Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка макета устройства микроэлектромеханического (МЭМС) преобразования кинематической активности сердца в электрическую энергию для применения в высокотехнологичной кардиохирургии.

Номер контракта: 14.607.21.0021

Руководитель: Бокерия Леонид Антонович

Должность руководителя: директор НЦ ССХ им. А.Н. Бакулева РАМН

Докладчик: Глушко Людмила Александровна, м.н.с., врач-кардиолог

Организация: федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр сердечно-сосудистой хирургии имени А.Н. Бакулева" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научный центр сердечно-сосудистой хирургии имени А.Н. Бакулева" Министерства здравоохранения Российской Федерации

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
микроэлектромеханический преобразователь, имплантируемое устройство, нарушение ритма сердца

Цель проекта:
В высокотехнологичной кардиохирургии широко применяются электрокардиостимуляторы для коррекции нарушений ритма сердца и проводимости. Габариты данных устройств во многом обусловлены габаритами их источников питания. Миниатюризация электрокардиостимуляторов за счет уменьшения объема и емкости источника тока малоперспективна, поскольку отражается на сроке службы устройств, а следовательно, сокращению времени между плановыми операциями по заменаме ЭКС. Перспективными направлениями в миниатюризации эпикардиальных беспроводных электрокардиостимуляторов является переход от литий ионных источников тока к литий полимерным (обладают большей плотностью энергии на единицу массы и объема), а также применение МЭМС-преобразователей кинематической активности сердца в электрическую. Данный проект направлен на создание макета устройства МЭМС-преобразователя сокращений сердца в электрическую энергию для применения в имплантируемых устройствах в высокотехнологичной кардиохирургии.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения работы должны быть получены следующие результаты:
-разработан, изготовлен и испытан макет МЭМС преобразователя кинематической энергии сердца для имплантируемого эпикардиального устройства. Определена его энергетическая эффективность.
-разработан проект техническое задание для создания опытного образца МЭМС преобразователя кинематической энергии сердца для имплантируемого эпикардиального устройства
Применение МЭМС преобразователя кинематической энергии сердца позволит увеличить срок службы имплантируемого эпикардиального устройства более чем на 40-50% .

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным результатом разработки является макет устройства, способного преобразовать естественную энергию вибраций сердца в электрическую энергию для применения в имплантируемых устройствах для электротерапии.
В высокотехнологичной медицине применяются имплантируемые устройства для замещения функций некоторых органов, например кардиостимуляторы (водители ритма сердца) или кардиовертеры-дефибриляторы (подавление опасного ритма сердца). Габариты и срок службы имплантируемых устройств в значительной степени зависят от емкости используемого источника тока. Особенно это критично для имплантируемых устройств расположенных на сердце.
Поиск новых путей получения бесперебойного источника энергии (батареи, работающей более 10-15 лет) является ключевым. В настоящее время активно исследуются методы и устройства для генерирования электрической энергии, использующие энергию возвратно-поступательного, колебательного или вибрационного движения объектов. Разработка устройств микроэлектромеханического преобразования сокращений сердца в электрическую энергию является перспективным направлением усовершенствования эпикардиальных систем.
Современное состояние исследований по заявленной проблеме.
На сегодняшний день разработаны микроэлектромеханические системы (МЭМС), которые теоретически возможно использовать в имплантируемых устройствах для электротерапии. МЭМС - это интегрированные микроустройства или системы, сочетающие электрические и механические компоненты, изготовленные по технологиям, совместимым с технологией интегральных схем и имеющие размеры от микрометров до миллиметров.
Подобные конструкции используются в биомедицинской промышленности и представляют собой микродатчики, в частности, микромеханические сенсоры давления, вибрации и высокоточные химические сенсоры. Микромеханические сенсоры давления применяются для измерения давления крови в кардиохирургии и пластической хирургии при сложных операциях на сосудах, во внутриматочных сенсорах давления и датчиках–преобразователях, контролирующих давления вокруг головы младенца в течение всего периода беременности и родов. Микромеханические датчики давления также широко применяются в насосах вливания лекарственных средств, в почечных механизмах диализа. Такими изделиями являются датчики потока и скорости крови. Еще одна биомедицинская МЭМС–технология – это так называемая «лаборатория на чипе» (Lab–on–a–Chip Technology) или биологический микрочип (биочип). Основой первых биочипов, созданных в Институте молекулярно биологии им. В.А. Энгельгарда РАН, является матрица полусферических гидрогелиевых ячеек (диаметром менее 100 мкм), каждая из которых содержит зонд, специфичный к одной из множества биологических молекул (например, последовательностям ДНК или РНК, белкам). На 1 см может быть размещено до 1000 ячеек биочипа для анализа мутаций, определяющих предрасположенность к различным наследственным и онкологическим заболеваниям, для обнаружения патогенных бактерий и вирусов и выявления их лекарственно–устойчивых форм. На сегодняшний день технология биочипов является наиболее перспективным направлением в медицинской диагностике. В настоящее время ведутся разработки по созданию нейростимуляторов на базе МЭМС, которые способны электрическими импульсами воздействовать на нервную систему человека. Внедренные в мозг нервные электростимуляторы могут блокировать нервную передачу признаков эпилепсии, тремора конечностей при болезни Паркинсона, Альцгеймера, звона в ушах и др. Эти устройства также могут изменять поведение, связанное с депрессией, повышенным беспокойством и булимией.
1. Для решения поставленной задачи предлагается разработать и исследовать следующие составные части МЭМС преобразователя:
-электромагнитный преобразователь энергии на базе ниодимовых постоянных магнитов и катушек индуктивности.
- кинематический преобразователь для увеличения механических колебаний от частоты сокращения сердца до частоты величиной от 20 до 300 Гц.
- блок преобразователя напряжения для выпрямления, нормирования, накопления и передачи электрической энергии в нагрузку (выходное напряжение 3,0 В и ток для нагрузки от 3 до 10 мкА)
2. Для испытания и сравнения вариантов МЭМС по энергоэффективности и надежности предлагается разработать стенд имитирующий кинематическую активность сердца.
3. После отбора наиболее оптимального варианта МЭМС, предлагается разработать макет имплантируемого варианта МЭМС преобразователя энергии со средствами контроля параметров тока, напряжения и телеметрией на базе разработанного в 2013 году в НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН стимулятора системы для эпикардиальной автономной беспроводной электрокардиостимуляции ТУ 9444-104-01897446-2013 (КНАИ.941514.002ТУ).
4. Изготовленные и испытанные макеты стимуляторов с МЭМС предлагается имплантировать животным для оценки их безопасности и эффективности.
На сегодняшний день тенденции развития медицинского рынка благоприятны для расширения области применения МЭМС в медицинской электронике, что в свою очередь ведет к непременному научному прогрессу и требует разработки новых научных подходов для исследования с микроскопической точки зрения физических процессов на этапе изготовления и подробного анализа биологических процессов при функционировании устройств.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Область применения- сердечно-сосудистая хирургия. Интегрирование МЭМС преобразователя кинематической энергии сердца в современные имплантируемые эпикардиальные устройства позволит увеличить их срок службы, а следовательно, увеличить период между плановыми операциями по замене устройств в связи с истощением их источника тока.
Полученные результаты по проекту будут способствовать развитию материально-технической инфраструктуры производства современных отечественных имплантируемых систем для электротерапии сердца.

