Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0032

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0032
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: 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).
Задачи:
1) Разработать экспериментальные образцы наносенсоров для съёма биопотенциалов сердца человека.
2) Разработать экспериментальный образец АПК.
3) Разработать и аттестовать экспериментальные образцы стендов для испытаний наносенсоров и АПК.
4) Разработать эскизную конструкторскую и программную документацию на экспериментальный образец АПК.
5) Разработать эскизную конструкторскую и технологическую документацию на экспериментальные образцы наносенсоров.
6) Разработать математическую электродинамическую модель сердца человека и программное обеспечение для обнаружения некротических участков в сердце.
7) Провести предварительные медицинские исследования АПК на добровольцах.
8) Разработать проекты технических условий на наносенсоры и АПК, разработать технические задания на последующие ОКР.
9) Провести маркетинговые исследования и разработать бизнес-план коммерциализации результатов ПНИ.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность и новизна исследований
Одной из наиболее распространенных патологий, встречающихся в медицине, является патология работы сердца, приводящая к смерти. Заболевания сердечно-сосудистой системы занимают лидирующее место по количеству вызванных смертей. Согласно статистике Всемирной организации здоровья (ВОЗ) на 2015 год в мире умерло 17866560 человек от заболеваний сердечно-сосудистой системы, по прогнозам ВОЗ при сохранении текущего состояния здравоохранения и техногенного окружения в 2030 году эта цифра увеличится до 22245272 человек.
Наиболее коварным видом летального исхода является феномен внезапной сердечной смерти (ВСС).
В США частота возникновения ВСС варьируется от 0,36 до 1,28 на 1000 человек каждый год. В России предположительная частота составляет от 0,8 до 1,6 на 1000 человек в год..
Процент выживающих после сердечного ареста вне стен больницы составляет 7,6%, поэтому определение рисков возникновения внезапной сердечной смерти (ВСС) и прогнозирование его вероятности является важнейшей задачей для снижения смертности.
Большой интерес для диагностики на данное время представляет неинвазивное исследование спонтанной активности клеток миокарда, то есть микропотенциалов.
В настоящее время единственной диагностической аппаратурой, применяемой для глобального мониторинга населения в амбулаторных условиях, является исследование электрической активности сердца.
Неинвазивная регистрация спонтанной активности клеток миокарда в виде микропотенциалов сердца является актуальной задачей для формирования новой системы стратификации пациентов.

Описание исследования

 

   

Описание исследования. Описание методик, применяемых решений и др.

       Впервые в мире созданы наносенсоры на основе наночастиц серебра, имплантированных в микропоры алюмосиликатной глиноземистой керамики, которые обеспечили высокие метрологические параметры наносенсоров, с помощью которых появилась возможность регистрировать электрокардиосигнал нановольтового и микровольтового уровня без фильтрации и осреднения в реальном масштабе времени.

Впервые в мире на базе наносенсоров создан АПК для исследования сердца человека, способный регистрировать  сигналы  от 300 нВ и выше в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц. в реальном времени без фильтрации.  

Разработано специальное программное обеспечение, которое позволяет определить основные параметры микропотенциалов: амплитуду, среднее значение и длительность.

По измеренным данным автоматически строятся гистограммы.

Для создания нового метода диагностики по микропотенциалам сердца необходимо подтвердить их диагностическое значение. Компьютерная модель сердца позволяет исследовать влияние неоднородности свойств ткани сердца на микропотенциалы ЭКГ и связать форму и амплитуду микропотенциалов с расположением некротических участков сердечной ткани.

Для моделирования сердечной активности выбрана бидоменная электродинамическая модель сердца. Электрические свойства миокарда описываются системой уравнений бидоменной модели сердца, которые представляют собой систему параболических и эллиптических дифференциальных уравнений в частных производных. В рамках данной модели сердечная ткань представлена в виде двух взаимопроникающих сплошных сред –  внутриклеточной и внеклеточной. Внутриклеточные и внеклеточные среды взаимодействуют через клеточную мембрану. Процесс взаимодействия описывается системой нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), моделирующих перенос ионов через клеточную мембрану.  

Компьютерная модель основана на библиотеке классов, созданной в рамках проекта Chaste (Cancer, Heart and Soft Tissue Environment).  Целью данного проекта было  создание программного обеспечения для моделирования биологических объектов и решения задач, возникающих в биологии и физиологии. Основными преимуществами библиотеки является унификация алгоритмов и их кодов для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнений в частных производных и программной реализации алгоритмов генерации сеток и форматов ввода-вывода данных.

Исследования на модели показали, что неоднородность ткани сердца влияет на кардиограмму в виде появления микропотенциалов. Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что неоднородности сердечной ткани малых размеров (нарушение электропроводности) отражаются на ЭКГ пациента в виде микропотенциалов. Анализ этих микропотенциалов принципиально позволяет определить тип неоднородности и его локализацию.

Программное обеспечение может вернуть исследователя к стандартной ЭКГ с помощью программных фильтров.

Таким образом, для решения поставленных задач используются современные технологические методы, метод моделирования и принципы построения аппаратных средств, маркетинговые исследования и бизнес-планирование. 

Результаты исследования

Результаты исследования

Разработаны технические и технологические решения по наносенсорам, конструкторская документация на 3 типа наносенсоров, технологические регламенты на производство экспериментальных образцов наносенсоров, математическое описание электродинамической модели сердца по микропотенциалам на электрокардиограмме для обнаружения некротических участков в сердце, структурная и принципиальные схемы экспериментального образца АПК, структура программного обеспечения АПК и методы обработки электрокардиосигнала.

Разработана эскизная конструкторская документация на стенды для проведения испытаний экспериментальных образцов наносенсоров и АПК.

Изготовлены экспериментальные образцы наносенсоров, что подтверждено актом изготовления.

Изготовлен стенд для испытаний экспериментальных образцов наносенсоров, что подтверждено актов изготовления и аттестатом.

Проведены испытания экспериментальных образцов наносенсоров, что подтверждено актами и протоколами испытаний.

Изготовлен стенд для испытаний экспериментального образца АПК, что подтверждено актом изготовления и аттестатом.

- Наносенсоры имеют дрейф на постоянном токе, не превышающий 5 нВ/с.

 - Уровень собственных шумов разработанных экспериментальных образцов наносенсоров не превышает ±200 нВ по мгновенному значению в полосе частот от 0 до 10000 Гц.

 - Сопротивление наносенсоров в диапазоне частот от 1 Гц до 10000 Гц составляет десятки и единицы Ом.

Наносенсоры благодаря конструктивно-технологическим особенностям обеспечивают в отличие от известных электродов многоканальный съём биопотенциалов сердца с наноразмерных участков поверхности тела человека, аккумулируют сигнал и ослабляют действие помех. Не имеют аналогов в мире.

Изготовлены экспериментальные образцы АПК-32, АПК-64 и АПК-200, что подтверждено актами изготовления.

Проведены испытания экспериментальных образцов АПК-32, АПК-64 и АПК-200, что подтверждено актами и протоколами испытаний.

Подготовлены и проведены предварительные медицинские исследования экспериментальных образцов АПК на добровольцах, что подтверждено актом и протоколами предварительных медицинских исследований на добровольцах.

Проведен анализ результатов предварительных медицинских исследований.

Впервые для электрокардиографических исследований разработан электрокардиографический аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать неинвазивно микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала, что подтверждено техническими испытаниями и предварительными медицинскими исследованиями на добровольцах.

 

Впервые по результатам предварительных медицинских исследований доказана связь значений зарегистрированных микропотенциалов в реальном времени с состоянием сердца. Показано, что для ранней диагностики внезапной сердечной смерти необходимо динамическое наблюдение за состоянием спонтанной активности клеток миокарда путем регистрации микропотенцилов в реальном времени и оценки следующих параметров и характеристик:

  • амплитуда и длительность микропотенциалов,
  • спектр электрокардиосигнала и амплитуда боковых спектральных составляющих,
  • гистограммы по амплитудным, средним значениям микропотенциалов и их длительности.

 

 

Практическая значимость исследования
Практическая значимость
Разрабатываемый АПК найдет широкое применение в практическом здравоохранении в первичных звеньях – поликлиниках, амбулаториях, санаториях и т.д. для массового исследования населения с целью раннего обнаружения признаков внезапной сердечной смерти и проведения своевременных профилактических мероприятий.
Будут созданы также АПК для домашнего применения.
В результате внедрения АПК в широкую медицинскую практику повысится качество диагностики ВСС, что приведет к снижению смертности от ВСС.
По результатам маркетинговых исследований показано, что данная ниша свободна и отсутствует конкуренция с другими разработками по метрологическим параметрам и стоимости.