Бюллетень Национального научно-исследовательского института общественного здоровья имени Н.А. СемашкоБюллетень Национального научно-исследовательского института общественного здоровья имени Н.А. Семашко2415-84102415-8429FSSBI «N.A. Semashko National Research Institute of Public Health»1429Научная статьяМУЛЬТИСЕНСОРНЫЙ РЕГИСТРАТОР В СИСТЕМЕ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ПАЦИЕНТОВДшхунянВ. Л-АрмагановА. Г-ПироговА. Н-СедовАлександр Алексеевичasedov@mc.msu.ruМосковский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова161220192323708042022Copyright © 2019, ФГБНУ Национальный НИИ Общественного здоровья имени Н.А. Семашко2019Авторами разработан экспериментальный образец миниатюрного беспроводного устройства для неинвазивного дистанционного длительного мониторинга ряда гемодинамических параметров состояния сердечно-сосудистой системы на основе технологии фотоплетизмографии с оценкой одновременно температуры тела и двигательной активности. Устройство в комбинации со смартфоном с мобильным приложением интегрировано в Систему сбора персональных показателей пациентов и организации дистанционных коммуникаций типа “пациент-врач-пациент” с рабочим местом врача и позволяет обеспечить длительный контроль и, при необходимости, экстренное реагирование при критических ситуациях.photoplethysmographypulse waveblood oxygenationheart beat ratewireless communicationslong-time remote monitoringфотоплетизмографияпульсовая волнаоксигенация кровичастота сердечных сокращенийбеспроводные коммуникациидлительный дистанционный мониторингВведение Ключевым фактором, который способствует росту глобального рынка дистанционного мониторинга гемодинамических параметров, является рост стареющего населения во всем мире, восприимчивых к сердечно-сосудистым заболеваниям. Со старением, сердечнососудистая система теряет свою эластичность и делают пожилых людей старше 60 лет более восприимчивыми к сердечным расстройствам, что приводит ежегодно, по оценке Американской кардиологической ассоциации, к 450 000 смертей в США. В 2017-ом году в эту возрастную группу войдут около 900 миллионов человек во всем мире и, предполагается, увеличение ее в два раза к 2050 году. Общий рост стареющего населения увеличивает распространенность сердечных заболеваний, что влияет на рост этого рынка в течение прогнозируемого периода. Также, надо учесть смещение фокуса от лечения к профилактическому уходу за пациентами, предпочтение минимально инвазивным методам диагностики, растущие требования к применению технологически инновационных медицинских устройств, что также способствуют развитию рынка дистанционного мониторинга. В России доля болезней системы кровообращения в смертности населения постоянно увеличивается, что свидетельствует о необходимости разработок и внедрения новых технологий, связанных с дистанционной диагностикой, с привлечением потенциала знаний врачей из центральных клиник страны к оценке состояния населения. Технология фотоплетизмографии, как регистрация изменений оптической плотности тканей в зависимости от динамики их кровенаполнения, позволяет анализировать показатели пульсовой волны, сердечный выброс, оксигенацию крови, и в комбинации с измерениями температуры тела и двигательной активности, является относительно простой и показательной для применения в разработке персонального беспроводного регистратора динамики состояния сердечно-сосудистой системы. Амбулаторный мониторинг пульсовых волн является многообещающим инструментом для оценки в повседневных условиях сосудистой функции, повреждений сосудов, скрининга для раннего выявления пациентов с повышенным риском осложнений, длительного мониторинга эффективности медикаментозного лечения. Разработка программного обеспечения в форме мобильного приложения для связанного с регистратором по беспроводному интерфейсу типа Bluetooth смартфону, позволит рассчитывать дополнительно ряд важных показателей сосудистой 33 системы, давать оценку состояния показателя артериального давления, вести дневник пациенту и обеспечивать аудио-, видео-, и текстовую коммуникацию с врачом в Системе дистанционного мониторинга. В связи с изложенным, ЦЕЛЬЮ настоящей работы является создание современных инструментальных средств для своевременного выявления заболеваний ССС путем дистанционного мониторинга гемодинамических показателей человека Основные результаты Для реализации поставленной цели необходимо решить ряд задач: -определиться с месторасположением устройства на теле человека для длительного ношения в процессе мониторинга и, соответственно, с требованиями к внешнему виду, размерам, весу, к способу крепления на теле, к обеспечению влагостойкости корпуса; -определиться с типом работы основного оптического сенсора (на “просвет” или “отражение”) и составом дополнительных сенсоров; -определиться с основной комплектацией из новейшей доступной микроэлектронной базы, включая выбор интерфейса связи со смартфоном-коммуникатором и требованием минимальной мощности потребления; -выработать требования к программному обеспечению, встроенному (“зашитому”) в электронный модуль; -выработать требования к программному обеспечению (мобильное приложение), устанавливаемому на смартфон; -выработать требования к программному обеспечению для комплексного анализа персональных данных о физиологическом состоянии человека, используя технологию ИИ (искусственный интеллект). В качестве исследуемых /1/-пульсовая волна и ее характеристики, определяющие состояние сердечно-сосудистой системы, а именно: -амплитудные (анакротические и дикротические периоды), предоставляющие в динамике информацию о силе сосудистой реакции, -временные, предоставляющие информацию о длительности сердечного цикла, частоты сердечных сокращений, соотношении длительности систолы и диастолы и формирующих их фаз, -статистические, определяющие вариабельность амплитуды и ритма. В результате: -выбрана технология работы оптического сенсора-на “отражение”; предложено дополнить-ИК-температурным сенсором и трехосным акселерометром для оценки