Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФЕ НА НАНОСЕНСОРАХ

Турушев Н.В. 1 Григорьев М.Г. 1
1 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Прецизионные методы и приборы для диагностики сердечно – сосудистых заболеваний являются одними из основных направлений развития современной техники в области медицинского приборостроения. Однако на данном этапе развития не существует мало габаритных аппаратов, позволяющих проводить диагностику сердечной мышцы с прецизионной точностью и без внутреннего вмешательства в организм. В данном исследовании рассмотрены методы измерения биопотенциалов с поверхности тела человека при помощи электрокардиографических наносенсоров. Рассмотрен прибор, разрабатываемый в лаборатории №63 Института Неразрушающего Контроля Национального Исследовательского Томского Политехнического Университета, его параметры и основные характеристики. В статье акцентируется внимание на применении более чувствительного оборудования для более глубокого изучения человеческого организма. Приведены результаты проведённых измерений с помощью разработанного прибора.
электрокардиограф
электрокардиография
биопотенциал
медицинские приборы
применение хлорсеребряных наносенсоров
1. Авдеева Д.К., Рыбалка С.А., Южаков М.М. Разработка метода измерения широкополосных сигналов нановольтового и микровольтового уровня для электрофизиологических исследований // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2012. – №11. – С. 37 – 38.
2. Григорьев М. Г., Турушев Н. В. Моделирование электрической активности сердца // Современное состояние и проблемы естественных наук: сборник трудов всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, (Юрга, 17 – 18 Апреля 2014г.). – Томск; 2014. – C. 317 – 320.
3. Тарасенко Ф.П. Прикладной системный анализ: учебное пособие. М.: КноРус, 2010. – 224 с.
4. Honq M. The Development of ECG and PPG Measurement Device // Applied Mechanics and Materials. – 2012. – No. 236/5.– pp. 1205 – 1210
5. Nihon Kohden CardioFax cardiofax GEM // Med-electronics URL: http://www.med-electronics.com/Nihon-Kohden-CardioFax-cardiofax-GEM-p/nk-9020k-v.htm (дата обращения: 01.04.2014).
6. Rekha B. B., Kandaswamy A., Keerthana R.A. Artificial Intelligence Based Automated Estimation of Sleep Stages Using Electrocardiograph Signals: A Perspective // Applied Mechanics and Materials. – 2014. – No. 573/9.– pp. 836 – 841
7. Tancheng L., Peng L., Xiang G., Qiyong L. A Portable ECG Monitor with Low Power Consumption and Small Size Based on AD8232 Chip // Applied Mechanics and Materials. – 2014. – No. 513/3.– pp. 2884 – 2887
8. Ying-Chieh W., Ying-Yu W., Shaang-Tzuu W., Ling-Sheng J. Design of a Programmable ECG Generator Using a Dynamical Model // Applied Mechanics and Materials. – 2013. – No. 311/8.– pp. 485 – 490

Сердечно-сосудистые заболевания, также как и онкологические заболевания уверенно держат лидерство среди самых опасных и распространенных болезней XXI века.

В экономически развитых странах болезни сердца являются одними из самых распространенных заболеваний, среди всех причин смертности населения их доля составляет более 20% в Европе и более 50% в РФ (ЕОК, 2008; ВОЗ, 2009). Беспокойство вызывает так же то, что возраст больных неуклонно снижается, соответственно количество случаев сердечных заболеваний постоянно увеличивается. В настоящее время весьма часто бывают случаи, когда в больницы и кардиологические центры обращаются люди с инфарктом миокарда возрастом 23-25 лет. Особенно часто заболевания сердца диагностируются у мужчин трудоспособного возраста[2, 6, 7].

Сердечно-сосудистое заболевание сердца – является ярким примером патологий, течение и исход которых непосредственно зависит от времени обращения к врачу, своевременно поставленного диагноза и начала правильного лечения. Исходя из выше сказанного, симптомы и проявления подобных заболеваний и способы оказания доврачебной помощи при сердечном приступе, необходимо знать каждому человеку, даже тем, кто весьма далек от медицины.

Исследование возможностей электрокардиографа на наносенсорах

Самым доступным и распространенным методом диагностики сердечно-сосудистой системы является электрокардиография, основанная на принципе измерения биопотенциалов с поверхности тела человека при помощи электрокардиографических электродов, которые широко используется во врачебной практике [4]. В клинической практике электрокардиография получила широкое распространение за счет хорошей восприимчивости и высокой информативности получаемых результатов в сочетании с минимальным воздействием на организм человека. Электрокардиография в России получила особенно большое распространение, в настоящее время практически невозможно найти лечебное учреждение, будь то больница или поликлиника, не имеющее у себя на вооружении электрокардиографа.

Исходя из выше сказанного, в лаборатории медицинского приборостроения института неразрушающего контроля ТПУ в течение нескольких лет ведутся работы по повышению разрешения не только отдельных элементов ЭКГ аппаратуры, но и всего комплекса в целом. Применение наноразмерных частиц серебра в конструкции электрокардиографического наносенсора позволило достичь многократного повышения его метрологических характеристик [1, 8, 3]. В совокупности с разработкой малошумящих регистрирующих приборов удалось достичь повышения разрешения сигнала до сотен нановольт (при общепринятых десятках и сотнях микровольт).

