Многоканальный комплекс биомониторинга для испытаний дефибрилляторов
В статье представлены технические характеристики и функциональные возможности современного компьютеризированного комплекса “БиоМониторинг”, разработанного компанией БИОСОФТ-М по заказу ФГУ ФНЦТИО им. В.И. Шумакова для мониторинга и анализа физиологических показателей у лабораторных животных при испытании новых моделей отечественных дефибрилляторов. Статья подготовлена для публикации в журнале "Медицинская техника"
- Г.П. Иткин,С.Б. Трухманов, Е.Г. Конышева (ФГУ ФНЦТИО им. В.И. Шумакова, г.Москва)
- И.А.Филатов, А.В. Адаскин (ОООБИОСОФТ-М, г.Москва)
- С.В. Селищев (ОАО “ЗИТЦ”,г. Зеленоград)
В последнее время во многих странах (США, Япония, Германия и др.) проводится большое количество конструкторских, экспериментальных и клинических исследований, направленных на разработку надежных электрических дефибрилляторов, что обусловлено проведением, так называемых AED-программ (Automated External Defibrillators) [1,2], проводимых для сердечно-легочной реанимации у больных с внезапной сердечной смертью вследствие фибрилляции сердца во внебольничных условиях. При этом наряду с решением технических проблем основное внимание уделяется поиску оптимального дефибриллирующего импульса, позволяющего проводить дефибрилляцию при наименьшей величине его энергии, что уменьшает повреждающее действие электрического тока на миокард.
Отечественные инженеры и врачи на всем протяжении разработки проблем наружной электрической дефибрилляции (c середины прошлого века), как в теоретическом, так и практическом отношении занимали ведущие позиции. Известно, что эффективный биполярный дефибриллирующий импульс предложил для клинического применения В. Гурвич [3]., и уже в конце 70-х годов почти на 25 лет раньше, чем в США, в СССР был начат промышленный выпуск бифазных дефибрилляторов [4]. Накопленный в нашей стране большой опыт создания наружных дефибрилляторов позволил Зеленоградскому инновационно-технологическому центру (ОАО «ЗИТЦ») приступить к созданию новых отечественных автоматических (интеллектуальных) дефибрилляторов для клинического применения (АНД-К) и для использования в публичных местах и индивидуальными потребителями (АНД-П)[5].
Необходимым условием создания дефибрилляторов нового поколения является наличие современной экспериментальной базы, позволяющей проводить предклинические исследования на различных биологических объектах – экспериментальных животных, изолированных сердцах и культуре кардиомиоцитов с комплексом необходимой аппаратуры для регистрации и анализа различных технических и физиологических показателей.До настоящего времени в экспериментальных лабораториях для регистрации различных параметров технического и физиологического характера используется большое количество диагностических приборов со своими регистрирующими устройствами, что в последующем существенно затрудняет анализ зарегистрированных во время эксперимента показателей.
На современном этапе развития компьютерной техники стало возможным создание исследовательского комплекса,который позволяет проводить синхронную регистрацию,обработку и отображение в режиме реального времени множества первичных сигналов с датчиков инвазивного и неинвазивного контроля состояния животного и характеристик испытываемых дефибрилляторов. Все результаты экспериментальных исследований должны быть синхронизированы и храниться в унифицированном формате, позволяющем не только воспроизводить запись параметров, но и проводить любую необходимую их обработку с целью получения производных показателей (например, сократительной способности миокарда в виде производных величин скорости изменения внутрижелудочкового давления).Комплекс (рис.1) имеет модульную архитектуру, позволяющую исследователю на этапе
подготовки эксперимента определять требуемый набор мониторируемых параметров: инвазивное и неинвазивное давление крови в различных отделах сердечно-сосудистой системы, электрокардиограмма, объемный расход крови, температура, парциальный состав выдыхаемых газов, параметры электрических дефибриллирующих импульсов и др. Таким образом, система инвариантна к назначению регистрируемых параметров, предоставляя исследователю широкие возможности настройки требуемого количества каналов на измерение тех параметров, которые определены целями эксперимента.
