Помощь студентам в учебе
ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФ ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ РЕГИСТРАЦИИ СПОНТАННОЙ АКТИВНОСТИ КЛЕТОК МИОКАРДА С ЦЕЛЬЮ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИЗНАКОВ ВНЕЗАПНОЙ СЕРДЕЧНОЙ СМЕРТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИЗНАКОВ ВНЕЗАПНОЙ СЕРДЕЧНОЙ СМЕРТИ .... 12
1.1 Внезапная сердечная смерть 14
1.2 Методы выявления признаков ВСС 19
1.3 Исследование микропотенциалов сердца 23
1.2 Электрокардиография высокого разрешения 25
1.5 Обзор диагностических устройств электрокардиографии
высокого разрешения 29
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ НАНОСЕНСОРОВ 39
2.1 Разработка аппаратной части АПК 39
2.2 Результаты технических испытаний АПК 42
2.3 Разработка конструкции наносенсора и медицинского пояса для установки
наносенсоров на грудной клетке человека 54
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ФАЗОВОГО ФИЛЬТРА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 59
3.1 Математическое обоснование фазового фильтра 59
3.2 Зависимость фазы опорного импульса при воздействии
измеряемого сигнала 62
3.3 Корректировка программного обеспечения «ЭКС анализатор» 68
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ И МЕТОДИК ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ДОБРОВОЛЬЦАХ 79
4.1 Методики проведения исследований 79
4.1.1 Сравнение энергии электрокардиосигнала и собственного шума
измерительной аппаратуры в узких частотных диапазонах 79
4.1.2 Анализ поздних потенциалов желудочков (ППЖ) по Симсону 81
4.1.3 Анализ поздних потенциалов желудочков (ППЖ) по Симсону - одиночные
циклы 84
4.1.4 Анализ микропотенциалов реального времени на ST-сегменте 84
4.1.5 Анализ микропотенциалов предсердий реального времени 88
4.1.6 Анализ ЧСС за время исследований ЭКГ высокого разрешения 89
4.1.7 Демонстрация ЭКГ высокого разрешения и ее фрагмента 90
4.1.8 Демонстрация фрагмента ЭКГ высокого разрешения в увеличенном
масштабе и спектра в диапазоне (0-100) Гц 91
4.1.9 Получение стандартной ЭКГ с помощью программных фильтров 92
4.1.10 Анализ сдвига ST. Динамический анализ временных интервалов ЭКГ 92
4.2 Проведение предварительных медицинских исследований на добровольцах . 95 ГЛАВА 5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ДОБРОВОЛЬЦАХ 99
5.1 Анализ частотного диапазона ЭКГ высокого разрешения 90
5.2 Анализ помехоустойчивости АПК к сосредоточенным помехам 101
5.3 Анализ результатов регистрации микропотенциалов в реальном времени на
добровольцах 104
5.3.1 Группа - «Норма», 4 добровольца 105
5.3.2 Группа 1А - летальный исход, 4 добровольца 110
5.3.3 Группа 1Б, 4 добровольца 119
5.3.4 Группа 2 - 2 добровольца 131
5.3.5 Группа 3 - 1 доброволец 140
5.3.6 Группа 4 - 1 доброволец 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 170
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Принципиальные схемы аппаратно-программного комплекса 180
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа и методика испытаний АПК 189
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Руководство оператора 215
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акт технических испытаний экспериментальных образцов аппаратно-программных комплексов АПК 257
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Программа «Фазовый фильтр» 280
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Программа и методики предварительных медицинских исследований 285
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Акт результатов проведения предварительных медицинских исследований
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИЗНАКОВ ВНЕЗАПНОЙ СЕРДЕЧНОЙ СМЕРТИ .... 12
1.1 Внезапная сердечная смерть 14
1.2 Методы выявления признаков ВСС 19
1.3 Исследование микропотенциалов сердца 23
1.2 Электрокардиография высокого разрешения 25
1.5 Обзор диагностических устройств электрокардиографии
высокого разрешения 29
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ НАНОСЕНСОРОВ 39
2.1 Разработка аппаратной части АПК 39
2.2 Результаты технических испытаний АПК 42
2.3 Разработка конструкции наносенсора и медицинского пояса для установки
наносенсоров на грудной клетке человека 54
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ФАЗОВОГО ФИЛЬТРА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 59
3.1 Математическое обоснование фазового фильтра 59
3.2 Зависимость фазы опорного импульса при воздействии
измеряемого сигнала 62
3.3 Корректировка программного обеспечения «ЭКС анализатор» 68
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ И МЕТОДИК ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ДОБРОВОЛЬЦАХ 79
4.1 Методики проведения исследований 79
