В Томском политехническом университете (ТПУ) разработали аппаратно-программный комплекс на основе наносенсоров для измерения микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения кардиоциклов. Прибор позволяет регистрировать ранние патологические изменения в работе клеток сердечной мышцы, которые иначе можно зафиксировать только при операции на открытом сердце или путём введения электрода в полость сердца через вену. Такие изменения могут привести к внезапной сердечной смерти. В России и в мире аналогов томскому прибору по целому ряду ключевых характеристик на сегодняшний день не существует. Результаты четырёхлетних измерений микропотенциалов с помощью этого прибора с участием добровольца опубликованы в журнале Measurement.
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 сердца. Основной метод регистрации электроимпульсов, который используется повсеместно, — электрокардиография (ЭКГ). Но современные аппараты ЭКГ фиксируют уже критические изменения в работе сердечной мышце — миокарде.
«Поэтому остро стоит вопрос создания средств именно ранней диагностики этих нарушений, когда работу клеток можно восстановить медикаментозно, без операционного вмешательства. Для этого нужно фиксировать энергию микропотенциалов — электрических сигналов, испускаемых отдельными клетками. Но как это сделать неинвазивно? Наш коллектив долгое время работал над этой задачей, в результате мы с участием коллег-медиков разработали программно-аппаратный комплекс. Суть его работы похожа на ЭКГ, но мы изменили датчики: сделали наносенсоры вместо обычных датчиков и смогли измерять сигналы нановольтового и микровольтового уровня без фильтрации и усреднения в широкой полосе частот. Использование наносеноров повлекло за собой необходимость применять оригинальные схемотехниеские решения, писать своё программное обеспечение. В итоге мы получили колоссальную разницу в чувствительности», — рассказывает научная руководительница проекта, заведующая лабораторией «Медицинская инженерия» ТПУ Диана Авдеева.
Комплекс состоит из набора датчиков (сенсоров), компактного основного устройства для фиксации поступающих сигналов от сенсоров и программного обеспечения для обработки данных. Датчики закрепляются на грудной клетке человека с использованием стандартного проводящего геля. Процедура мониторинга занимает около 20 минут.
Стандартные электрокардиографы работают на частотах от 0,05 до 150 герц, прибор томских учёных — на частотах до 10 000 герц.
«Для качественного снятия 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 10 000 раз, инфракрасное излучение в 20 раз. Также мы отказались от использования фильтров для подавления сетевой помехи и шумов, которые обычно используются в стандартных ЭКГ и значительно искажают микропотенциалы», — говорит Диана Авдеева.
В опубликованной статье представлены данные мониторинга работы сердца одного добровольца. В течение четырёх лет он участвовал в исследованиях и проходил процедуру мониторинга каждые 7—10 дней. В начале исследования у добровольца фиксировались явные нарушения работы клеток миокарда. Его лечащий врач рекомендовал ему операцию, в НИИ кардиологии ему установили стент. Затем он продолжил участие в исследованиях, и прибор зафиксировал дальнейшее постепенное восстановление работы сердца.
Ранее проект получил поддержку технологической платформы «Медицина будущего» и федеральной целевой программы. Создавался комплекс в партнёрстве со специалистами НИИ кардиологии Томского НИМЦ, индустриальным партнером выступало московское предприятие ОАО НПО «Экран».
«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. Перспективными являются направления любых электрофизиологических исследований, таких как электроэнцефалография, электромиография и так далее. Но, конечно, до внедрения в кардиологии нам нужно пройти ещё несколько важных этапов. Это и сбор нужного массива статистических данных, сертификация комплекса для медицинского использования. Все эти этапы требуют подключения финансирования, мы сейчас заняты поиском партнёров и поддерживающих программ», — говорит участник исследовательского коллектива, инженер лаборатории «Медицинская инженерия» Михаил Южаков.