Спецификация оборудования комплекса для синхронной регистрации данных по 2 каналам инвазивного давления и одного отведения ЭКГ для группы из N лабораторных животных представлена в таблице.
| № п.п. | Наименование изделия | Количество |
|---|---|---|
| 1 | Многоканальный универсальный АЦП, разрядность 14 бит, питание ± 5В | 1 |
| 2 | Концентратор, вход 3х 485, выход USB 2.0 | 1 |
| 3 | Стационарный РС или ноутбук в зависимости от целей и задач эксперимента | 1 |
| 4 | Источник бесперебойного питания 750 В/А | 1 |
| 5 | Лазерный цветной принтер | 1 |
| 6 | Датчик инвазивного давления -50÷ 300 мм рт.ст. + переходник для АЦП | N x 2 |
| 7 | Датчик ЭКГ | N x 3 |
| 8 | Кабель USB 2.0, 1.8 м | 1 |
| 9 | Кабель витая пара, категория 5, экранированный, бухта 305 м (для обеспечения удаленного доступа) | 31 |
| 10 | Инсталляционный диск ПО комплекса | 1 |
| 11 | Руководство пользователя | 1 |
| 12 | Электронный ключ для регистрации лицензии на используемое ПО | 6 |
Общая структурная схема комплекса для данного случая показана на рис. 2.
На схеме используются следующие обозначения:
IBP1, IBP2 – каналы регистрации инвазивного давления;ECG – канал регистрации электрокардиограммы;Ext – канал регистрации внешнего воздействия.
Показанная на рис.2 структурная схема, отвечает требованиям реализации комплекса для синхронной регистрации данных по 2 каналам инвазивного давления и одного отведения ЭКГ для группы из N лабораторных животных.
Разработанный комплекс реализует развитые средства обработки, отображения и записи в базу данных полного объема результатов испытаний. В ходе мониторинга выполняется синхронная запись регистрируемой информации в унифицированном формате на жесткий диск вычислительного модуля стенда с возможностью ее детального просмотра на этапе постпроцессорной обработки результатов испытаний. Пользователю предоставляется возможность автоматизации ведения проколов анестезии животных в ходе испытаний и результатов анализа крови, а также реализуется возможность сравнительного анализа результатов эксперимента. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение комплекса выполняют информационное сопровождение всех этапов испытаний макетов, опытных и серийных образцов медицинского оборудования (в частности, дефибрилляторов) в экспериментах на лабораторных животных, а именно:
- настройку и управление режимами функционирования стенда и параметрами визуализации данными эксперимента;
- многоканальный мониторинг физиологических показателей состояния лабораторных животных и характеристик дефибрилляторов в автоматическом режиме, режиме кардиоверсии и асинхронной дефибрилляции;
- синхронизации отображения и on-line регистрации экспериментальной информации на стенде;
- обработку результатов испытаний дефибрилляторов с возможностью автоматизированной оценки эффективности используемых импульсов дефибриллятора;
- автоматическое считывание параметров электрического импульса дефибрилляции/ кардиоверсии и его протоколирование в ходе испытаний;
- ведения базы данных результатов испытаний наружных дефибрилляторов и оперативного доступа к специфицированной информации;
- автоматизированное ведение протоколов подготовки животных (собаки, свиньи), испытаний на них дефибрилляторов и последующей реабилитации в соответствии с действующими государственными и международными стандартами. Все протоколы регистрируется в единой базе данных и доступны для анализа, как в ходе экспериментов, так и на этапе обработки результатов испытаний дефибрилляторов;
- хранение в базе данных информационных карт испытаний дефибрилляторов, с каждой из которых автоматически ассоциируются результаты экспериментальных исследований – мониторинги состояния физиологии животных, процессов дефибрилляции, протоколов анестезии, результатов анализа крови и комплексной оценки эффективности применяемых импульсов. Любой фрагмент данных испытаний может быть доступен для просмотра и обработки;
- просмотр результатов испытаний в графическом и текстовом форматах с возможностью динамического воспроизведения любого фрагмента мониторинга и всей сопутствующей ему информации
- проигрывание аудиозаписи, формирование трендов, генерация протоколов анестезии и анализа крови животных, эмуляция импульсов дефибриллятора, имитация режимов работы ЛЖК.