4.1.1 Сравнение энергии электрокардиосигнала и собственного шума
измерительной аппаратуры в узких частотных диапазонах 79
4.1.2 Анализ поздних потенциалов желудочков (ППЖ) по Симсону 81
4.1.3 Анализ поздних потенциалов желудочков (ППЖ) по Симсону - одиночные
циклы 84
4.1.4 Анализ микропотенциалов реального времени на ST-сегменте 84
4.1.5 Анализ микропотенциалов предсердий реального времени 88
4.1.6 Анализ ЧСС за время исследований ЭКГ высокого разрешения 89
4.1.7 Демонстрация ЭКГ высокого разрешения и ее фрагмента 90
4.1.8 Демонстрация фрагмента ЭКГ высокого разрешения в увеличенном
масштабе и спектра в диапазоне (0-100) Гц 91
4.1.9 Получение стандартной ЭКГ с помощью программных фильтров 92
4.1.10 Анализ сдвига ST. Динамический анализ временных интервалов ЭКГ 92
4.2 Проведение предварительных медицинских исследований на добровольцах . 95 ГЛАВА 5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ДОБРОВОЛЬЦАХ 99
5.1 Анализ частотного диапазона ЭКГ высокого разрешения 90
5.2 Анализ помехоустойчивости АПК к сосредоточенным помехам 101
5.3 Анализ результатов регистрации микропотенциалов в реальном времени на
добровольцах 104
5.3.1 Группа - «Норма», 4 добровольца 105
5.3.2 Группа 1А - летальный исход, 4 добровольца 110
5.3.3 Группа 1Б, 4 добровольца 119
5.3.4 Группа 2 - 2 добровольца 131
5.3.5 Группа 3 - 1 доброволец 140
5.3.6 Группа 4 - 1 доброволец 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 170
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Принципиальные схемы аппаратно-программного комплекса 180
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа и методика испытаний АПК 189
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Руководство оператора 215
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акт технических испытаний экспериментальных образцов аппаратно-программных комплексов АПК 257
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Программа «Фазовый фильтр» 280
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Программа и методики предварительных медицинских исследований 285
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Акт результатов проведения предварительных медицинских исследований
Актуальность работы
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 [58]. Сердечно-сосудистые заболевания широко распространены по всему возрастному спектру человека, но наибольшее количество случаев летальных исходов приходится на возрастную группу старше 70 лет. Три четверти всех смертей зарегистрированы среди населения с низким и средним достатком. [90]
Наиболее коварным видом летального исхода является феномен внезапной сердечной смерти. Внезапная сердечная смерть - это вид скоротечной ненасильственной смерти, вызванной остановкой сердца. [85] Феномен особенно опасен тем, что не обладает ярко выраженными специфичными симптомами, по которым его можно заранее определить и принять необходимые меры его предотвращения или оказать соответствующую помощь. Таким образом, человек может оказаться полностью беззащитным перед данным синдромом в самый неподходящий момент. Например, находясь в общественном транспорте, в процессе отдыха на дикой природе, во время работы на оборудовании или пилотирования транспортного средства, что может повлечь за собой гибель не только пострадавшего, но и людей, находившихся под его ответственностью.
Согласно статистическому анализу различных авторов, в США фиксируется от 300000 до 400000 случаев ВСС в год, частота возникновения 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. За год, согласно рассчитанной статистике, число умерших по механизмам ВСС в России составляло 141 909 - 460766 человек. Средний показатель случаев ВСС для возрастной группы до 30 лет составляет 1,3 на 100000 человек в год, в то время как для возрастной группы от 60 лет частота значительно увеличивается до 8 случаев на 1000 человек в год [8,85]. Характерно также то, что количество умирающих от ВСС женщин в 2 раза меньше чем мужчин [92]. Является тревожащим факт распространенности случаев ВСС среди людей, занимающихся активными видами спорта [69] и у которых никогда ранее не проявлялись симптомы сердечных заболеваний. S.P. van Camp выяснил, что в США у школьников, ведущих спортивный образ жизни, частота возникновения случаев ВСС составляла 7,47 и 1,33 на 1000000 детей соответственно для мужского и женского пола. Для учащихся колледжей - 1,45 случаев на 100000 юношей в год и 0,28 на 100000 девушек в год. У профессиональных спортсменов частота ВСС составляет 0,35 на 100000 в год, а также 0,46 на 100000 и 0,77 на 100000 в год для спортсменов-любителей мужского и женского пола соответственно [14].