Текущие результаты проекта:
Выполнен обзор современной научно-технической литературы на тему МЭМС преобразователей в кардиохирургии. Выявленные источники в научных журналах показывают, что в университетах и исследовательских центрах также ведутся многочисленные работы связанные со сбором энергии для имплантируемых медицинских устройств. Помимо чисто теоретических исследований, создаются лабораторные устройства и проводятся отдельные экспериментальные исследования на животных. Учитывая, что в этих направления работают международные группы участников типа TIMA, можно ожидать, что через 3-5 лет эти работы приведут к созданию серийных встроенных систем сбора энергии для имплантируемых медицинских устройств, в частности для кардиостимуляторов. Таким образом, цель и направление работ выбранное для настоящего прикладного научного исследования является актуальным и перспективным.
Проведены патентные исследования. Исследованы технический уровень, выявлены тенденции развития и отобрана информация о наиболее эффективных научно-технических достижениях в области кардиохирургии, которые касаются устройств микроэлектромеханического преобразования кинематической активности сердца в электрическую энергию. Анализ результатов проведенных патентно-информационных исследований позволяет сделать вывод об актуальности разработки макета устройства микроэлектромеханического (МЭМС) преобразования кинематической активности сердца в электрическую энергию для применения в высокотехнологичной кардиохирургии. Проведена сравнительная оценка вариантов решений создания МЭМС преобразователей. Результаты рассмотрения многочисленных научных материалов и экспериментальных данных подтверждают возможность получения электрической энергии за счет преобразования кинетической (вибрационной) энергии эпикарда сердца в количестве до 50- 60 микроватт. Возможно что, наиболее перспективным решением для данной задачи будет использование электромагнитного метода преобразования кинетической энергии сердца. Можно ожидать, что полученной электрической энергии будет достаточно для обеспечения функционирования основных узлов и режимов эпикардиального стимулятора.
В рамках работ по разработке технических требований к стенду лабораторному имитации кинематической активности эпикарда разработана конструкция устройства контактного контроля кинематической активности эпикарда, состоящая из трехосевого датчика ускорения и угловых скоростей, подшиваемого на поверхность эпикарда и блока обработки данных и управления датчиком. Разработано встроенное программное обеспечение для микроконтроллера в составе блока обработки данных. Разработано прикладное программное обеспечение для ПК под управлением ОС Window для обработки и анализа данных о ускорении и траектории перемещения контролируемого участка эпикарда. Обмен данными между устройством контактного контроля и ПК осуществляется по интерфейсу USB 2.0. Изготовлена партия устройств контактного контроля кинематической 1 активности эпикарда в количестве 5 шт. Разработан комплект конструкторской документации на устройство. Данное устройство разработано для определения показателей ускорения и траектории перемещения эпикарда для уточнения технических требований к стенду. Разработано техническое задание на изготовление стенда.
Завершен обзор литературы, разработан протокол экспериментальных исследований по неинвазивной оценке показателей кинематической активности эпикарда и деформации миокарда интактного левого желудочка.
Проведены экспериментальные исследований по неинвазивной оценке показателей кинематической активности эпикарда и деформации миокарда интактного левого желудочка животных (векторный анализ скорости 2-D изображения (VVI), анализ положения электрической оси сердца по данным электрокардиографии). Проанализированы результаты экспериментальных исследований по неинвазивной оценке показателей кинематической активности эпикарда и деформации миокарда интактного левого желудочка животных, в том числе: сопоставлены результаты векторного анализа движения миокарда интактного левого желудочка с электрокардиографическими данными. При проведении неинвазивных исследований отмечалась следующая тенденция: средние показатели продольного смещения на базальном, среднем и верхушечном уровнях у животных с нормальным расположением электрической оси сердца (угол α от +30° до 70°) были выше по сравнению с животными, у которых было зарегистрировано горизонтальное положение электрической оси сердца (угол α от 0° до 30°). У последних средние показатели радиального смещения были выше.
Проведён теоретический расчет и моделирование вариантов электромагнитного преобразователя, вариантов кинематического преобразователя, вариантов преобразователя напряжения, теоретический расчет макета устройства МЭМС- преобразователя кинематической энергии сердца. Выполнена разработка эскизной конструкторской документации. Изготовлен стенд лабораторной имитации кинематической активности эпикарда. Разработаны программы и методики. Проведена аттестация стенда лабораторной имитации кинематической активности эпикарда
Проведены экспериментальные исследования по неинвазивной оценке показателей кинематической активности эпикарда и деформации миокарда у пациентов с ишемической болезнью сердца при поражении ствола левой коронарной артерии и передней межжелудочковой артерии. При клапанной патологии сердца. Проанализированы результаты экспериментальных исследований по инвазивной оценке показателей кинематической активности эпикарда интактного левого желудочка животных.
Разработана эскизная конструкторская документация на детали и узлы макетов устройств МЭМС-преобразователей кинематической энергии сердца.
Проведено клиническое исследование пациентов с сердечно-сосудистой патологией. Всего обследовано 625 пациентов (сбор жалоб, анамнеза заболевания и жизни, объективное обследование, электрокардиография, эхокардиография, диагностическая коронарография, сцинтиграфия миокарда по показаниям). В каждую группу включено по 15 пациентов. Далее каждому пациенту была проведена неинвазивная оценка кинематической активности эпикарда с помощью векторного анализа скорости (эхокардиографически) 6-тикратно с постпроцессинговым анализом.
Получены клинические данные линейных и угловых показателей движения эпикарда, деформации миокарда для уточнения требований к макетам МЭМС-перобразователей, а также разработаны рекомендации по применению макетов стимуляторов с макетами МЭМС- преобразователей у пациентов при поражении левой коронарной артерии, ствола левой коронарной артерии, а также клапанной патологии.
Разработана программа и методики исследовательских испытаний узлов макетов устройств МЭМС-преобразователей кинематической энергии сердца.
Изготовлены узлы макетов устройств МЭМС-преобразователя для исследовательских испытаний. Разработана эскизная конструкторская документация на макет устройства МЭМС-преобразователя кинематической энергии сердца, на макет имплантируемого стимулятора с макетом МЭМС-преобразователя, на макет программатора, программная документация на программное обеспечение.
Продолжено получение клинических данных о кинематической эпикардиальной активности у пациентов с сердечно-сосудистой патологией.