Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка программно-аппаратного комплекса для дистанционной беспроводной диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека на основе метода фотоплетизмографии

Докладчик: Патрушев Максим Владимирович

Должность: Заведующий лабораторией геномных и протеомных исследований

Цель проекта:
В рамках данного проекта будет разработан программно-аппаратный комплекс для дистанционной беспроводной диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека на основе метода фотоплетизмографии. При этом планируется решение задач по определению признаков ССЗ в потоке данных, снимаемых устройством контроля физиологических показателей человека в режиме реального времени, и повышению точности диагностики болезней ССС. Цель выполнения прикладных научных исследований (ПНИ): Создание научно-технического задела в области дистанционной медицины для своевременного выявления и купирования заболеваний ССС путем дистанционного мониторинга основных физиологических показателей человека. Создать экспериментальный образец АПК, состоящий из оптического датчика, который снимает информацию о состоянии гемодинамики пациента, и программного обеспечения, которое выполняет комплексный анализ пульсовой волны, показывая значения ЧСС, зафиксированные во время работы устройства, и, на основе полученных данных, проводит качественный анализ состояния ССС. Создание подобных технологий направлено на решение следующих стратегических задач: - создание научно-технологических основ для дальнейших опытно-конструкторских работ в области производства устройств контроля физиологических показателей человека для индивидуального кардиомониторинга; - создание уникальной исследовательской среды конвергентных исследований; - развитие научно-производственного направления «Устройства контроля физиологических показателей человека в амбулаторном режиме с учетом мобильности пациента».

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта:
1. Будут разработаны алгоритмы интеллектуальной обработки данных пульсовой волны и частоты сердечных сокращений в режиме реального времени для выявления патологических состояний, требующих немедленного реагирования врачебного персонала.
Данный результат позволит в режиме реального времени выявлять патологические состояния пациента, связанные с нарушением сердечного ритма и гемодинамических показателей пациента. А также, что является наиболее значимым – это заблаговременно, еще до наступления необратимых последствий для пациента автоматизировано и дистанционно выявлять признаки состояний, при наступлении которых требуется неотложное врачебное вмешательство. Данная информация о пациентах будет поступать врачу, который сможет оперативно отреагировать, связавшись с пациентом, чтобы предложить ему наиболее оптимальный вариант купирования сложившегося состояния.
2. Будут разработаны алгоритмы сопоставления двигательной активности пациента с медицинскими данными измерений пульсовой волны и частоты сердечных сокращений для повышения точности диагностики.
Разработанные алгоритмы являются незаменимыми для правильной интерпретации данных ЧСС и пульсовой волны, которые зависят от физических нагрузок пациента. Это позволит автоматизировано предоставлять врачу наиболее корректную картину о состоянии сердечно-сосудистой системы пациента. Кроме того, данное решение полностью исключает ведение журнала, в котором пациент фиксирует формы своей повседневной деятельности в процессе снятия данных устройством.
3. Будет создан экспериментальный образец АПК, состоящий из оптического датчика, который снимает информацию о состоянии гемодинамики пациента, и программного обеспечения, которое будет проводить комплексный анализ пульсовой волны, показывать ЧСС которая была у пациента во время работы устройства, и, на основе полученных данных, проводить качественный анализ состояния ССС.
Данный экспериментальный образец АПК позволит продемонстрировать все разработанные алгоритмы и аппаратные решения в действии и подтвердить заявленные характеристики, что позволит разработать рекомендации по применению АПК и проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Создание опытного образца устройства контроля физиологических показателей человека для индивидуального кардиомониторинга на основе беспроводной передаче данных в режиме реального времени лечащему врачу».
Результаты заявляемого проекта, которые обещают быть уникальными, позволят в дальнейшем развить центр компетенций мирового уровня по обсуждаемому направлению.
Несомненно, что полученные результаты позволят создавать новые типы диагностических устройств ССС, в связи с чем значительно снизится импортозависимость, которая в области систем для клинической диагностики, на сегодняшний день составляет 89%.
Кроме того, впервые метод фотоплетизмографии будет использован в режиме амбулаторного обследования.
В ходе реализации проекта будут решены следующие научно-технические задачи:
1. Определить признаки ССЗ в потоке данных, снимаемых устройством контроля физиологических показателей человека в режиме реального времени.
Решение данной задачи можно разделить на две составляющие: аппаратную и методическую, другими словами, сначала необходимо получить сигнал, снимаемый оптическим датчиком (фотоплетизмограмму) и содержащий информацию о состоянии гемодинамики пациента, затем разработать программное обеспечение, которое будет проводить комплексный анализ пульсовой волны, показывать ЧСС которая была у пациента во время работы устройства, и, на основе полученных данных, проводить качественный анализ состояния ССС.
Разрабатываемый аппаратно-программный комплекс (АПК) позволит получить значение пульсовой волны и ЧСС (в минуту), содержащие информацию о нарушениях гемодинамики пациента и состоянии ССС, для этого необходимо решить следующие задачи:
- подобрать оптимальную длину волны оптического датчика, которая зависит от места, где будет находиться устройство;
- определить оптимальный источник питания и режимы его работы.
Для решения методической составляющей необходимо:
- разработать методы обработки снимаемых показаний;
- разработать специализированное программное обеспечение анализа пульсовой волны и ЧСС согласно существующим стандартам в области обработки медицинских сигналов и кардиологии.
2. Повысить точность диагностики болезней ССС.
Параметры пульсовой волны зависят от текущего состояния ССС. На данный момент при снятии пульсовой волны и ЧСС применяют стационарные комплексы, которые находятся в специализированных кардиологических центрах, что является неудобным, так как не всем пациентам предписано стационарное наблюдение. В рамках данной работы будет разработано устройство контроля физиологических сигналов человека с записью всех данных в энергонезависимую память для последующей их передачи врачу при помощи USB интерфейса, интернета.
Решение данной задачи будет реализовано в виде браслета, входящего в состав АПК следующими методами:
-будет обеспечено удобное местоположение устройства на теле пациента для постоянного ношения, кроме этого будут учтены оптимальные характеристики: размеры, вес, дизайн, удобные для использования. Сложность в обеспечении мобильности пациента является самой главной проблемой и пути ее решения следующие:
-разработать схемотехническое решение для снятия необходимых параметров (пульсовая волна и ЧСС);
- создать программное обеспечение, которое будет производить фильтрацию снимаемого сигнала, что отразится на размерах устройства и поспособствует уменьшению габаритов, не снижая при этом характеристик получаемых сигналов. На сегодняшний день существует богатый выбор микроэлектронной продукции а также методов и алгоритмов обработки биомедицинских сигналов, кроме того существуют программные среды, в которых можно решить данные задачи.
- разработать методы и алгоритмы сопоставления получаемых сигналов со статистически данными, т.е программное обеспечение будет содержать базу данных (рост, вес, возраст, ЧСС) и после подключения будет производиться сравнение с базой, что предоставит возможность дать быструю оценку состояния ССС.
Таким образом, перед нами становится задача по уменьшению габаритов диагностического устройства, разработке специального программного обеспечения, удобного в использовании и не требующего специальной подготовки от потребителя продукта, и созданию канала передачи данных в режиме реального времени лечащему врачу на персональный компьютер.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Областями применения результатов выполнения работ будут являться следующие:
1. Индивидуальный кардиомониторинг населения и людей с ССЗ.
Способ использования – внедрение в стандарты оказания медицинской помощи больным с артериальной гипертонией (распространенность более 30% населения). Данное внедрение позволит снизить очереди в больницах и производить ряд диагностических процедур в любом удобном месте. Также следует отметить, что разрабатываемое устройство может заменить существующие стационарные комплексы.
2. Производство отечественных устройств контроля физиологических показателей человека в амбулаторном режиме с учетом мобильности пациента.
Внедрение в производство разрабатываемого устройства будет способствовать развитию отечественного производства, а также предоставит возможность модернизации подобных устройств.
Рынок беспроводных устройств передачи данных - один из наиболее динамично развивающихся. По данным Qualcomm в пост- кризисный период объем его составит до 7,2 млрд. долларов. Число потенциальных конечных пользователей в мире составляет 3,6 млрд. (пожилые, страдающие от избыточного веса, больные и т.д.). В настоящее время по всему миру ведутся разработки устройств, решающих схожий круг задач, но готового решения, удовлетворяющего решению проблемы длительного мониторинга показателей ССС в условиях амбулаторности пациента на текущий момент нет.
В настоящий момент индивидуальный мониторинг показателей ССС осуществляется при помощи носимых устройств весом до нескольких килограмм, с обрезиненными проводами, которые требуют ежедневного визита к врачу для сохранения накопленных данных. Подобные решения затратны, как для пациентов, так и для врачей, беспроводная системы для передачи данных с устройства на удалённый сервер с возможностью он-лайн доступа, накопления, анализа и обработки полученной информации позволит резко снизить затраты в данной области.
Разрабатываемый АПК для дистанционной беспроводной диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека на основе метода фотоплетизмографии будет соответствовать мировому уровню и будут предназначаться для диагностики заболеваний ССС.

