Тема: РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТНО - ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА НА НАНОСЕНСОРАХ С ЦЕЛЬЮ СТРАТИФИКАЦИИ ПАЦИЕНТОВ ПО СТЕПЕНИ РИСКА ВНЕЗАПНОЙ СЕРДЕЧНОЙ СМЕРТИ

Проблема заболеваний сердечно-сосудистой системы человека является одной из актуальных проблем здравоохранении, признаваемой учеными во всем мире [1, 2].
Распространение патологий сердечно-сосудистой системы носит массовый характер. Согласно данным, опубликованным министерством здравоохранения Российской Федерации (РФ), в стране наблюдается рост количества людей, страдающих от сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). Например, в период от 2016 по 2017 год количество больных увеличилось от 23617,5 человек на 100000 всего населения до 24155,9 человек на 100000 всего населения. В Томской области данный показатель на 2017 год составлял 20236,3 человек на 100000 всего населения [3]. В Европе по докладам Евростата в том же году количество больных составляло 11,3 миллиона человек [4]. В докладах Американского сообщества кардиологов 2018 года прогнозируемая доля людей, страдающих от ССЗ, увеличится до 45% от общего населения США [5]. Рост количества больных связан с общим старением населения, увеличением эффективности методов борьбы с инфекционными заболеваниями и изменением ритма жизни людей, приводящие к появлению вредных привычек.
Опасность ССЗ заключается в незаметности их протекания, до перехода в острые формы, часто приводящие к летальным исходам. Широкая распространенность и неосведомленность людей о состоянии организма и необходимости корректировки образа жизни на ранних стациях болезни является результатом высокой смертности от ССЗ во всем мире. Согласно исследованиям Всемирной организации здравоохранения ССЗ приводят к смерти 17,5 миллионов человек в год (31% от всех смертей в год) [6]. В Европе доля умерших за 2016 год от ООЗ, согласно официальной статистике, составила 35,7% от всех смертей в год [4]. В РФ количество умерших от ССЗ составляет большую долю от общего количества ненасильственных смертей в последние несколько лет (см. рисунок ниже). Например, в 2018 году по данным Росстата количество умерших составило 856127 человек (46,8% от числа всех смертей) [7].
Число умерших по основным классам и отдельным причинам смерти за год ^человек, значение показателя за год>

■ Болезни системы кровообращения
■ Всего умерших

Наиболее серьезную проблему в таком явлении, как смертность от ССЗ представляет феномен внезапной сердечной смерти (ВСС). Под ВСС подразумевается ненасильственная смерть в результате нарушения функции кровообращения, несовместимого с жизнью без предшествующих событию симптомов. Другой вариант определения ВСС - неожиданная смерть от сердечных причин, произошедшая в течение 1 часа от появления симптомов у пациента с известной сердечной болезнью или без неё Опасность данного феномена заключается во внезапности его появления из-за отсутствия симптомов, которые позволили бы предупредить развитие состояния человека до критического или обеспечить жизнеспособность пациента во время эпизода ВСС. Таким образом, человек с ССЗ, неосведомленный о возможной сердечной патологии или присутствующем заболевании, находится в серьезной опасности, но большую опасность он представляет, если вовлечен в деятельность, возлагающую на него ответственность за жизни других людей. Например, водитель транспорта или пилот воздушного судна в случае ВСС подвергнет опасности жизнь пассажиров.
В год от внезапной сердечной смерти во всем мире умирает от 4 до 5 миллионов человек [8]. Исследования различных научных групп показали значительное присутствие эпизодов ВСС среди случаев смертности от различных патологий сердечно-сосудистой системы, большая часть таких случаев приходилась на коронарную болезнь сердца, кардиомиопатии и каналопатии, ответственные за нарушение сердечного ритма, приводящие к остановке кровообращения [8]. Фременгемское статистическое исследование показало, эпизоды ВСС при первых приступах инфаркта (ИМ) миокарда составляют около 50% [2]. В другом
статистическом обзоре распространенность ВСС после приступов ИМ в течение года, 5 и 10 лет составляет 7-20%, 24-38%, и 40-56% соответственно [9]. При различных кардиомиопатиях доля случаев ВСС составляет от 2 до 4% [10, 11]. Наблюдается связь между ВСС и нарушениями сердечного ритма (аритмии), приводящего к остановке сердца [12]. Развитию фибрилляции желудочков сердца способствуют факторы, снижающие электрическую стабильность миокарда.