Большой интерес для диагностики на данное время представляет исследование низкоамплитудных потенциалов сердца человека. Диагностика локальных групп кардиомиоцитов, имеющих малую амплитуду потенциалов и обладающих меньшей энергией, сдерживалась из-за высокого уровня шумов измерительной аппаратуры.
Организация системы оценки по микропотенциалам степени повреждения или аномального функционирования участков сердца и рисков возникновения аритмий, создание новых аритмогенных ЭКГ-маркеров может позволить стратифицировать население, проходящее диспансеризацию, по новым категориям риска развития ВСС и предотвратить возможные случаи смерти в будущем.
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.
45% всех случаев ВСС происходят у людей, у которых не было зарегистрировано болезней сердца при исследованиях в поликлинических условиях.
В настоящее время единственной диагностической аппаратурой, применяемой для глобального мониторинга населения в амбулаторных условиях, является исследование электрической активности сердца.
Регистрация микропотенциалов сердца является актуальной задачей для формирования новой системы стратификации пациентов.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование электрокардиографа для неинвазивной регистрации спонтанной активности клеток миокарда с целью раннего обнаружения признаков внезапной сердечной смерти.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Разработать электрокардиографический аппаратно-программный комплекс высокого разрешения для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без усреднения и фильтрации в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц, уровень которых составляет 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт.
2) Разработать математическое, алгоритмическое и программное обеспечение фазового фильтра для устранения шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени с целью стратификации пациентов на группы при электрокардиографическом исследовании в поликлинических исследованиях.
3) Разработать специальную конструкцию наносенсора и медицинского пояса для быстрого наложения наносенсоров на грудную клетку пациента в поликлинических исследованиях.
4) Провести технические испытания разработанного АПК на специальном испытательном оборудовании для оценки их технических характеристик и разрешающей способности.
5) Провести предварительные медицинские исследования аппаратно-программного комплекса на добровольцах, перенесших инфаркт с различными видами патологий сердечно-сосудистой системы, и на группе «норма».
Методы исследований
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории измерительных сигналов, прикладной и вычислительной математике, прикладных программах для персонального компьютера, принципах построения современных аппаратно-программных средств.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются использованием аттестованного испытательного стенда, прошедшего испытания в Томском центре стандартизации и метрологии, и подтверждены результатами технических испытаний и предварительных медицинских исследований на добровольцах.
Научная новизна работы:
1) Впервые для электрокардиографических исследований разработан электрокардиографический аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать 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.
2) Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение фазового фильтра для устранения шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени с целью стратификации пациентов на группы при электрокардиографическом исследовании в поликлинических исследованиях и разработан алгоритм для ручной коррекции сегментирования электрокардиограмм, форма которых значительно отличается от классической.
3) 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 микропотенциалов 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 ценность работы:
1) Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ
Института неразрушающего контроля ФГАОУ ВО НИ ТПУ, по проекту РФФИ № 12-08-00996 «Исследование искажений тонкой структуры (низкоамплитудных высокочастотных колебаний) биопотенциалов сердца и мозга, вносимых фильтрующими схемами медицинского диагностического оборудования; поиск путей устранения помех с сохранением тонкой структуры уровнем менее 1 мкВ в полосе частот 0 - 150 Гц», 2012-2013 гг., и 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) Разработана конструкция наносенсора и медицинского пояса для быстрой установки наносенсоров на груди пациента в условиях поликлиники, программа и методика испытаний аппаратно-программного комплекса, программа и методики предварительных медицинских исследований на добровольцах. необходимые для внедрения результатов работы в серийное производство.
3) Проведены технические испытания аппаратно-программного комплекса и предварительные медицинские исследования на добровольцах в Томском НИИ микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц, длительностью от 0,3 мс до 100 мс.
Личный вклад автора
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) Аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт длительностью от 0,3 мс до 100 мс, в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала.
2) Алгоритм фазового фильтра для устранения собственного шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени при съёме электрокардиограммы для стратификации пациентов и формирования группы повышенного риска для дальнейшего углубленного исследования.