двигательной активности; 34 -разработана дизайн-конструкция в форме плоской пластиковой “таблетки” с окошком для оптического сенсора и ИК-температурного сенсора; -разработан, с использованием новейшей микроэлектронной базы, миниатюрный одноплатный электронный модуль диаметром 25 мм, в составе планарного оптического сенсора с интегрированными двумя светодиодами (ИК-880 нм и К-660 нм) и фотодетектором, работающим на “отражение”, с ИК-температурным датчиком, трехосным акселерометром, микропроцессором с интерфейсом Bluetooth ; -определены минимальные размеры конструкции регистратора в составе электронного модуля с плоской дисковой литиевой батареей:-“таблетка”, диаметром 30 мм и высотой-8 мм, которая может размещаться на запястье в специальном силиконовом ремешке, в височной области в головной спортивной повязке, и иных областях тела. Эргономичная конструкция регистратора, легкая (вес-12 Гр. С батареей), позволяет пациенту носить его неограниченно долго, обеспечивая требуемый временной цикл мониторинга с учетом мощности батареи. Рассмотрен вариант конструкции регистратора с перезаряжаемой батареей и со стандартной системой беспроводной зарядки, имеющейся на рынке. Этот вариант конструкции практически не увеличил размеры, но более высок по себестоимости; -определен состав требований ко встроенному в электронный модуль программному обеспечению, а именно, оно должно содержать программные модули взаимодействия микропроцессора с сенсорами, системой батарейного питания, с передачей данных по беспроводному интерфейсу в смартфон, обеспечивать загрузку его “по воздуху”, инициализацию и запуск, -определен состав требований к программному обеспечению-мобильное приложение смартфона, в части: а) организации сессии длительного мониторинга с формированием личного кабинета пациента и ввода персональных данных (пол, возраст, вес, и т.д.), визуализации данных (пульсовые волны, графики температуры и двигательной активности) на экране; б) организации диалога (аудио-, видео-, смс-, или иного) в системе “пациент-врач-пациент”; в) ведения дневника пациента с отметкой событий и кнопкой “тревоги”; г) расчета параметров /2/: -индекса сатурации (уровень кислорода в крови), -типа пульсовой волны (по временному интервалу между прямой и отраженной волн), 35 -частоты пульса, -индекса жесткости сосудов, -индекса стресса. В разработке электронного модуля регистратора важен выбор типа планарного оптического сенсора, работающего на отражение/обратное рассеяние; для этого необходимо знать предполагаемые места для расположения на теле пациента регистратора и, соответственно, параметры биологической ткани, ее геометрию (эпидермис-дерма-кровь-гиподерма) и спектральные характеристики этих слоев. Нами выбрано изделие фирмы MAXIM-это миниатюрный модуль MAX30102 /3/, с интегрированными двумя светодиодами на две волны и фотодетектором, с отличным соотношением сигнал/шум, устойчивом к вибрации и артефактам движения, с минимальным потреблением мощности. Нами изготовлена экспериментальная партия регистраторов и проведены исследования, подтвердившие их основные технические характеристики /4/. Организована работа, в экспериментальном режиме, Системы дистанционного мониторинга в цепи: пациент (регистратор+смартфон)--“облачный” сервер--рабочее место врача. Процесс мониторинга проходит в следующей последовательности. Пациент одевает на запястье или на височную область регистратор. В мобильном приложении, предустановленном на смартфоне, оформляется сессия мониторинга и производится ее запуск; на экране смартфона отображаются графики пульсовых волн (ИК- и К-), температуры и двигательной активности и, в числовом виде, расчетные параметры. Информация о показателях пациента передается на “облачный” сервер в личный кабинет пациента в Системе дистанционного мониторинга для доступа к ней врачу с рабочего места с предустановленным на нем аналитическим программным обеспечением для комплексного анализа состояния его сердечно-сосудистой системы. Анализ происходит либо по окончании сессии, либо, при наличии событий, требующих внимания врача, в реальном времени. Результаты подтвердили работоспособность Системы и варианты разработанного программного обеспечения, встроенного в регистратор и устанавливаемого на смартфон, а также, дистанционную работу врача. Выводы Представлены результаты научно-технической работы по разработке многопараметрического регистратора для системы 36 дистанционного мониторинга пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Разработанный регистратор отличается от известных /2/: - интеграцией на одной подложке основного оптического двухволнового сенсора, использующего технологию фотоплетизмографии на “отражение”, с температурным сенсором и сенсором двигательной активности, что позволяет размещать его практически на любых участках тела и комплексно оценивать состояние пациента в условиях свободной активности; - схемотехнические и конструктивные решения, предложенные в работе, позволили реализовать миниатюрный, удобный для длительного ношения на разных участках тела, регистратор; - разработанные программы (встроенное в регистратор и мобильное приложение для смартфона) обеспечивают организацию работы сессии мониторинга, визуализацию информации на экране, расчет необходимых показателей для врача и организацию коммуникаций с врачом дистанционно; - разработка программы комплексного анализа персональных данных о состоянии сердечно-сосудистой системы пациента, с использованием технологии ИИ, на следующем этапе, расширит возможности дистанционного мониторинга Системы1.Рогаткин Д.А., Физические основы оптической оксиметрии / ж-л. Медицинская техника, 2012, 2.2.Парфенов А.С., Ранняя диагностика сердечно-сосудистых заболеваний с использованием аппаратно-программного комплекса Ангиоскан-01/ж-л Поликлиника, 2012, 2.3.Чистяков В. Пульсоксиметрия от Maxim: новый датчик MAX30102^^. Новости электроники, 2016,7.4.ГОСТ Р ИСО 9919-2007. Изделия медицинские электрические. Частные требования безопасности и основные характеристики пульсовых оксиметров.