Функционирование комплекса включает этапы регистрации данных и постпроцессорной обработки. Пользовательский интерфейс режима online мониторинга хода испытаний (режим регистрации данных) представлен на рис. 3.
На данном этапе решается задача регистрации всей совокупности экспериментальных данных (параметров состояния лабораторных животных, характеристик испытываемого оборудования, сигналов воздействия и др.), синхронной записи и отображение всей полученной информации в цифровом и графическом формате на современном ЖК -мониторе.
Уникальные возможности комплекса позволяют:
- одновременно проводить мониторинг состояния нескольких животных, для исследования групповых воздействий и явлений различной природы и назначения;
- осуществлять в ходе мониторинга регистрацию сигналов испытываемого оборудования для синхронизированной записи с данными физиологии животных;
- комментировать в on-line режиме все стадии мониторинга с возможностью контроля протокола комментариев и его редактирования;
- масштабировать амплитуду и время развертки на экране монитора каждого из регистрируемых трендов в интерактивном режиме;
- автоматически включать и выключать мониторинг по таймеру для задач дистанционного управления лабораторным оборудованием;
- контролировать по таймеру длительность выполнения всех фаз эксперимента со звуковым оповещением момента их завершения;
- задавать режимы отображения трендов в форматах 25мм/сек и 50 мм/сек.
Завершение этапа регистрации сопровождается автоматическим переходом к этапу постпроцессорной обработки данных (рис. 4).
На этом этапе исследователю предоставляются расширенный набор средств визуальной обработки всего объема зарегистрированной информации, ее редактирования, подготовки заключения и распечатки трендов выделенных участков мониторинга. Возможности комплекса позволяют:
- просматривать все тренды мониторинга физиологических показателей состояния лабораторных животных и синхронизированных с ними данных, полученных от других приборов и систем, задействованных в ходе эксперимента;
- изменять временной масштаб просмотра тренда для выделенных участков;
- вводить новые комментарии и редактировать существующие, включая операции удаления меток комментария с тренда;
- экспортировать данные мониторинга в форматах Excel и Word в любые процессоры специализированной обработки данных эксперимента;
- удалять участки записей мониторинга с артефактами;
- записывать файлы мониторинга на внешние носители информации;
- распечатывать выделенные участки трендов, включая операции предварительного просмотра и нанесения миллиметровой разметки
Все результаты мониторинга автоматически сохраняются в базе данных и ассоциируются с протоколом исследований. Для подготовки заключения используются развитые средства текстового редактора, автоматизирующего операции ввода данных.
Апробация созданного комплекса показала его эффективность в решении задач сбора и обработки результатов испытаний дефибрилляторов на лабораторных животных.
- White R.D., Hankins D.G., Bugliosi T.F.// Resuscitation.- 1998.- Vol. 39. - P. 145 – 151.
- Page R.L., Joglar J.A., Kowal R.C. et al.// - N Engl J Med. 2000. – Vol. 343. – Р 1210-1216.
- Гурвич Н. Основные принципы дефибрилляции сердца. – М. 1975.
- Венин И.В., Гонопольский О.Л., Смердов А.А.// Новости медицинской техники.- 1982.- вып. 6.- С. 28 –32.
- Антропов А.М., Горбунов Б.Б., Гусев А.Н., Селищев С.В.// Медицинская техника – 2007. - № 1.– С. 9 – 13.