Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0122

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0122
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)"
Название доклада
Разработка экспериментального образца аппаратно-программного комплекса для экспресс оценки сердечно-сосудистой системы человека
Докладчик
Юлдашев Зафар Мухамедович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта - улучшение ситуации в области здравоохранения и повышение эффективности организации медицинской помощи населению за счет разработки беспроводного аппаратно-программного комплекса, так называемого «градусника для сердца», для экспресс оценки сердечно-сосудистой системы человека (Комплекс), регистрирующего по требованию электрокардиограмму и автоматически (без помощи специализированного врача) идентифицирующего диагностически важные события, которые классифицируются на три уровня по степени значимости («светофорный» принцип):
а) зеленая зона – отсутствие текущей угрозы для здоровья пациента;
б) желтая зона – средняя степень угрозы, предупреждение об опасности;
в) красная зона – высокая степень угрозы, необходимость оперативных действий.
Для реализации проекта требуется решение следующих научно-технических задач:
а) автоматизация процессов получения и обработки информации о физиологическом здоровье пациента на борту устройства, предназначенного для регистрации и интерпретации данных о состоянии сердечно-сосудистой системы (далее – Устройство);
б) автоматизация извлечения / выявления диагностически значимых событий
на основе входящего электрокардиографического сигнала и их классификация с последующей сигнализацией / индикацией врачу по
принципу светофора;
в) оценка информативности Устройства;
г) оценка оптимальной длительности регистрации ЭКГ;
д) обеспечение эргономики Устройства при использовании его по требованию.
Актуальность и новизна исследования
Проект направлен на решение глобальной задачи снижения инвалидизации и смертности населения от заболеваний сердечно-сосудистой системы, снижения нагрузки на систему здравоохранения, организации мер по профилактике и предупреждению сердечно-сосудистых заболеваний за счет возможности оперативной оценки состояния сердечно-сосудистой системы с использованием разрабатываемого решения с достаточной диагностической ценностью и без привлечения профильного специалиста.
В большинстве случаев человеку, почувствовавшему недомогание, не удается оперативно получить квалифицированную специализированную помощь медицинского персонала. Это может быть обусловлено различными факторами, такими как географические особенности территории проживания, высокая занятость или вовсе отсутствие квалифицированных медицинских специалистов необходимого профиля на участке пациента и др. В такой ситуации принципиально новым подходом выглядит обеспечение максимально возможной автономной работы разрабатываемого в проекте оборудования, за счет чего даже при отсутствии профильного кардиологического образования станет возможной экспресс оценка степени угрозы выявляемых у пользователя с помощью Комплекса нарушений, которая позволит вовремя направить его к профильному специалисту и предотвратить тем самым наступление критических состояний.
Основными элементами новизны разрабатываемых решений являются:
− обработка электрокардиосигнала "на лету" с выявлением отклонений от нормы и изменений во времени;
− ранжирование событий по степени опасности по принципу светофора;
− учет персональных особенностей каждого пациента путем дополнительной настройки параметров обработки электрокардиосигнала.
Описание исследования

Для успешной реализации Комплекса требуется проведение исследований и разработок принципиально более сложных аппаратных и программных решений по сравнению с ныне существующими в области оперативной оценки состояния сердечно-сосудистой системы человека:

  • разработка новой аппаратной платформы, обеспечивающей необходимую вычислительную способность Устройства для относительно сложных алгоритмов при сохранении его низкого энергопотребления;
  • разработка новых комплексных алгоритмов выявления нарушений в сигнале ЭКГ, регистрируемом кратковременно и в различных условиях эксплуатации;
  • разработка новых комплексных алгоритмов классификации выявленных нарушений в зависимости от их характеристик и времени появления;
  • разработка нового метода выдачи рекомендаций, обеспечивающего высокую диагностическую ценность выдаваемых пользователю или врачу данных;
  • разработка новых мер, позволяющих упростить работу с устройством пользователей различной квалификации;
  • разработка решений для аппаратного и программного обеспечения, реализующих при уникальной функциональности Комплекса низкую стоимость производства и эксплуатации в целях обеспечения финансовой привлекательности проекта и стимулирования массового внедрения разрабатываемого решения.

