Разработка и исследование постоянно носимого аппаратно-программного комплекса на наносенсорах для динамического наблюдения за состоянием сердца человека

Здоровье человека – это главный ресурс, необходимый для любой его
деятельности и влияющий на работу предприятия, организации и общества в
целом. Его поддержание на должном уровне является залогом для успешного
существования и развития страны в целом. По этой причине в развитом обществе
повышение качества медицинского обслуживания, эффективности заботы о
здоровье со стороны медицинского персонала, повышение качества жизни и
осведомленности о своем собственном здоровье со стороны пациентов,
оптимизация расходов на здравоохранение являются главными задачами.
Одной из острых проблем здравоохранения является поддержание
здоровья сердечно-сосудистой системы. Согласно статистическим исследованиям,
проведенным Всемирной организацией здоровья, годовая доля смертности от
заболеваний сердца относительно всех смертей составляет 31 процент, более
всего данному виду смертности подвержены люди с низким и средним достатком
[48]. Американское сообщество кардиологов в докладе от 2018 года сообщает, что
смертность от нарушений работы сердца занимает лидирующее положение, по
прогнозам врачей к 2035 году в США более 45% всего населения будет страдать
от сердечно-сосудистых заболеваний [40]. Анализ, проводимый по данным
Росстата, так же показывает значительную долю смертности от сердечных
заболеваний: в 2017 году она составила 65,1% для женщин и 50,1% для мужчин
[4].
Исследования, проводимые американским сообществом кардиологов,
показывают, что одной из распространенных причин сердечной смерти является
неосведомленность пациентов об аномальном состоянии здоровья, в результате
чего не были заблаговременно приняты меры по корректировке его образа жизни
и назначены необходимые медицинские процедуры или меры предосторожности
[40]. Другой распространенной причиной является неосведомленность
медицинского персонала о существующих аномалиях. Неосведомленность
вызвана прежде всего тем, что в существующей практике наблюдение за
пациентом осуществляется c помощью аппаратуры, имеющей низкое разрешение
как по уровню регистрируемого сигнала, так и по частотному диапазону, которая
неспособна неинвазивно регистрировать и анализировать микропотенциалы,
характеризующие спонтанную активность клеток миокарда. Данная аппаратура не
может обнаружить ранние ишемические очаги, которые при дальнейшем
развитии приводят к аритмии как желудочковой, так и предсердной, и в конечном
итоге к внезапной сердечной смерти [2, 94]. Необходимо увеличивать не только
разрешение аппаратуры, но также периодичность исследований и его
длительность. Так же аритмии могут стать причиной возникновения тромбов,
являющихся критически опасными для жизни человека, так как могут привести к
инсульту.
Согласно исследованиям [110], один из видов аритмии, известный как
фибрилляция предсердий (ФП), приводит к инсульту в одном из трех случаев и
часто оказывается вне внимания врачей и самих пациентов во время ее
возникновения, так как проходит, в основном, бессимптомно [75]. При этом
вызванные ФП случаи инсультов характеризуются большим поражением мозга,
чем ишемические. Обнаружение ФП часто зависит от диагностической стратегии,
применяемой к пациенту. Согласно результатам нескольких исследовательских
групп, количество определяемых эпизодов ФП увеличивается со временем
наблюдения [63]. Например, при анализе 122815 записей длительной ЭКГ было
обнаружено, что в первые сутки исследований было обнаружено 45% эпизодов
ФП, за 2 дня – 61%, за 7 дней – 91% и за 12 – 100 % [96]. В другом исследовании
первое проявление ФП возникало в среднем только через 18 часов после начала
записи, а 14,3% всех первых случаев возникало после 48 часов записи, что
превышает, как обычную длительность записи стандартной ЭКГ, так и
распространенной суточной кардиограммы по Холтеру [107].
Таким образом встает вопрос разработки, усовершенствования и
использования методов и технических средств для долгосрочного и
периодического исследования сердечно-сосудистой системы, которые позволят не
только проводить исследования в течение длительного периода (например, в
течение нескольких лет), но и составлять полную карту изменения состояния
человеческого сердца, скрупулезно анализируя и обнаруживая аномалии, которые
могут являться предвестниками таких жизнеугрожающих событий, как инфаркты,
инсульты и внезапная остановка сердца.
Цель диссертационной работы:
Разработка и исследование постоянно носимого аппаратно-программного
комплекса на наносенсорах высокого разрешения для динамического наблюдения
за состоянием сердца человека.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Разработать постоянно носимый аппаратно-программный комплекс
(АПК) высокого разрешения на наносенсорах для динамического наблюдения за
состоянием сердца человека.
2. Должны быть достигнуты следующие основные технические параметры
постоянно носимого АПК: диапазон частот от 0 до 3500 Гц, уровни
регистрируемых сигналов от 1 мкВ, частота дискретизации 16 кГц.
3. Постоянно носимый аппаратно-программный комплекс должен
регистрировать электрокардиосигнал без фильтрации в измерительном канале,
последующая обработка должна восстанавливать сигнал в реальном времени без
усреднения.
4. Разработать специальную конструкцию наносенсоров для удобной
фиксации на грудной клетке.
5. Разработать специальную конструкцию АПК, удобную для длительного
ношения пациентом.
6. Разработать специальный алгоритм и программу для детектирования
микропотенциалов сердца на всей реализации электрокардиограммы, определения
их количества и полной энергии, построения динамических гистограмм с шагом
0,1 мкВ и 0,1 мс, анализа средней энергии микропотенциалов в заданных
амплитудных и временных интервалах.
7. Разработать программу и методику исследования и провести
предварительные исследования АПК на добровольцах.
Объект исследования – сердечно-сосудистая система человека.
Предмет исследования – носимый аппаратно-программный комплекс
высокого разрешения на наносенсорах, параметры динамических
электрокардиограмм, зарегистрированных постоянно носимым АПК высокого
разрешения как в режиме динамического наблюдения, так и при длительном
мониторировании, анализ результатов исследования на добровольцах.
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,
результатами предварительных исследований постоянно носимого АПК на
добровольцах.
Научная новизна работы:
Впервые разработан постоянно носимый аппаратно-программный
1. комплекс на наносенсорах, который при динамических исследованиях
сердца позволил регистрировать без фильтрации и последующего усреднения
электрокардиограмму в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц, уровнем от 1 мкВ, с
частотой дискретизации 16 кГц.
2. Впервые разработан алгоритм и программа для оценки спонтанной
активности клеток миокарда, позволяющая определить количество
микропотенциалов и их энергию в различных амплитудных и временных
интервалах, построить гистограммы распределения микропотенциалов по
амплитуде с шагом 0,1 мкВ и по длительности с шагом 0,1 мс для любого вида
аритмии и отклонений формы ЭКГ от стандартной.
3. Впервые получены результаты предварительных исследований сердечно-
сосудистой системы человека постоянно носимым АПК на добровольцах в
расширенном диапазоне частот.
Практическая ценность работы:
1. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ
Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности ФГАОУ ВО НИ
ТПУ, по проекту ФЦП «Разработка экспериментального образца аппаратно-