3) Комплекс параметров и характеристик микропотенциалов сердца для раннего обнаружения признаков внезапной смерти человека:
• амплитуда и длительность микропотенциалов,
• спектр электрокардиосигнала и амплитуда боковых спектральных составляющих,
• гистограммы по амплитудным, средним значениям микропотенциалов и их длительности.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». - Томск, 22-25 апреля 2014 г.
• Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, 14-18 апреля 2014 г.
• Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». - Томск, 26-30 мая 2014 г.
• Пятая международная конференция «Нанотехнологии и биосенсоры». - Барселона, Испания, 18-20 декабря 2014 г.
• Международная конференция по мехатронике и механическому дизайну. - Гонконг, Китай, 26-28 декабря 2014 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе: 1 - в изданиях из списка ВАК, 3 - в зарубежных изданиях, рецензируемых базой цитирования SCOPUS. Получено 4 патента на полезную модель. Результаты исследований изложены в 1 отчете по НИР и в двух отчетах о ПНИ, зарегистрированных в ЦИТИС.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Общий объем 303 страницы, в т.ч. рисунков - 142, таблиц - 20, библиография содержит 93 наименования. Общий объём приложений составляет 124 страницы.
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 [58]. Сердечно-сосудистые заболевания широко распространены по всему возрастному спектру человека, но наибольшее количество случаев летальных исходов приходится на возрастную группу старше 70 лет. Три четверти всех смертей зарегистрированы среди населения с низким и средним достатком. [90]
Наиболее коварным видом летального исхода является феномен внезапной сердечной смерти. Внезапная сердечная смерть - это вид скоротечной ненасильственной смерти, вызванной остановкой сердца. [85] Феномен особенно опасен тем, что не обладает ярко выраженными специфичными симптомами, по которым его можно заранее определить и принять необходимые меры его предотвращения или оказать соответствующую помощь. Таким образом, человек может оказаться полностью беззащитным перед данным синдромом в самый неподходящий момент. Например, находясь в общественном транспорте, в процессе отдыха на дикой природе, во время работы на оборудовании или пилотирования транспортного средства, что может повлечь за собой гибель не только пострадавшего, но и людей, находившихся под его ответственностью.
Согласно статистическому анализу различных авторов, в США фиксируется от 300000 до 400000 случаев ВСС в год, частота возникновения 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. За год, согласно рассчитанной статистике, число умерших по механизмам ВСС в России составляло 141 909 - 460766 человек. Средний показатель случаев ВСС для возрастной группы до 30 лет составляет 1,3 на 100000 человек в год, в то время как для возрастной группы от 60 лет частота значительно увеличивается до 8 случаев на 1000 человек в год [8,85]. Характерно также то, что количество умирающих от ВСС женщин в 2 раза меньше чем мужчин [92]. Является тревожащим факт распространенности случаев ВСС среди людей, занимающихся активными видами спорта [69] и у которых никогда ранее не проявлялись симптомы сердечных заболеваний. S.P. van Camp выяснил, что в США у школьников, ведущих спортивный образ жизни, частота возникновения случаев ВСС составляла 7,47 и 1,33 на 1000000 детей соответственно для мужского и женского пола. Для учащихся колледжей - 1,45 случаев на 100000 юношей в год и 0,28 на 100000 девушек в год. У профессиональных спортсменов частота ВСС составляет 0,35 на 100000 в год, а также 0,46 на 100000 и 0,77 на 100000 в год для спортсменов-любителей мужского и женского пола соответственно [14].
Большой интерес для диагностики на данное время представляет исследование низкоамплитудных потенциалов сердца человека. Диагностика локальных групп кардиомиоцитов, имеющих малую амплитуду потенциалов и обладающих меньшей энергией, сдерживалась из-за высокого уровня шумов измерительной аппаратуры.
Организация системы оценки по микропотенциалам степени повреждения или аномального функционирования участков сердца и рисков возникновения аритмий, создание новых аритмогенных ЭКГ-маркеров может позволить стратифицировать население, проходящее диспансеризацию, по новым категориям риска развития ВСС и предотвратить возможные случаи смерти в будущем.
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.
45% всех случаев ВСС происходят у людей, у которых не было зарегистрировано болезней сердца при исследованиях в поликлинических условиях.