При реализации проекта будут применены следующие подходы к решению научно-технических задач, стоящих перед разработкой Комплекса:

  • позиционирование разрабатываемого Комплекса в виде целостной системы с размещением алгоритмов автоматической обработки на борту Устройства;
  • анализ чувствительности и специфичности методов выявления диагностически значимых событий и их классификации;
  • сравнение с существующими приборами регистрации ЭКГ, применяемыми в медицинской практике, с опорой на научное сообщество для выявления оптимальной длительности ЭКГ;
  • оценка применимости новых подходов к измерению физиологических параметров организма человека (бесконтактные электроды на основе измерения емкости; датчики, фиксирующие изменение электрических передаточных функций ткани; вычисление артериального давления на основе скорости распространения пульсовой волны и др.);
  • оценка аппаратной части для максимального уменьшения элементной базы в целях эргономики и применение новых подходов к креплению электродов Устройства на наиболее удобные и информативные участки тела человека.

В результате реализации проекта будут получены методы и алгоритмы автоматического непосредственного выявления кардиособытий, ранжирования их по степени опасности и информирования врача в режиме реального времени, а также будет разработан экспериментальный образец Комплекса, реализующий данные алгоритмы в результате размещения программной оболочки непосредственно на борту Устройства.

Разрабатываемый экспериментальный образец Комплекса будет включать в себя:

  • устройство, предназначенное для регистрации и интерпретации данных о состоянии сердечно-сосудистой системы (Устройство);
  • клиентский терминал Устройства на основе смартфона/планшета/персонального компьютера, предназначенный для дополнительной настройки Устройства, скачивания с него данных и расширенной работы с ними (Терминал);
  • программное обеспечение Устройства, предназначенное для обеспечения его функционирования;
  • программное обеспечение Терминала, предназначенное для обеспечения его функционирования, включающее общее и специальное программное обеспечение.

Указанные составляющие Комплекса обеспечат автоматическую регистрацию ЭКГ по трем каналам с записью и хранением данных на карте памяти, обработку данных как фильтрацию помех и шумов, так и выделение из сигнала ЭКГ частоты сердечных сокращений (ЧСС) пользователя, детектирование QRS-комплекса ЭКГ, определение R-R интервалов и смещения ST-сегмента, выявление диагностически значимых нарушений (асистолия желудочков сердца; фибрилляция желудочков сердца; пароксизмальная желудочковая тахикардия; выпадения QRS-комплексов; желудочковые экстрасистолы – одиночные, ранние, парные, групповые; наджелудочковые экстрасистолы; тахикардия и брадикардия – по порогу ЧСС; желудочковая и наджелудочковая экстрасистолия – с оценкой числа экстрасистол в минуту; полиморфная желудочковая экстрасистолия; желудочковая бигеминия; желудочковая тригеминия; мерцательная аритмия), автоматическую классификацию и сигнализацию диагностически значимых событий на три уровня по степени значимости («светофорный» принцип), оперативную передачу данных (по запросу) на Терминал для дополнительной обработки, прием и обработку сигналов от Терминала для изменения режимов работы Устройства.

 

Результаты исследования

В ходе реализации проекта достигнуты следующие результаты:

  • выполнены аналитический обзор современной литературы и других материалов, относящихся к тематике реализуемого проекта, патентные исследования на 1-м и 2-м годах реализации проекта;
  • разработана концепция Комплекса;
  • разработаны медико-технические требования к Комплексу;
  • проведены маркетинговые исследования, обзор конкурентных решений, оценена ориентировочная экономическая эффективность новой продукции;
  • проведен опрос потенциальных потребителей Комплекса;
  • функциональные и другие требования к Комплексу уточнены по результатам исследования требований нормативной документации к медицинским изделиям и проработки с руководителями лечебно-профилактических учреждений и органами исполнительной власти в сфере здравоохранения;
  • исследованы и выбраны приобретаемые изделия и программное обеспечение для разработки Комплекса;
  • исследованы способы подключения электродов ЭКГ и способы оповещения пользователя;
  • исследованы перезаряжаемые источники питания и системы беспроводной зарядки;
  • разработаны меры по минимизации энергопотребления Комплекса;
  • разработана конструкция экспериментального образца Комплекса и конструкторская документация;
  • разработаны алгоритмы выявления и ранжирования кардиособытий по степени угрозы;
  • исследованы существующие интерфейсы программного обеспечения оборудования медицинских специалистов для функциональной диагностики;
  • исследованы и выбраны параметры, отображаемые для различных категорий пользователей Комплекса;
  • разработан проект интерфейса специального программного обеспечения Терминала экспериментального образца Комплекса.

