Регистрация / Вход
Прислать материал

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.

Докладчик: Авдеева Диана Константиновна

Должность: Заведующий лабораторией медицинского приборостроения, профессор

Цель проекта:
1.Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. Повышение разрешающей способности электрокардиографической аппаратуры с целью раннего выявления признаков внезапной сердечной смерти для широкого применения в практическом здравоохранении (в поликлиниках, амбулаториях, в домашних условиях), снижение уровня смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. 2.Формулировка цели реализуемого проекта; конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта; места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы. Формулировки даются в краткой форме, научно-популярным языком. Разработать экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса для регистрации микропотенциалов сердца от 0,3 мкВ в частотном диапазоне (0-10000) Гц в реальном времени без усреднения и фильтрации с использованием разрабатываемых в рамках проекта высокочувствительных, малошумящих, высокостабильных, неполяризующихся, помехоустойчивых медицинских наносенсоров с целью раннего выявления признаков внезапной сердечной смерти (далее - АПК).

Основные планируемые результаты проекта:
1.Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
Этап 1: «Выбор направления исследований и проведение теоретических исследований»
Содержание выполняемых работ и мероприятий
1.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
Проведен аналитический обзор по проблеме в рамках ПНИ. Проанализировано отечественных и зарубежных журнальных статей, монографий, диссертаций – 100 шт.
1.2 Проведение патентных исследований согласно ГОСТ Р 15.011-96.
Проведен патентный поиск по проблеме ПНИ. Найдено 110 патентов по проблеме ПНИ.
1.3 Выбор и обоснование направления исследований. Разработка технических решений по созданию экспериментальных образцов наносенсоров, математической электродинамической модели сердца и экспериментального образца АПК.
По наносенсорам:
Разработаны 3 способа синтеза наночастиц серебра, позволяющие осуществлять нанесение частиц серебра, как на поверхность, так и в поры алюмокремниевой оксидной керамики. Разработаны 3 типа наносенсоров.
По математической электродинамической модели сердца:
Результатом работы является математическая модель электрической активности сердца, которая представляет собой комбинацию модели распространения возбуждения сердца и математической модели эквивалентного электрического генератора сердца.
По экспериментальному образцу АПК:
Разработаны технические требования на АПК. Обоснованы структурные и принципиальные схемы АПК. В стадии разработки принципиальные схемы АПК (3 варианта).
1.4 Разработка эскизной конструкторской и технологической документации на экспериментальные образцы наносенсоров.
Разработана эскизная конструкторская и технологическая документация на экспериментальные образцы наносенсоров.
1.5 Разработка эскизной конструкторской документации на стенды для проведения испытаний экспериментальных образцов наносенсоров и АПК.
Разработаны технические требования на стенды, эскизная конструкторская документация на стенды. В настоящее время осуществляется изготовление стендов.
1.6 Проведение маркетинговых исследований
Проведены маркетинговые исследования по проблеме ПНИ.
2.Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), планируемой научной (научно-технической, инновационной) продукции
2.1 Требования к экспериментальному образцу АПК:
2.1.1 Экспериментальный образец АПК должен состоит из наносенсоров, измерительного блока, персонального компьютера либо ноутбука и соответствовует требованиям ГОСТ Р 50444.
2.1.2 Регистрация микропотенциалов АПК должна осуществляется без усреднения, фильтрации и специальной программной обработки, время регистрации – не более 30 секунд.
2.1.3 Диапазон входных напряжений от 0,3 мкВ до 10000 мкВ.
Относительное отклонение при регистрации входных напряжений в пределах: 15% - в диапазоне напряжений от 0,3 до 5,0 мкВ и в пределах 10 % - в диапазоне напряжений от 5 мкВ до 10000 мкВ.
2.1.4 Частотный диапазон АПК от 0 до 10000 Гц (требования к частотному диапазону должны будут уточнены в ходе выполнения ПНИ).
2.1.5 Чувствительность каналов устанавливается программно и имеет дискретные значения: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 5; 10 15 20 30 50 70 100 150 200 300 500 700; 1000мкВ/см. Относительное отклонение установки чувствительности каналов в пределах  5 %.
2.1.6 Входное сопротивление не менее 10 МОм.
2.1.7 По электробезопасности АПК соответствует ГОСТ Р МЭК 601-1-1, ГОСТ Р50267.0-92 (МЭК 601-1-88).
2.1.8 По электробезопасности ПК или ноутбук должны соответствует ГОСТ Р 50377-92 (МЭК 950).
2.1.9 По электромагнитной совместимости АПК удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 50267.0.2 (МЭК 601-1-2).
2.1.10 Программное обеспечение АПК выполняет следующие функции:
а) усиление и регистрацию микропотенциалов по 3 каналам;
б) оценку импеданса между парой наносенсоров
в) автоматическое формирование медицинской карты пациента, вывод на экран монитора и на печать записанных входных сигналов и результатов их обработки;
г) получение электрокардиограммы с программными фильтрами.
д) постановку предварительного диагноза.
2.1.11 Программное обеспечение АПК включает разработанное программное обеспечение для обнаружения некротических участков в сердце человека, к которому предъявляется следующее требование: обнаружение локальных некротических участков размером 1-2 мм и более.
2.1.12 Требования к измерительному блоку:
а) измерительный блок не содержит фильтры (аналоговые или программные), которые приводят к значительным искажениям микропотенциалов на электрокардиосигнале.
б) измерительный блок включает 3 канала, каждый из которых состоит из усилителя и аналого-цифрового преобразователя.
в) измерительный блок содержит микропроцессор, который передает оцифрованные по трем каналам данные в персональный компьютер либо ноутбук и обеспечивает управление работой АПК.

2.2. Требования к экспериментальным образцам наносенсоров:
2.2.1 Экспериментальные образцы наносенсоров выполнены из пористого материала, в микропоры которого имплантированы наночастицы серебра, образующие множество микроэлектродов.
2.2.2 При изготовлении экспериментальных образцов наносенсоров проведятся исследования по выбору оптимальной конструкции и технологий для его изготовления.
2.2.3 Разность электродных потенциалов на постоянном токе не превышает 2 мВ.
2.2.4 Дрейф разности электродных потенциалов (дрейф напряжения) на постоянном токе не превышает 0,005мкВ/с.
2.2.5 Напряжение собственного шума в полосе частот от 0 до 10000 Гц не превышает 200 нВ.
2.2.6 Наносенсоры имеют высокую разрешающую способность по уровню регистрируемых биопотенциалов – от 300 нВ.
2.2.7 Экспериментальные образцы наносенсоров имеют следующие технические характеристики:
а) не поляризуются под воздействием постоянного тока для исключения в измерительных цепях фильтров высокой частоты, ограничивающих биопотенциалы в области нижних частот;
б) имеют низкое сопротивление – менее 1 кОм;
в) ослабляют внешние электромагнитные наводки, то есть обладают помехоустойчивостью для исключения в измерительных цепях сетевых фильтров;
г) сохраняют метрологические характеристики в процессе длительной эксплуатации в течение 5 лет.

2.3 Требования к стенду для испытаний наносенсоров
2.3.1 Испытательный стенд соответствовует ГОСТ 22261-94 и ГОСТ 25995-83.
2.3.2 Стенд для испытаний наносенсоров состоит из измерительного блока, персонального компьютера либо ноутбука.
2.3.3 Измерительный блок включает измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер.
2.3.4 Программное обеспечение обеспечивает автоматизацию измерений, обработку, хранение и протоколирование полученных данных.
2.3.5 Диапазон измеряемых разностей потенциалов наносенсоров от 0 до 10 мВ, допускаемая погрешность – (± 5 %).
2.3.6 Диапазон рабочих частот от 0 до 10 кГц.
2.3.7 Напряжение собственного шума, приведенного ко входу, не более 1,5 мкВ в диапазонах частот по ГОСТ 25995-83 до 10 кГц.
2.3.8 Измерение полного сопротивления наносенсоров в полосе частот от 0 до 10 кГц, в диапазоне до 1000 Ом, допускаемая погрешность – ( ± 10 %).
2.3.9 Измерение и вычисление собственного дрейфа напряжения и собственного напряжения шума наносенсоров в частотных диапазонах по ГОСТ 25995-83.

2.4 Требования к стенду для испытания АПК
2.4.1 Стенд для испытания АПК состоит из измерительного блока, персонального компьютера либо ноутбука.
2.4.2 Диапазон рабочих частот от 0 до 20 кГц.
2.4.3 Входное напряжение не более 5 В.
2.4.4 Погрешность коэффициента передачи на частоте 1 кГц не более
±(5∙10-4+10-4/ Kп ) %.
2.4.5 Погрешность коэффициента передачи на частотах от 20 Гц до 20 кГц не более ±(10-2+10-4/ Kп ) %.
2.4.6 Программное обеспечение стенда обеспечивает автоматизацию измерений, обработку, хранение и протоколирование полученных данных.
3 Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что аппаратура и методы диагностики внезапной сердечной смерти по микропотенциалам, зарегистрированным в реальном времени, в широкой полосе частот, без осреднения и фильтрации не разработаны во всем мире (работы 1.1,1.2). Решение этой проблемы стало возможным благодаря разрабатываемым в рамках данной ПНИ наносенсорам для съёма ЭКГ. Технология изготовления наносенсоров и их конструкция разработаны впервые (работы 1.3, 1.4). Разработано устройство для измерения сопротивления наносенсоров (подготовлена заявка на полезную модель, которая будет направлена в ФИПС не позднее 20.11.2014 г.). Новым элементом в модели сердца является поиск причин появления микропотенциалов в электрокардиограмме и их связь с устойчивостью сердечных циклов (работа 1.3). Впервые разработаны технические требования, структурная и принципиальные схемы АПК для исследования сердца с помощью наносенсоров, позволяющие регистрировать электрокардиограмму в полосе частот от 0 до 10000 Гц без фильтрации нановольтового и микровольтового уровня (работа 1.3). Впервые разработана эскизная конструкторская документация на стенды для испытаний наносенсоров и АПК с нановольтовым и микровольтовым разрешением по уровню в широкой полосе частот от 0 до 10000 Гц (работа 1.5).
Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и являются основой для успешного выполнения задач, поставленных в данной
4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Аналогичные работы не найдены по результатам исследования различных источников, в том числе по результатам патентных исследований. В основном, для обнаружения признаков внезапной смерти (ВСС) разрабатываются обычные мониторы с телекоммуникационным каналом, которые не претендуют на высокое разрешение.
5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Математические, технические, технологические, экспериментальные. статистические.
Ограничения и риски отсутствуют, так как предварительно были проведены фундаментальные исследования по госзаданию «Наука» и по проектам РФФИ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1.Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться или планируемая на их основе инновационная продукция):
Медицина.
2.Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования:
Планируется производство наносенсоров и аппаратно-программных комплексов для широкого применения в практическом здравоохранении (поликлиниках, амбулаториях, домашних условиях, спортивных комплексах. санаториях).
3.Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Внедрение в широкую практику данной разработки позволит в большинстве случаев предупредить возможность инфаркта миокарда. Образование рубцов на сердце после инфаркта приводит к появлению тахикардии у пациентов, которая заканчивается внезапной сердечной смертью. Проект имеет социальное значение.

Текущие результаты проекта:
Этап 1: «Выбор направления исследований и проведение теоретических исследований»
Содержание выполняемых работ и мероприятий
1.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
Проведен аналитический обзор по проблеме в рамках ПНИ. Проанализировано отечественных и зарубежных журнальных статей, монографий, диссертаций – 100 шт.
1.2 Проведение патентных исследований согласно ГОСТ Р 15.011-96.
Проведен патентный поиск по проблеме ПНИ. Найдено 110 патентов по проблеме ПНИ.
1.3 Выбор и обоснование направления исследований. Разработка технических решений по созданию экспериментальных образцов наносенсоров, математической электродинамической модели сердца и экспериментального образца АПК.
По наносенсорам:
Разработаны 3 способа синтеза наночастиц серебра, позволяющие осуществлять нанесение частиц серебра, как на поверхность, так и в поры алюмокремниевой оксидной керамики. Разработаны 3 типа наносенсоров.
По математической электродинамической модели сердца:
Результатом работы является математическая модель электрической активности сердца, которая представляет собой комбинацию модели распространения возбуждения сердца и математической модели эквивалентного электрического генератора сердца.
По экспериментальному образцу АПК:
Разработаны технические требования на АПК. Обоснованы структурные и принципиальные схемы АПК. В стадии разработки принципиальные схемы АПК (3 варианта).
1.4 Разработка эскизной конструкторской и технологической документации на экспериментальные образцы наносенсоров.
Разработана эскизная конструкторская и технологическая документация на экспериментальные образцы наносенсоров.
1.5 Разработка эскизной конструкторской документации на стенды для проведения испытаний экспериментальных образцов наносенсоров и АПК.
Разработаны технические требования на стенды, эскизная конструкторская документация на стенды. В настоящее время осуществляется изготовление стендов.
1.6 Проведение маркетинговых исследований
Проведены маркетинговые исследования по проблеме ПНИ.