В настоящее время единственной диагностической аппаратурой, применяемой для глобального мониторинга населения в амбулаторных условиях, является исследование электрической активности сердца.
Регистрация микропотенциалов сердца является актуальной задачей для формирования новой системы стратификации пациентов.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование электрокардиографа для неинвазивной регистрации спонтанной активности клеток миокарда с целью раннего обнаружения признаков внезапной сердечной смерти.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Разработать электрокардиографический аппаратно-программный комплекс высокого разрешения для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без усреднения и фильтрации в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц, уровень которых составляет 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт.
2) Разработать математическое, алгоритмическое и программное обеспечение фазового фильтра для устранения шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени с целью стратификации пациентов на группы при электрокардиографическом исследовании в поликлинических исследованиях.
3) Разработать специальную конструкцию наносенсора и медицинского пояса для быстрого наложения наносенсоров на грудную клетку пациента в поликлинических исследованиях.
4) Провести технические испытания разработанного АПК на специальном испытательном оборудовании для оценки их технических характеристик и разрешающей способности.
5) Провести предварительные медицинские исследования аппаратно-программного комплекса на добровольцах, перенесших инфаркт с различными видами патологий сердечно-сосудистой системы, и на группе «норма».
Методы исследований
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории измерительных сигналов, прикладной и вычислительной математике, прикладных программах для персонального компьютера, принципах построения современных аппаратно-программных средств.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются использованием аттестованного испытательного стенда, прошедшего испытания в Томском центре стандартизации и метрологии, и подтверждены результатами технических испытаний и предварительных медицинских исследований на добровольцах.
Научная новизна работы:
1) Впервые для электрокардиографических исследований разработан электрокардиографический аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать 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.
2) Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение фазового фильтра для устранения шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени с целью стратификации пациентов на группы при электрокардиографическом исследовании в поликлинических исследованиях и разработан алгоритм для ручной коррекции сегментирования электрокардиограмм, форма которых значительно отличается от классической.
3) 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 микропотенциалов 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 ценность работы:
1) Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ
Института неразрушающего контроля ФГАОУ ВО НИ ТПУ, по проекту РФФИ № 12-08-00996 «Исследование искажений тонкой структуры (низкоамплитудных высокочастотных колебаний) биопотенциалов сердца и мозга, вносимых фильтрующими схемами медицинского диагностического оборудования; поиск путей устранения помех с сохранением тонкой структуры уровнем менее 1 мкВ в полосе частот 0 - 150 Гц», 2012-2013 гг., и 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) Разработана конструкция наносенсора и медицинского пояса для быстрой установки наносенсоров на груди пациента в условиях поликлиники, программа и методика испытаний аппаратно-программного комплекса, программа и методики предварительных медицинских исследований на добровольцах. необходимые для внедрения результатов работы в серийное производство.
3) Проведены технические испытания аппаратно-программного комплекса и предварительные медицинские исследования на добровольцах в Томском НИИ микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц, длительностью от 0,3 мс до 100 мс.
Личный вклад автора
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) Аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт длительностью от 0,3 мс до 100 мс, в диапазоне частот от 0 до 10000 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала.
2) Алгоритм фазового фильтра для устранения собственного шума аппаратно-программного комплекса в реальном времени при съёме электрокардиограммы для стратификации пациентов и формирования группы повышенного риска для дальнейшего углубленного исследования.
3) Комплекс параметров и характеристик микропотенциалов сердца для раннего обнаружения признаков внезапной смерти человека:
• амплитуда и длительность микропотенциалов,
• спектр электрокардиосигнала и амплитуда боковых спектральных составляющих,
• гистограммы по амплитудным, средним значениям микропотенциалов и их длительности.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». - Томск, 22-25 апреля 2014 г.
• Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, 14-18 апреля 2014 г.
• Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». - Томск, 26-30 мая 2014 г.
• Пятая международная конференция «Нанотехнологии и биосенсоры». - Барселона, Испания, 18-20 декабря 2014 г.
• Международная конференция по мехатронике и механическому дизайну. - Гонконг, Китай, 26-28 декабря 2014 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе: 1 - в изданиях из списка ВАК, 3 - в зарубежных изданиях, рецензируемых базой цитирования SCOPUS. Получено 4 патента на полезную модель. Результаты исследований изложены в 1 отчете по НИР и в двух отчетах о ПНИ, зарегистрированных в ЦИТИС.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Общий объем 303 страницы, в т.ч. рисунков - 142, таблиц - 20, библиография содержит 93 наименования. Общий объём приложений составляет 124 страницы.