Результаты проведенных аналитических исследований показали, что предлагаемый в проекте способ полностью автоматической обработки регистрируемых данных с индикацией о физиологическом состоянии согласно рассмотренной литературе пока не реализован в полной мере, и должное его развитие позволит разработать прибор, который может войти в обиход врачей широкой специализации наряду с распространенными термометрами и тонометрами для первичной оценки состояния пациента. 

В отличие от существующих в мире решений, разрабатываемый Комплекс экспресс-диагностики решает принципиально новую задачу обеспечения автономности работы электрокардиографа. По сравнению с ними, разрабатываемое Устройство должно обеспечить комплексный анализ ЭКГ в автоматическом режиме, а также позволить автоматически классифицировать выявляемые нарушения по степени опасности, особенно на ранних и бессимптомных стадиях развития заболеваний (клиентский терминал, базирующийся на платформе смартфона, планшета или персонального компьютера, подключается к Устройству только для расширенной работы с зарегистрированными и обработанными данными).

Основными техническими преимуществами предлагаемой разработки в сравнении с ближайшими аналогами будут являться:

  • наличие на борту Устройства автоматического анализа в режиме реального времени без необходимости участия медицинского специалиста, что делает комплекс на основе Устройства максимально оперативным и автономным;
  • ранжирование кардиособытий по степени угрозы здоровью (красный, желтый и зеленый уровни);
  • распознавание нарушений, выступающих в качестве угрозы здоровью человека, в автоматическом режиме с минимальной временной задержкой;
  • информирование пользователя посредством голосовых сообщений и индикации по принципу светофора.

 

 

Практическая значимость исследования
Внедрение разрабатываемого решения в сфере здравоохранения, в частности в практику лечебно-профилактических учреждений, позволит существенно увеличить диагностическую ценность при посещении врачей широкой специализации. Посредством разрабатываемого решения в отсутствие врача-кардиолога станет возможным выполнить экспресс оценку сердечно-сосудистой системы человека. Вследствие этого даже малоквалифицированный сотрудник медицинского учреждения сможет благодаря поддержке интегрированных в разрабатываемый Комплекс интеллектуальных алгоритмов оперативно оценить степень угрозы выявляемых с помощью Комплекса нарушений для здоровья пациента, вовремя направить его к профильному специалисту и предотвратить тем самым наступление критических состояний.
Реализация проекта позволит обеспечить:
а) В сфере здравоохранения:
− снижение смертности населения и количества сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ);
− возможность организации массового оперативного дистанционного мониторинга физиологических параметров человека и получение обратной связи от медицинского специалиста;
− снижение нагрузки на медицинский персонал, а также компенсацию его отсутствия;
− возможность снижения требований к профессионально-квалификационному уровню медицинских специалистов.
б) В социальной сфере:
− повышение качества жизни населения, в том числе в северных условиях;
− повышение культуры общества в сфере персонального здравоохранения.
в) В сфере экономики:
− снижение прямых затрат системы здравоохранения на профилактику и лечение ССЗ;
− снижение потерь ВВП в связи с инвалидностью и преждевременной смертностью;
− снижение рисков возникновения опасных ситуаций, вызываемых человеческим фактором.
г) В сфере технологий:
− замещение импортных разработок в области мониторинга и диагностики здоровья (более функциональной и экономически-эффективной продукцией);
− создание новой ниши приборов и систем, соответствующих современным потребностям и концепции персонализированной медицины.
Реализация проекта будет способствовать развитию и внедрению передовых отечественных наукоемких технологий в следующих областях медицины:
− Информационные технологии в медицине;
− Персональная медицина;
− Технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний.