Не дать сердцу умереть внезапно

С помощью этого устройства можно регистрировать ранние патологические изменения в работе клеток сердечной мышцы. Иначе их определяют только при операции на открытом сердце или путем введения электрода в полость сердца через вену.

В России и в мире аналогов томскому прибору по целому ряду ключевых характеристик на сегодняшний день нет. Результаты четырехлетних измерений микропотенциалов с помощью этого прибора с участием добровольца опубликованы в журнале Measurement. Сейчас исследования на добровольцах продолжаются.

«Была поставлена задача создать чувствительный, компактный и доступный по цене комплекс, чтобы в перспективе его могли себе позволить поликлиники и пользователи на дому. Кроме того, разработанные методы и средства могут быть использованы не только в кардиологии. Перспективны направления любых электрофизиологических исследований, таких как электроэнцефалография, электромиография и так далее. Но, конечно, до внедрения в кардиологии нам нужно пройти еще несколько важных этапов. Это и сбор необходимого массива статистических данных, сертификация комплекса для медицинского использования. Все эти этапы требуют подключения финансирования, мы сейчас заняты поиском партнеров и поддерживающих программ», — говорит участник исследовательского коллектива, инженер лаборатории «Медицинская инженерия» Михаил Южаков.

Уловить сердечные импульсы

Сердце постоянно генерирует электрические сигналы. Они вызывают сокращение сердечной мышцы и помогают сердцу выполнять функцию насоса. По форме и длительности этих импульсов можно судить о состоянии органа. Основной метод регистрации электроимпульсов, который используется повсеместно, — электрокардиография (ЭКГ).

Но современные аппараты ЭКГ фиксируют уже критические изменения в работе сердечной мышцы — миокарде, которые могут привести к внезапной сердечной смерти. Среди всех причин сердечно-сосудистых заболеваний феномен внезапной сердечной смерти (ВСС) выделяют в отдельную категорию. А в целом, по данным ВОЗ, болезни сердца — основная причина человеческой смертности.

Отслеживая состояние миокарда и активности его клеток, можно прогнозировать потенциальные угрозы здоровью. По словам специалистов, именно поэтому крайне важно создать средства ранней диагностики этих нарушений, когда работу клеток можно восстановить медикаментозно, без операционного вмешательства. Для этого надо фиксировать энергию микропотенциалов — электрических сигналов, испускаемых отдельными клетками.

Научный руководитель проекта, заведующая лабораторией «Медицинская инженерия» Томского политехнического университета Диана Авдеева

Фотография предоставлена Д. Авдеевой

Для выявления ранних признаков

Научный коллектив лаборатории «Медицинская инженерия» ТПУ под руководством доктора технических наук, профессора Дианы Авдеевой многие годы работал над задачей выявления ранних признаков нарушения работы сердца неинвазивно. Результатом этого труда с участием коллег-медиков из НИИ кардиологии Томского НИМЦ стал программно-аппаратный комплекс.

Принцип его работы схож с принципом ЭКГ, но вместо обычных датчиков используются наносенсоры, что позволяет измерять сигналы нановольтового и микровольтового уровня без фильтрации и усреднения в широкой полосе частот. Под наносенсоры пришлось создавать оригинальные схемотехнические решения, писать свое программное обеспечение. В итоге исследователи ТПУ получили колоссальную разницу в чувствительности.

Комплекс состоит из набора датчиков (сенсоров), компактного основного устройства для фиксации сигналов, поступающих от сенсоров, и программного обеспечения для обработки данных. Процедура мониторинга занимает около двадцати минут.

«Аппаратно-программный комплекс на наносенсорах регистрирует электрокардиограмму с микропотенциалами с грудной клетки человека с помощью трехканальных отведений по Холтеру, — рассказала “Стимулу” Диана Авдеева. — Наносенсоры фиксируют на поверхности грудной клетки с помощью липких полосок, используется проводящий гель, который наносится на рабочую поверхность наносенсора. Высокое разрешение аппаратуры обеспечивают наносенсоры, собственные шумы которых не превышают 200 нановольт».

АПК регистрируют ЭКГ с микропотенциалами в реальном времени без фильтров в измерительном канале: сетевого, мышечного, верхних и нижних частот. Наносенсоры имеют большую чувствительность, чем широко применяемые в медицине хлорсеребряные электроды. Высокую чувствительность обеспечивают наночастицы серебра, которые имплантированы в поры наносенсоров.

«Для качественного съема ЭКГ обычно применяют хлорсеребряные электроды. Наши датчики тоже хлорсеребряные. Но мы использовали наночастицы серебра. В каждом нашем сенсоре находится до 16 тонких пластинок из пористой керамики, в этих порах размещаются наночастицы серебра. В одном датчике миллионы частиц, каждая является хлорсеребряным наноэлектродом, способным усиливать электрическое поле сердца. Наночастицы серебра и золота способны усиливать электромагнитное поле: видимый свет — в десять тысяч раз, инфракрасное излучение — в двадцать раз. Кроме того, мы отказались от использования фильтров для подавления сетевой помехи и шумов, которые обычно используются в стандартных ЭКГ и значительно искажают микропотенциалы», — говорит Диана Авдеева.

Стандартные электрокардиографы работают на частотах от 0,05 до 150 герц. Как поясняют томские ученые, их прибор использует частоты до 10 000 герц, поскольку наиболее информативны микропотенциалы малой длительности — от 0,1 до 2,0 мс, а для них нужна именно такая полоса частот.

АПК и наносенсоры были созданы при поддержке платформы «Медицина будущего» и Федеральной целевой программы в партнерстве со специалистами НИИ кардиологии Томского НИМЦ. Индустриальным партнером выступало московское предприятие ОАО НПО «Экран».

«Для того чтобы поставить данную проблему в проекте ФЦП, мы выполнили два проекта РФФИ, два госзадания, проект аналитической ведомственной целевой программы, в которых проведены исследования по совершенствованию технологии электродов для съема биопотенциалов, зарегистрировали в Государственном реестре средств измерений установку для проверки хлорсеребряных электродов, создали более широкополосные измерительные схемы измерения, специальное программное обеспечение. С 2008 года защитили семь кандидатских диссертаций», — отметила Диана Авдеева.

Лучше предупредить, чем лечить последствия

В статье, опубликованной в журнале Measurement, представлены данные мониторинга работы сердца одного из добровольцев. В течение четырех лет он участвовал в исследованиях и проходил процедуру мониторинга, как и рекомендовано, каждые семь — десять дней.

По словам ученых, в начале исследования у добровольца фиксировали явные нарушения работы клеток миокарда. Его лечащий врач рекомендовал операцию, в НИИ кардиологии ему был установлен стент. Затем он продолжил участие в исследованиях, и прибор зафиксировал дальнейшее постепенное восстановление работы сердца.

«Мы также разработали одноканальный АПК для домашнего применения, - рассказывает Диана Авдеева. — Широкое внедрение в практику нашего АПК позволит выявить на ранней стадии пациентов с тихой ишемией миокарда, которым будет проведено своевременное профилактическое лечение, предотвращающее возможность инфаркта миокарда и внезапной сердечной смерти. Болезнь лучше предупредить, чем лечить последствия, так как после инфаркта миокарда на сердце образуются рубцы, которые могут спровоцировать новый инфаркт».