При наличии электрической нестабильности, как причины ВСС, удалось уменьшить количество смертей путем имплантирования кардиовертера дефибриллятора (ИКД,), который оказался очень эффективен в борьбе с данным феноменом [10, 13]. Тем не менее, сохраняется актуальность уточнения и поиска новых показаний к применению данного средства лечения из- за неоднозначности существующих критериев стратификации людей по группам риска [14].
Существующие методы классификации причин внезапной сердечной смерти не позволяют точно определить группы риска и корректно рекомендовать лечение. Например, в исследовании DANISH приводится статистика, согласно которой группа людей, входившая в область риска возникновения ВСС, на самом деле не нуждалась в имплантации назначенной им установки кардиостимуляторов и была напрасно подвергнута послеоперационным рискам. В то же время, 80% случаев сердечного ареста, случавшихся за пределами медицинских заведений, происходило у людей без рекомендации вживления кардиостимулятора. [15-17].
Таким образом, на данный момент группой людей, находящейся в наибольшей уязвимости для случаев ВСС при стратификации населения, являются больные без явных признаков ССЗ, так как службы здравоохранения и сама группа людей остаются в неведении о предстоящем событии и не могут предпринять предупреждающих ВСС мер. Таким образом, актуальность разработки новых методов и системы стратификации населения на предмет предрасположенности к эпизодам ВСС является критическим на глобальном уровне.
Исследование микропотенциалов сердца у человека позволит выявить изменение электрофизиологических параметров миокарда, отражающих дополнительные новые признаки риска ВСС.
Цель диссертационной работы:
Провести исследования структуры микропотенциалов сердца человека по результатам регистрации ЭКГ высокого разрешения программно-аппаратным комплексом (АПК) на базе наносенсоров для оценки диагностической ценности метода регистрации микропотенциалов в различных когортах добровольцев и разработать промышленный образец АПК, конструкцию наносенсора и седства крепления для удобного и быстрого размещения наносенсоров на поверхности грудной клетки человека.
Для достижения поставленной цели необходимо найти решение для следующих задач:
1) Обобщить известные методы стратификации внезапной сердечной смерти.
2) Разработать алгоритмы и программы обработки электрокардиограммы высокого разрешения с микропотенциалами сердца с сохранением данных в автоматизированной базе данных.
3) Провести медицинские исследования на различных когортах добровольцев.
4) Выполнить статистическую обработку результатов и сделать анализ диагностической ценности метода регистрации микропотенциалов сердца для стратификации потока пациентов.
5) Разработать промышленный образец программно-аппаратного комплекса на базе наносенсоров и средство крепления наносенсоров на грудной клетке для регистрации микропотенциалов сердца.
Объект исследования - микропотенциалы сердечно-сосудистой системы человека.
Предмет исследования - метод стратификации пациентов по степени риска внезапной сердечной смерти по результатам регистрации микропотенциалов сердца аппаратно-программным комплексом высокого разрешения на наносенсорах, оценка диагностической ценности метода, промышленный образец аппаратно-программного комплекса, наносенсоров и средства крепления наносенсоров на грудной клетке.
Методы исследований
В ходе проведенных исследований были применены экспериментальные и теоретические методы, полагающиеся на теорию прикладной и вычислительной математики, принципы построения современных аппаратно-программных средств, теории измерительных сигналов. В исследованиях так же использовались современные прикладные математические программы для персонального компьютера.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются использованием аттестованного испытательного стенда и результатами статистической обработки микропотенциалов сердца.
Научная новизна работы:
1. Впервые разработаны алгоритм и программа для автоматизированной обработки электрокардиограммы высокого разрешения с микропотенциалами сердца и определения распределения энергии микропотенциалов по амплитудно-временным интервалам с записью данных в автоматизированную базу данных.
2. Впервые проведена регистрация ЭКГ высокого разрешения с микропотенциалами АПК на наносенсорах на различных когортах добровольцев.
3. Впервые проведено исследование структуры микропотенциалов, которое показало следующее:
- превышение суммарной энергии микропотенциалов при динамических исследованиях выше 150 % и уменьшение ниже 50 % являются предикторами внезапной сердечной смерти;
- исследование энергий микропотенциалов в различных амплитудных и временных интервалах показало высокую диагностическую ценность данного метода.
Практическая ценность работы:
1. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности ФГАОУ ВО НИ ТПУ, по проекту ФЦП «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», Соглашение № 14.578.21.0032 от 05.06.2014, 2014-2016 гг.
2. Спроектированы и изготовлены аппаратная часть промышленного образца аппаратно-программного комплекса, наносенсоры и средства крепления наносенсоров на грудной клетке.
3. Проведены медицинские исследования на добровольцах в Томском НИИ кардиологии.
Личный вклад автора
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Алгоритмы и программы для автоматизированной обработки электрокардиограммы высокого разрешения с микропотенциалами сердца и определения распределения энергии микропотенциалов по амплитудно-временным интервалам с записью данных в автоматизированную базу данных.
2. Метод стратификации пациентов по степени риска внезапной сердечной смерти по результатам измерения энергий микропотенциалов сердца аппаратно-программным комплексом высокого разрешения на наносенсорах в различных амплитудных и временных интервалах.
3. Результаты предварительных медицинских исследований сердечно-сосудистой системы человека, которые показали высокую диагностическую ценность разработанного метода стратификации пациентов по степени риска внезапной сердечной смерти.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- II Международная конференция «Когнитивная робототехника». - Томск, 22-25 ноября 2017 г.
-VIII International scientific and practical conference “Information and measuring equipment and technologies” (Россия, г. Томск, 22-25 ноября 2017 г.),
-VII Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее (Россия, г. Томск, 8-13 октября 2018 г.),
-IX научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» (Россия, г. Томск, 21-24 ноября 2018 г.),
- V Международная конференция по инновациям в неразрушающем контроле SIBTEST. - Екатеринбург, 26-28 июня 2019 г. (2 доклада).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе: 1 - из списка ВАК, 8 - в зарубежных изданиях, рецензируемых базой цитирования WOS и SCOPUS, 3 - в других источниках, получено 1 свидетельство на программу ЭВМ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Общий объем 393 страниц, в т.ч. рисунков - 38, таблиц - 15, библиография содержит 98 наименований. Общий объём приложений составляет 292 страницы.
Купить

1. Наиболее широкое применение для классификации внезапной сердечной смерти получили электрокардиографический метод и метод эхокардиографии.
Существующие методы классификации внезапной сердечной смерти не позволяют точно определить группы риска и корректно рекомендовать лечение.
На данный момент группой людей, находящейся в наибольшей уязвимости при стратификации населения, являются больные без явных признаков ССЗ, так как службы здравоохранения и сама группа людей остаются в неведении о предстоящем событии и не могут предпринять предупреждающих ВСС мер. Таким образом, актуальность разработки новых методов и системы стратификации населения на предмет предрасположенности к эпизодам ВСС является критическим на глобальном уровне.
Известные стационарные и носимые технические средства имеют следующие основные технические параметры:
- амплитудный диапазон от 30 мкВ до 10 мВ;
- частотный диапазон от 0,05 Гц до 100 Гц;
- частота дискретизации от 128 Гц до 1024 Гц.
Создание новых методов и подходов по зарегистрированным неинвазивго микропотенциалам сердца для динамического наблюдения за работой сердца исследуемого является актуальной задачей.
2. Разработана аппаратная часть промышленного образца АПК для исследования биоэлектрической активности сердца человека, способный регистрировать сигналы от 300 нВ и выше в реальном времени в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц. В разработанном АПК предусмотрено измерение амплитуды микропотенциалов сердца и их длительности в диапазоне от 0,1 мс до 100 мс.
Проведенные технические испытания АПК подтвердили следующие параметры:
- диапазон входных напряжений от ± 0,3 мкВ до ± 10 мВ;
- частотный диапазон от 0 до 10000 Гц;
- частота дискретизации 32000 Гц и 64000 Гц;
- диапазон измерения длительности микропотенциалов изменяется от 0,1 мс до 100 мс.
Для промышленного образца разработаны 2 печатные платы в пакете MICAD. Разработана конструкция наносенсора и средства крепления наносенсора с направляющими для установки наносенсора в места отведения электрокардиограммы.
3. Разработан алгоритм и программа, позволяющие детектировать элементы кардиоимпульсов с высокой точностью.
Разработан алгоритм и программа автоматизации формирования статистических данных для анализа микропотенциалов по амплитудно-временным интервалам с записью результатов расчета в базу данных.
4. Динамическое наблюдения за состоянием электрической активности миокарда применением метода регистрации и анализа параметров микропотенциалов сердца показал свою диагностическую ценность в процессе длительного наблюдения за пациентом. Проведенный анализ по годам показал, что улучшение в работе сердца пациента с фибрилляцией предсердий произошло после операции 01.03.2017 г. - баллонная дилатация и стентирование стенозов передней нисходящей артерии стентом, улучшение происходило постепенно и значимое изменение произошло 24.05.2019 г., восстановился синусовый ритм.
Метод обладает высокой информативностью. Применение метода возможно как в лечебных учреждениях, так и в домашних условиях для персонального применения.
Преимущества метода мониторирования микропотенциалов сердца в динамике:
• Проведенное исследование показало, что для диагностики состояния мышцы сердца достаточно проводить наблюдение 1 раз в неделю, что не требует постоянного ношения оборудования.
• Исследования проводят в состоянии покоя, поэтому нет необходимости бороться с артефактами движения.
• Не предъявляются особые требования к весу и габаритам АПК.
5. Динамические исследования микропотенциалов являются актуальными для оценки динамики микропотенциалов, отражающих спонтанную активность клеток миокарда, для раннего выявления нарушений либо улучшений в электрофизиологической функции сердца. Разработанный метод регистрации микропотенциалов в реальном времени без фильтрации и усреднения АПК на наносенсорах имеет высокую диагностическую ценность. Параметры микропотенциалов (энергия, амплитуда и длительность) отражают состояние электрической активности сердечной мышцы.
Метод обладает высокой информативностью. Применение метода возможно как в лечебных учреждениях, так и в домашних условиях для персонального применения.
6. Превышение энергии микропотенциалов более порога 150 % или уменьшение энергии
микропотенциалов менее порога 50 % являются предикторами критического изменения
электрической активности миокарда, что может свидетельствовать о высоком риске развития осложнений течения заболевания, ВСС.
7. Результаты анализа энергий микропотенциалов в различных временных и амплитудных интервалах методом Манна-Уитни показало следующее:
- для групп 1А и 1Б значимые изменения в амплитудном диапазоне (0,5-1,0) мкВ получены в 1 временных интервалах, (1,1-3,0) мкВ получены в 4-х временных интервалах, (3,1-5,0) мкВ - в 6 временных интервалах, (5,1-20,0) мкВ - в 5 временных интервалах;
- для групп 1А и «Норма» значимые изменения в амплитудном диапазоне (0,5-1,0) мкВ получены в 5 временных интервалах, (1,1-3,0) мкВ получены в 3-х временных интервалах, (3,1-5,0) мкВ - в 6 временных интервалах, (5,1-20,0) мкВ - в 6 временных интервалах;
- для групп 1Б и «Норма» значимые изменения в амплитудном диапазоне (0,5-1,0) мкВ получены в 6 временных интервалах, (1,1-3,0) мкВ получены в 2-х временных интервалах, (3,1-5,0) мкВ - в 1 временном интервале, (5,1-20,0) мкВ - в 4 временных интервалах.
Полученные результаты свидетельствуют о высокой диагностической ценности предложенного метода оценки энергий микропотенциалов в различных временных и амплитудных интервалах.

Купить