Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.578.21.0053

Руководитель: Патрушев Максим Владимирович

Должность: заведующий лабораторией геномных и протеомных исследований

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
неинвазивная система; удаленная диагностика; фотоплетизмография; кардиомониторинг; сердечно-сосудистые заболевания; пульсовая волна; частота сердечных сокращений; артериальное давление; гемодинамика; амбулаторное обследование

Цель проекта:
Целью выполнения данного проекта является создание научно-технического задела в области дистанционной медицины для своевременного выявления и купирования заболеваний ССС путем дистанционного мониторинга основных физиологических показателей человека. 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 ССС пациента, затем разработать программное обеспечение, которое будет проводить комплексный анализ пульсовой волны, показывать ЧСС которая была у пациента во время работы устройства, и, на основании полученных данных, проводить качественный анализ состояния ССС. Разрабатываемый аппаратно-программный комплекс позволит получить значение пульсовой волны и ЧСС (в минуту), содержащие информацию о 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 параметров человека с записью всех данных в энергонезависимую память для последующей их беспроводной передачи врачу. 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.

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».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В рамках данного проекта будет разработан программно-аппаратный комплекс для дистанционной беспроводной диагностики функционального состояния ССС человека на основе метода фотоплетизмографии. При этом будут решены задачи по определению признаков ССЗ в потоке данных, снимаемых устройством контроля физиологических показателей человека в режиме реального времени, и повышению точности диагностики болезней ССС.
Анализ деятельности ССС осуществляется путем регистрации механических, акустических и биоэлектрических параметров сердечной деятельности. Среди физических методов диагностики в приложении анализа ССС широко используются метод электрокардиографии и методы, основанные на регистрации пульсовой волны. Одним из перспективных методов регистрации пульсовой волны является метод фотоплетизмографии (ФПГ). Преимуществом данного метода выступает специфика его использования: определение диагностических показателей человека без нарушения целостности кожных покровов и слизистых организма, что, в частности, снижает требования к стерильности окружающей среды. Достоинствами метода ФПГ являются: удобство исследования сосудистых реакций на плоских участках тела; возможность работы в условиях повышенной влажности и сильных электромагнитных полей; отсутствие электродных контактов с живой тканью и электрических воздействий на исследуемый биологический объект; простота стерилизации и удобство крепления датчиков, оказывающих малое влияние на кровоснабжение тканей, что важно при длительном мониторинге физиологических показателей человека.
В настоящее время остается ряд нерешенных проблем, т.к. представленные на рынке стационарные диагностические комплексы, предлагаемые отечественными и зарубежными производителями медицинской аппаратуры, как правило, очень дороги и сложны в эксплуатации. Обследование с помощью этих приборов требует обязательного присутствия в медицинском учреждении и занимает длительное время. Для работы на этом оборудовании требуется не только специальное медицинское образование, но и продолжительное обучение. Таким образом, существующие технологии диагностики оказываются недоступными большинству граждан.
Актуальность данного проекта обоснована необходимостью проведения прикладных научных исследований в области развития измерительных преобразователей биомедицинских сигналов, для создания новых результатов, важных для решения актуальных проблем дистанционной беспроводной диагностики состояния человека с достаточным условием его мобильности.
В качестве исследуемых характеристик выступает пульсовая волна, которая несет в себе информацию о состоянии физиологических показателях пациента, в частности - о состоянии сердечно сосудистой системы. Пульсовая волна содержит в себе наибольшую информацию и состоянии сердечно сосудистой системы по сравнению с ЭКГ.
Снимаемая оптическим методом фотоплетизмограмма содержит в себе следующие характеристики:
1. Амплитудные, соответствующие анакротическому и дикротическому периоду. Несмотря на то, что эти параметры являются относительными, их изучение в динамике предоставляет ценную информацию о силе сосудистой реакции в процессе действия какого-либо кратковременно действующего на организм фактора.
2. Временные, предоставляющие информацию о длительности сердечного цикла и частоты сердечных сокращений, соотношении и длительности систолы и диастолы и формирующих их фаз. Эти параметры имеют абсолютные значения и могут сравниваться с существующими нормативными показателями. В этой группе изучается длительность анакротической и дикротической фазы пульсовой волны, длительность пульсовой волны, индекс восходящей волны, время наполнения в период систолы, продолжительность систолической и диастолической фазы сердечного цикла, частота сердечных сокращений.
3. Статистические, определяющие вариабельность амплитуды и сердечного ритма на большом промежутке времени (минуты).
4. Вычисляемые параметры с использованием значений предыдущих групп. К этой группе относятся: индекс дикротической волны, отражающий положение вершины дикротической волны относительно анакротической; отношение длительности анакротической и дикротической фаз.
Вычисление вышеприведенных параметров позволяет проводить диагностику как при оценке мгновенной реакции организма на воздействие внешних физических факторов, например, при проведении интенсивной терапии, так и при регистрации изменений гемодинамики на протяжении длительного периода, что дает возможность в целом судить о состоянии сердечно-сосудистой системы.
Разрабатываемое устройство, зафиксированное на запястье человека, в режиме автономной работы с записью всех данных в энергонезависимую память и функцией передачи лечащему врачу на ПК, может заменить традиционные системы, при этом демонстрируя аналогичную или даже лучшую разрешающую способность. Подобные датчики позволяют решать широкий круг задач — от простого кардиомониторинга до более сложных клинико-диагностических исследований.


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.
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.
Покупателями подобной системы могут стать как крупные медицинские учреждения, так и, например, спортивные комплексы, в дальнейшем возможна разработка персонифицированных индивидуальных носимых устройств, предполагающая некоторое снижение цены, и потому не являющаяся приоритетной задачей на первых этапах развития предприятия.
Беспроводная система 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 и также оказать влияние на снижение уровня смертности от заболеваний сердечно-сосудистой системы путем ранней диагностики их наступления.
Рынок беспроводных устройств передачи данных - один из наиболее динамично развивающихся. Число потенциальных конечных пользователей разрабатываемого продукта в мире составляет 3,6 млрд. (пожилые, страдающие от избыточного веса, больные ССЗ 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.

Текущие результаты проекта:
1. Разработаны алгоритмы выделения полезного сигнала из снимаемой фотоплетизмограммы;
2. Разработан и произведен модуль фотоплетизмографии, включающий себя интерфейс для сенсора фотоплетизмографии и микроконтроллер для предварительной обработки и дальнейшей передачи данных;
3. Разработан и произведен трансивер Bluetooth Smart, с помощью которого осуществляется связь с модулем фотоплетизмографии и передача данных от пациента до АРМ врача через смартфон.
4. Разработан экспериментальный образец устройства для диагностики состояния ССС;
5. Разработано приложение для смарфтона, предназначенное для управления, передачи данных и оповещения пользователя в рамках работы АПК;
6. Закончено производство модулей экспериментального образца;
7. Разработан АРМ врача в полном объеме.
Технические характеристики, заявленные в техническом задании, на текущий момент достигнуты.
На данный момент проводятся следующие работы:
• Производство экспериментального образа устройства для диагностики состояния ССС;
• разработка и тестирование алгоритмов сопоставления двигательной активности снимаемой фотоплетизмограмме;
• итеративное внесение изменений в составные части экспериментального образца устройства для диагностики состояния ССС.