Текущие результаты проекта:
На данном этапе выполнения работ получены следующие результаты:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, по результатам которого можно сделать заключение о том, что данный проект обладает высокой степенью новизны и актуальности.
2. Проведены патентные исследования, в найденных патентах, которые определяют уровень техники по исследуемому направлению, не обнаружено каких-либо материалов, которые бы препятствовали использованию результатов работ в Российской Федерации. Для обеспечения защиты полученных результатов на территории единого экономического пространства ЕврАзЭС представляется целесообразным получение евразийских патентов на изобретения и патентов на полезную модель РФ.
3. Проведены маркетинговые исследования рынка автоматизированного места врача (АРМ) врача по работе с медицинскими данными измерений пульсовой волны и частоты сердечных сокращений (ЧСС).
4. На основании маркетинговых исследований разработаны требования к потребительским характеристикам АРМ врача на основании маркетинговых исследований.
5. Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований.
6. Разработаны варианты возможных решений задачи, выбран и обоснован оптимальный вариант технического решения задач.
7. Проведены выбор и обоснование методов решения поставленных в ПНИ задач.
8. Изготовлен макет устройства для диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека.
9. Проведены исследовательские испытания макета устройства для диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека.
10. Определены виды погрешностей (артефактов), возникающих в результате работы устройства и проведен анализ методов их устранения.
11. Разработана программная документация на экспериментальный образец АРМ врача для работы с медицинскими данными измерений пульсовой волны и ЧСС
12. Изготовлен экспериментальный образец АРМ врача для работы с медицинскими данными измерений пульсовой волны и ЧСС.