Впервые в России ученые Южно-Уральского госуниверситета (ЮУрГУ, участник «Проекта 5–100») провели эксперимент с использованием ЭКГ-футболки, который доказал возможность наблюдения за сердцем сразу нескольких человек, находящихся в состоянии непрерывного движения, из любой точки земного шара. Это поможет врачам удаленно вести онлайн-мониторинг больных, страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой системы, а также усовершенствовать систему подготовки спортсменов.
Фото: Южно-Уральский государственный университет
Фото: Южно-Уральский государственный университет
Текстильный кардиограф
Новый комплекс непрерывной регистрации ЭКГ в виде футболки разработала и испытала научная группа, состоящая из инженеров кафедры электропривода Политехнического института и Центра спортивной науки Института спорта, туризма и сервиса ЮУрГУ. Высокоточные регистраторы электрических полей, образующихся при работе сердца (электроды ЭКГ), были сделаны из токопроводящей ткани и вшиты в футболку.
Всего было пять текстильных электродов, расположение которых на груди футболки соответствовало расположению стандартных холтеровских электродов на груди пациента при длительной (сутки и больше) регистрации у него ЭКГ (холтеровском мониторировании (ХМ), как говорят врачи). То есть в данном случае была выбрана схема ЭКГ с пятью электродами, обеспечивающими три точки отведения сигналов электрической активности сердца. При этом у одной футболки электроды были существенно большей площади, чем у остальных: в ходе испытаний ставилась задача определения эффективности конструкции футболки с текстильными электродами.
Сигнал с электрода передавался через Bluetooth на компьютер, который, в свою очередь, загружал данные в облачное хранилище Google Cloud, а оттуда они транслировались на другой компьютер, который мог находиться в любой точке земного шара. «Предполагается, что второй компьютер будет находиться в каком-либо медицинском центре, где врач сможет наблюдать за работой сердца человека. Обладатель ЭКГ-футболки может увидеть свою электрокардиограмму на своем компьютере или планшете, самостоятельно следить за ней»,— поясняет профессор ЮУрГУ, доктор технических наук Владимир Кодкин.
Кардиограмма с ЭКГ-футболки
Фото: Южно-Уральский государственный университет
Кардиограмма с ЭКГ-футболки
Фото: Южно-Уральский государственный университет
Такова была программно-аппаратурная часть комплекса непрерывной регистрации ЭКГ, которую предстояло испытать в эксперименте.
Сердца трех
В эксперименте были задействованы трое спортсменов: двое мужчин 40 лет (штангист и легкоатлет) и женщина 25 лет (инструктор по фитнесу). В течение почти часа они выполняли различные физические упражнения, находясь в постоянном движении и напрягая различные группы мышц. Каждые десять минут в соответствии с программой испытаний делались паузы.
У всех участников эксперимента во время пауз регистрировались четкие сигналы ЭКГ, несколько искаженные фильтрами низких частот, «включенных» в программное обеспечение принимающего ЭКГ компьютера для снижения влияния движений спортсменов на изолинии ЭКГ. По усиленным сигналам можно увидеть все основные зубцы и интервалы ЭКГ.
Стабильность картины ЭКГ была существенно выше у штангиста, и у него же более четко различаются кардиокомплексы. Кардиокомплексы (диагностические комплексы) в данном случае — это совокупности нескольких пиков на кардиограмме. Например, комплекс пиков (зубцов) QRS — это отражение деполяризации желудочков, комплекс пиков ST отражает процессы реполяризации миокарда желудочков. А положение линии, соединяющей зубцы S и T,— важнейший показатель ишемической болезни или инфаркта миокарда.
Более стабильную и четкую картину ЭКГ у штангиста авторы разработки объясняют тем, что в его футболке площадь текстильных электродов была больше. Впрочем, это пока гипотеза, которую предстоит подтвердить. «Мы регистрируем электрокардиограмму в тех условиях, в каких это ранее не делалось. Когда люди занимаются спортом, сигналы ЭКГ сильно искажаются. В наших регистраторах информационных потерь существенно меньше, чем в стандартных мониторах, и сигналы очень быстро восстанавливаются»,— говорит профессор Владимир Кодкин.
Долгий путь к свободе
По одному описанию новый комплекс непрерывной регистрации ЭКГ в виде футболки может показаться сравнительно несложной инженерной разработкой. Но это будет глубоко ошибочным впечатлением. На самом деле речь идет об одной из самых технологически сложных и наукоемких областей современной кардиологии. Разработанный учеными ЮУрГУ (который, кстати, имеет статус Национального исследовательского университета — НИУ) программно-аппаратурный комплекс — это еще один важный шаг в развитии холтеровской непрерывной ЭКГ, конечная цель которой — постоянный дистанционный контроль работы сердца пациента без каких-либо ограничений для его передвижений, работы, развлечений, отдыха, словом, «полной свободы в повседневной жизни», как выражался сам Норман Холтер.
«Разве можно с уверенностью судить о целом по крошечной его части? — писал Холтер.— А ведь именно этим вы занимаетесь, снимая стандартную электрокардиограмму. На пленку записывается 12–14 комплексов, в то время как за сутки сердце сокращается 120 тыс. раз. Вы смотрите на 12 из них и говорите: “О, вы совершенно здоровы” или “Хм, вы очень больной человек — не курите, пожалуйста”. Разве жизнь состоит только в неподвижном возлежании? А как насчет лыжников и парашютистов? Людей, поедающих завтрак, обед и ужин, один обильнее другого? Спускающихся или поднимающихся по лестнице? Напивающихся до скотского состояния? Все это остается за кадром, когда лежишь на кушетке врача».
Американский физик Холтер, который всю жизнь работал на ВПК, точнее, участвовал в научном обслуживании испытаний американского ядерного оружия, тем не менее остался не в истории создания атомной бомбы, а в истории медицины — как пионер дистанционной ЭКГ. Начал он заниматься этим «хобби» еще в 1930-е годы, а в 1947-м у него был готов мобильный аппарат непрерывного контроля ЭКГ, состоявший из лампового ЭКГ-радиотрансмиттера и батарей. Правда, размером он был с абалаковский рюкзак и весил почти 40 кг.
С появлением полупроводниковых технологий Холтер уменьшил размеры и вес своего прибора, и в начале 1960-х годов серийный холтеровский прибор вошел в практику медицины в виде овальной коробочки размером 19,5х9,8х4,6 см и весом 1 кг. Он помещался в кармане мужского пальто или в дамской сумочке и был способен записывать кардиограмму на магнитофонную пленку в течение десяти часов. После этого пленку надо было менять, а в аппарате менять батарейку.
Без дрожи
Сегодня стандартный прибор Холтера еще меньше (весит 500 г) и имеет беспроводную связь с компьютером врача. Методика холтеровского мониторирования применяется практически у 100% кардиологических больных и широко при других заболеваниях. Но до сих пор, несмотря на все современные технологии, ХМ имеет ряд неустранимых недостатков по сравнению с традиционной 12-канальной ЭКГ покоя.
Сбор данных с ЭКГ-футболки
Фото: Южно-Уральский государственный университет
Сбор данных с ЭКГ-футболки
Фото: Южно-Уральский государственный университет
Главное препятствие для получения четкой, стабильной и, главное, объективной ЭКГ — движения пациента — его мышечная активность. Чаще всего это мышечный тремор при болезни Паркинсона, но часто картину искажают озноб от холода, сильное волнение и даже самые обычные движения человека. Интересен рассказ практикующего врача про один такой случай: «Однажды, когда я следил за кардиомонитором, раздался сигнал тревоги, а на экране была видна реальная желудочковая тахикардия. Когда мы примчались в палату, оказалось, что пациентка чистила зубы!»
Только зная все это, можно по-настоящему оценить результат работы ученых ЮУрГУ. В их ЭКГ-футболках люди не дрожали от холода и не чистили зубы, они выполняли полноценные тренировки профессиональных спортсменов, в том числе с большими тяжестями, а картинки их ЭКГ, хоть и были не лишены помех, в целом оставались довольно чистыми.
Персональная настройка
Впереди у ученых большая работа по совершенствованию своей кардиодиагностической системы. «Этот комплексный эксперимент позволил нам понять, что необходимо сделать, чтобы повысить качество регистрируемых сигналов ЭКГ. Это позволит сформировать и совершенствовать методики тренировок спортсменов, наблюдая по ЭКГ их реакции на те или иные нагрузки, ведь ЭКГ и частота сердцебиения — это самые объективные данные о состоянии организма человека»,— говорит Владимир Кодкин.
Главное, что созданный в Южно-Уральском государственном университете комплекс непрерывной регистрации ЭКГ работоспособен. По словам профессора, они уже определили три основных направления дальнейшей работы. Во-первых, это совершенствование регистрирующей аппаратуры — определение площади и расположения электродов, их количества и формулы расчета необходимых отведений. Во-вторых, предстоит распределить алгоритмы и программные ресурсы между регистратором ЭКГ, принимающим компьютером и компьютером «за облаком». В-третьих, создать критерии оценки состояния человека по непрерывно регистрируемой ЭКГ. Одни — для спортсменов, которым надо контролировать свое функциональное состояние, другие — для больных группы риска и перенесших инфаркт и т. д.
К «и т. д.» можно добавить школьников на уроках физкультуры. Занятия в ЭКГ-футболках могут свести на нет риск внезапной смерти на уроке детей с сердечной недостаточностью. В целом же комплекс ученых ЮУрГУ может стать одним из звеньев персонализированной медицины, создание которой современная медицина видит как важнейшее направление своего развития.