В диссертационной работе представлен аналитический обзор методов и технических средств для обнаружения признаков внезапной сердечной смерти. Дано описание феномена внезапной сердечной смерти и её причин, который особенно опасен тем, что не обладает ярко выраженными специфичными симптомами, по которым его можно заранее определить и принять необходимые меры для его предотвращения или оказать соответствующую помощь. Показано, что на данный момент единственной диагностической аппаратурой, применяемой для глобального мониторинга населения в амбулаторных условиях, является исследование электрической активности сердца. Отмечается, что несмотря на высокую информативность электрокардиографии, стандартный подход не позволяет определить признаки внезапной сердечной смерти особенно среди молодых групп населения, которые также подвергаются риску ВСС. Это требует создания новых методик исследования и определения электрической нестабильности сердца для выявления предрасположенности к ВСС. Сделано обоснование проблемы регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени и их анализа по результатам предварительных медицинских исследований на добровольцах для понимания процессов, вызывающих микропотенциалы, их корреляцию с факторами риска ВСС. Отмечается, что в существующих на рынке электрокардиографах высокого разрешения используется метод Симсона для оценки поздних потенциалов желудочков и предсердий, основанный на усреднении электрокардиосигналов и фильтрации.
Разработан аппаратно-программный комплекс, конструкция наносенсоров и медицинского пояса для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения кардиоциклов в поликлинических условиях. Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение фазового фильтра реального времени, который используется при выводе электрокардиограммы на монитор для просмотра врачом электрокардиограммы в процессе съёма ЭКГ.
Проведены технические испытания аппаратно-программного комплекса на аттестованном испытательном стенде.
Проведены предварительные медицинские исследования на группе пациентов, перенесших инфаркт, и на группе «норма».
Определены параметры и характеристики микропотенциалов сердца реального времени для ранней диагностики внезапной сердечной смерти.
Основные результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, следующие:
1) Регистрация микропотенциалов сердца реального времени является актуальной задачей для формирования новой системы стратификации пациентов.
2) Процент выживающих после сердечного ареста вне стен больницы составляет 7,6 %, поэтому определение рисков возникновения внезапной сердечной смерти (ВСС) и прогнозирование её вероятности является важнейшей задачей для снижения смертности. Разработан аппаратно-программный комплекс (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,
3) В разработанном АПК предусмотрено измерение амплитуды
микропотенциалов сердца и их длительности в диапазоне от 0,3 мс до 100 мс.
4) Разработана программа м методика технических испытаний АПК
5) Проведенные технические испытания АПК подтвердили соответствие параметров АПК требованиям программы и методики испытаний, а именно:
- диапазон входных напряжений от ± 0,3 мкВ до ± 10 мВ;
- частотный диапазон от 0 до 10000 Гц;
- частота дискретизации 32000 Гц;
- диапазон измерения длительности микропотенциалов изменяется от 0,3 мс до 100 мс.
6) В процессе испытаний была показана работоспособность специального программного обеспечения.
7) Разработано математическое и алгоритмическое обоснование фазового фильтра реального времени для устранения собственного шума аппаратно-программного комплекса в процессе съёма электрокардиограммы и отбора пациентов для углубленного исследования сердца с помощью программного обеспечения АПК.
8) Разработана программа «Фазовый фильтр», которая используется при выводе электрокардиограммы на монитор для просмотра врачом электрокардиограммы в процессе съёма ЭКГ.
9) Для обработки электрокардиограмм, форма которых значительно отличается от стандартной ЭКГ, внесены изменения в программу «ЭКС анализатор», обеспечивающие ручную корректировку детектирования элементов электрокардиограммы.
10) Разработана программа и методики предварительных медицинских исследований аппаратно-программного комплекса на добровольцах, описаны методы исследования.
11) Определены группы пациентов. разработан порядок предварительных медицинских исследований на добровольцах.
12) Показано, что частотный диапазон электрокардиограммы может достигать 5000 Гц.
13) Проведенные исследования доказывают помехоустойчивость АПК на наносенсорах к сосредоточенным электромагнитным помехам при условии, если регистрация осуществляется вдали от источников помех, например, в медицинской палате. Энергия шума при регистрации электрокардиограммы в узких частотных диапазонах (0,8 Гц) не превышает энергию шума АПК при закороченных проводах.
