФЦП «Разработка экспериментального образца аппаратно-программного комплекса для неинвазивной регистрации микропотенциалов сердца в широкой полосе частот без фильтрации и усреднения в реальном времени с целью раннего выявления признаков внезапной сердечной смерти», Соглашение No 14.578.21.0032 от 05.06.2014, 2014-2016 гг.
2) Разработана конструкция наносенсора и медицинского пояса для быстрой установки наносенсоров на груди пациента в условиях поликлиники, программа и методика испытаний аппаратно-программного комплекса, программа и методики предварительных медицинских исследований на добровольцах. необходимые для внедрения результатов работы в серийное производство.
3) Проведены технические испытания аппаратно-программного комплекса и предварительные медицинские исследования на добровольцах в Томском НИИ кардиологии, которые подтверждают возможность регистрации

10
микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц, длительностью от 0,3 мс до 100 мс.
Личный вклад автора
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) Аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт длительностью от 0,3 мс до 100 мс, в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала.
2) Алгоритм фазового фильтра для устранения собственного шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени при съѐме электрокардиограммы для стратификации пациентов и формирования группы повышенного риска для дальнейшего углубленного исследования.
3) Комплекс параметров и характеристик микропотенциалов сердца для раннего обнаружения признаков внезапной смерти человека:
 амплитуда и длительность микропотенциалов,
 спектр электрокардиосигнала и амплитуда боковых спектральных составляющих,
 гистограммы по амплитудным, средним значениям микропотенциалов и их длительности.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
 Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». – Томск, 22-25 апреля 2014 г.

11
 Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». – Томск, 14-18 апреля 2014 г.
 Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». – Томск, 26-30 мая 2014 г.
 Пятая международная конференция «Нанотехнологии и биосенсоры». – Барселона, Испания, 18-20 декабря 2014 г.
 Международная конференция по мехатронике и механическому дизайну. – Гонконг, Китай, 26-28 декабря 2014 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе: 1 – в изданиях из списка ВАК, 3 – в зарубежных изданиях, рецензируемых базой цитирования SCOPUS. Получено 4 патента на полезную модель. Результаты исследований изложены в 1 отчете по НИР и в двух отчетах о ПНИ, зарегистрированных в ЦИТИС.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Общий объем 303 страницы, в т.ч. рисунков – 142, таблиц – 20, библиография содержит 93 наименования. Общий объѐм приложений составляет 124 страницы.