Разрабатываемый прибор обладает следующими техническими характеристиками:

  • диапазон входных напряжений от ± 0,0002 мВ до ±20 мВ (по ГОСТ 19687-89 от 0,03мВ до 5 мВ);
  • уровень внутренних шумов от пика до пика – от -0,2мкВ до +0,2мкВ
  • частота квантования – 2000 Гц;
  • ступень квантования – 20 нВ;
  • кол-во каналов – 6;
  • кол-во электродов - 10.

В структуре электрокардиографа отсутствуют фильтры (ФВЧ и заграждающий сетевой фильтр 50 Гц).

Задачи планируемые решать с помощью электрокардиографа:

  • регистрация биопотенциалов сердца, набор статистического материала в норме и патологии;
  • разработка программных фильтров, не вносящих искажения в тонкую структуру исследуемого сигнала;
  • анализ сигналов, обнаружение низкоамплитудных потенциалов в реальном времени (поздних потенциалов предсердий – ППП, поздних потенциалов желудочков – ППЖ);
  • оценка искажений зарегистрированных низкоамплитудных биопотенциалов фильтрами стандартного медицинского диагностического оборудования.

В научно-исследовательском институте кардиологии города Томска были проведены тестовые измерения и исследования электрокардиографа на наносенсорах. Пациенты, имеющие заболевания в сердечно-сосудистой системе, были исследованы с помощью электрокардиографа на наносенсорах в трех грудных отведениях по Небу и в трех отведениях от конечностей (I, II, III). Сразу после снятия результатов, регистрировалась электрокардиограмма на стандартном электрокардиографе по тем же отведениям. Исследования проводились на основе Томского Научно-исследовательского института кардиологии. В качестве стандартного электрокардиографа был использован CardioFax GEM (NIHON KOHDEN)[5]. Медицинские исследования были проведены с обеспечением максимального комфорта для пациента: отсутствие отвлекающих и раздражающих факторов (шум, разговоры, посторонние лица), спокойная обстановка, нормальное освещение и температура в специальном медицинском кабинете. Электрокардиограмма снималась с трех отведений от грудной клетки и конечностей, с каждого отведения длительность записи равна трем минутам. В общем, исследования были проведены на восемнадцати пациентах с различными аномалиями сердечно-сосудистой системы.

На рисунке 1 представлены данные пациента P6, снятые с помощью электрокардиографа на наносенсорах.

а) Электрокардиограмма пациента P6 (Отведение I)

б) Электрокардиограмма пациента P6 (Отведение II)

в) Электрокардиограмма пациента P6 (Отведение III)

Рис. 1. Электрокардиограммы пациента P6, зарегистрированные с помощью электрокардиографа на наносенсорах.

На рисунке 2 представлены данные пациента P6, снятые в тот же день с помощью стандартного электрокардиографа CardioFax GEM (NIHON KOHDEN).

Рис. 2. Электрокардиограммы с трех отведений от конечностей пациента P6, зарегистрированные на стандартном электрокардиографе с разрешением по времени 25мм/с и по амплитуде 10мм/мВ

На рисунке 3 представлены данные пациента с кардиостимулятором P18.

а) электрокардиограмма пациента с кардиостимулятором

б) фрагмент электрокардиограммы пациента с кардиостимулятором

Рис. 3. Электрокардиограммы, зарегистрированные с помощью электрокардиографа на наносенсорах снятые с пациента с кардиостимулятором P18

На рисунке 4 представлены данные пациента P18 с кардиостимулятором, снятые в тот же день с помощью стандартного электрокардиографа CardioFax GEM (NIHON KOHDEN).

Рис. 4. Электрокардиограммы пациента с кардиостимулятором P18, зарегистрированные на стандартном электрокардиографе с разрешением по времени 25мм/с и по амплитуде 10мм/мВ

Заключение

По результатам проведенных медицинских исследований установлено:

  • электрокардиограф на наносенсорах позволяет регистрировать сигнал с уровнем, составляющим единицы мкВ;
  • нет необходимости фильтровать сигнал с электрокардиографа на наносенсорах;
  • запись электрокардиограммы у пациентов с кардиостимулятором не содержит артефакты, вызванные его работой.

В дальнейшем планируется повышение автоматизации прибора, его тестирование и накопление результатов кардиографических исследований.

Работа выполнена при финансовой поддержке «Проведение фундаментальных исследований по выявлению изменений электрокардиографического сигнала нановольтового и микровольтового уровня с целью ранней диагностики сердечно-сосудистых заболеваний» по Госзаданию «Наука».

Рецензенты:

Агафонников В.Ф., д.т.н., профессор кафедры конструирования узлов и деталей РЭС Томского университета систем управления и радиоэлектроники, г. Томск;

Ким В.Л., д.т.н., профессор кафедры вычислительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Турушев Н.В., Григорьев М.Г. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФЕ НА НАНОСЕНСОРАХ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15426 (дата обращения: 10.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074