14) Впервые на клиническом материале показана зависимость значений микропотенциалов желудочков и предсердий, зарегистрированных в реальном времени разработанным АПК, от состояния сердца пациента и проводимых лечебных процедур - терапия либо хирургическое вмешательство.
15) Вид гистограмм распределения микропотенциалов по максимальным амплитудам, среднему значению и времени существования зависит от состояния сердца пациента - меняется максимальное значение гистограммы и её характер.
16) Показано, что для ранней диагностики внезапной сердечной смерти необходимо динамическое наблюдение за состоянием спонтанной активности клеток миокарда путем регистрации микропотенциалов 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.
Разработан аппаратно-программный комплекс, конструкция наносенсоров и медицинского пояса для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения кардиоциклов в поликлинических условиях. Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение фазового фильтра реального времени, который используется при выводе электрокардиограммы на монитор для просмотра врачом электрокардиограммы в процессе съёма ЭКГ.
Проведены технические испытания аппаратно-программного комплекса на аттестованном испытательном стенде.
Проведены предварительные медицинские исследования на группе пациентов, перенесших инфаркт, и на группе «норма».
Определены параметры и характеристики микропотенциалов сердца реального времени для ранней диагностики внезапной сердечной смерти.
Основные результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, следующие:
1) Регистрация микропотенциалов сердца реального времени является актуальной задачей для формирования новой системы стратификации пациентов.
2) Процент выживающих после сердечного ареста вне стен больницы составляет 7,6 %, поэтому определение рисков возникновения внезапной сердечной смерти (ВСС) и прогнозирование её вероятности является важнейшей задачей для снижения смертности. Разработан аппаратно-программный комплекс (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,
3) В разработанном АПК предусмотрено измерение амплитуды
микропотенциалов сердца и их длительности в диапазоне от 0,3 мс до 100 мс.
4) Разработана программа м методика технических испытаний АПК
5) Проведенные технические испытания АПК подтвердили соответствие параметров АПК требованиям программы и методики испытаний, а именно:
- диапазон входных напряжений от ± 0,3 мкВ до ± 10 мВ;
- частотный диапазон от 0 до 10000 Гц;
- частота дискретизации 32000 Гц;
- диапазон измерения длительности микропотенциалов изменяется от 0,3 мс до 100 мс.
6) В процессе испытаний была показана работоспособность специального программного обеспечения.
7) Разработано математическое и алгоритмическое обоснование фазового фильтра реального времени для устранения собственного шума аппаратно-программного комплекса в процессе съёма электрокардиограммы и отбора пациентов для углубленного исследования сердца с помощью программного обеспечения АПК.
8) Разработана программа «Фазовый фильтр», которая используется при выводе электрокардиограммы на монитор для просмотра врачом электрокардиограммы в процессе съёма ЭКГ.
9) Для обработки электрокардиограмм, форма которых значительно отличается от стандартной ЭКГ, внесены изменения в программу «ЭКС анализатор», обеспечивающие ручную корректировку детектирования элементов электрокардиограммы.
10) Разработана программа и методики предварительных медицинских исследований аппаратно-программного комплекса на добровольцах, описаны методы исследования.
11) Определены группы пациентов. разработан порядок предварительных медицинских исследований на добровольцах.
12) Показано, что частотный диапазон электрокардиограммы может достигать 5000 Гц.
13) Проведенные исследования доказывают помехоустойчивость АПК на наносенсорах к сосредоточенным электромагнитным помехам при условии, если регистрация осуществляется вдали от источников помех, например, в медицинской палате. Энергия шума при регистрации электрокардиограммы в узких частотных диапазонах (0,8 Гц) не превышает энергию шума АПК при закороченных проводах.
14) Впервые на клиническом материале показана зависимость значений микропотенциалов желудочков и предсердий, зарегистрированных в реальном времени разработанным АПК, от состояния сердца пациента и проводимых лечебных процедур - терапия либо хирургическое вмешательство.
15) Вид гистограмм распределения микропотенциалов по максимальным амплитудам, среднему значению и времени существования зависит от состояния сердца пациента - меняется максимальное значение гистограммы и её характер.
16) Показано, что для ранней диагностики внезапной сердечной смерти необходимо динамическое наблюдение за состоянием спонтанной активности клеток миокарда путем регистрации микропотенциалов 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.