Сердечно-сосудистые заболевания занимают первое место в списке главных угроз человечества со второй половины прошлого века. Мы решили рассмотреть эволюционный путь приборов для записи кардиограммы — ведь именно доступность и простота диагностики играют определяющую роль в борьбе за здоровье людей во всем мире.
Эволюция электрокардиографов в 20–21 веках: а) Cambridge Scienti c Instrument Company, 1910–1911 годы; б) Sanborn Cardiette Model 51, 1939 год; в) ЭК1Т-03М, 1976 год; г) Contec ECG80A, 2012 год
Здоровье и безопасность входят в число базовых потребностей. Здоровье – это наш основной ресурс. Мы вкладываете его наравне со своим трудом и навыками. Естественно, что хотелось бы знать состояние этого ресурса и понимать, какую отдачу приносит его трата.
Сегодня многие начинают понимать, что заниматься своим здоровьем нужно регулярно. Восстановить его с нашим уровнем «бесплатной» медицины стоит огромных средств и тех же нервов, то есть остатков здоровья. Это и есть то, что в развитых странах понимают под экономикой или «индустрией» здоровья. Пока российское государство рассматривает в качестве объекта внимания нездорового человека, а профилактика заболеваний сводится к повышению акцизов на табак и алкоголь, нам приходится заниматься приходом и расходом этого ресурса самостоятельно.
Итак, факты. Главный ресурс человеческого организма – это сердце. Сегодня показатели смертей от сердечнососудистых заболеваний в России угрожающие. В Европе в целом дела обстоят немногим лучше. Мы можем назвать новую модель поведения привычным словом «профилактика». Суть от этого не изменится. Есть два варианта: регулярное посещение врача, диспансеризация (то есть диагностика на профессиональном оборудовании) и самостоятельная диагностика с помощью современного компактного устройства.
Первый вариант связан с очевидными издержками (время, деньги), но выдает обеспеченный профессионализмом врача и уровнем оборудования результат. Второй вариант – это коммерческие портативные приборы контроля показателей жизненных функций и здоровья. В последнее десятилетие этот рынок активно развивается, однако до си пор вокруг так называемых носимых (wearable) устройств идут постоянные дискуссии об их практической ценности.
Если мы занимаемся экономикой своего здоровья, нам нужен гарантированный, точный результат при минимуме издержек. Существуют ли на рынке приборы для самостоятельной диагностики профессионального уровня? Пример массового распространения портативных тонометров для проверки давления отвечает на этот вопрос утвердительно.
На памяти одного поколения тонометр из массивного карболитового пенала с ртутным индикатором, резиновой грушей-насосом и фонендоскопом превратился в компактный автоматический прибор, оснащенный встроенной памятью и функцией анализа данных. Его точности достаточно для первичной диагностики.
Что происходит в электрокардиографии? Оказывается, в данном направлении прогресс также впечатляющий. Современный кардиомонитор, совместимый со смартфоном, выдает данные клинического качества. Но для понимания того, как это работает, нужно обратиться к истории.
Кардиология – относительно молодая наука. До начала XX века главным врагом человечества были инфекции. Если метод измерения и первый прибор для измерения артериального давления были придуманы еще в середине XVIII века английским священником Стефеном Хейлсом, то с кардиографией пришлось подождать еще пару столетий.
Первая статистика по сердечнососудистым заболеваниям появилась в США с началом работы Американской Сердечной Ассоциации в 1924 году. Интерес к проблеме имеет четкую историческую и территориальную привязку. Именно в 20-х годах прошлого века Северная Америка переживает бум производства сладких безалкогольных напитков. Потребление сахара подскочило с 10-15 до 100 фунтов на человека в год (сегодня 150 фунтов). Началось массовое потребление маргарина и гидрогенезированных растительных жиров. До момента, когда холестерин и сахар (вместе с табаком) признают главными «злодеями» оставалось менее полувека.
Методика электрокардиографии, использовавшаяся в качестве основы всех кардиографов, была реализована более столетия назад лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине В. Эйнтховеном. Ее принцип заключается в следующем: работа сердечной мышцы производит электрические поля, в результате по поверхности человеческого тела распространяются гальванические токи, которые и регистрирует прибор. Это базовая процедура до сих пор успешно применяется для диагностики работы сердца.
Первый серийный кардиограф появился в 1911 году. Что представлял собой этот прародитель кардиографов производства Cambridge Scientific Instrument Company? По размерам и весу он соперничал с фрезерным станком. Запись велась через проекционный оптический регистратор на светочувствительной бумаге (ленте). Электродами для трех стандартных отведений служили ванны, наполненные солевым раствором.
Эволюция кардиографов шла по двум направлениям: увеличение точности снятия показаний, удобство фиксации и уменьшение размеров, портативность.
В 1942 году Гольдерберг и Вильсон предложили добавить к кардиографу еще три отведения – однополюсные и усиленные. Эти отведения используются, когда стандартных соединений для диагностики недостаточно. Подобную конструкцию в аппаратах ЭКГ используют до сих пор.
В 1950-е годы кардиограф снабдили ламповым усилителем, компактным регистратором на рулонной бумаге с чернильным пером, выносными накладными электродами. Прибор стал переносным, но его вес все еще достигал десяти килограммов.
Портативный кардиомонитор компании Allen Electric Equipment Company, продавался в 50-х годах прошлого века
В 1959 году американский инженер Н. Холтер придумал портативную конструкцию кардиографа. Механизм был упакован в небольшой чемоданчик до 2 кг весом. Запись показаний прибора могла вестись не в кабинете врача, а там, где в это время находится сам пациент. Так началась эра портативных кардиографов.
Монитор Холтера, 1959 год
Реализовать эту идею в 1960-1970 годах помогло применение полупроводниковых компонентов. Кардиограф превратился в подлинно портативный аппарат. Его размеры и вес сравнялись с бумажным томом энциклопедии. Прибор получил батарейное питание, а устойчивость к внешним факторам и надежность повысились настолько, что спутник Тура Хейердала, врач и путешественник Юрий Сенкевич, неоднократно брал с собой в экспедиции отечественный электрокардиограф и дал ему высокую оценку. Это была революционная одноканальная модель ЭК1Т-03М 1976 года, которая позже побывала и на Северном полюсе.
Портативный кардиограф ЭК1Т-03М
За последние несколько десятилетий габариты кардиографов значительно уменьшились, приборы стали многоканальными и более безопасными для пациентов. Они были оснащены функциями автоматического анализа кардиограмм, компактными термопринтерами и интерфейсами для обмена данными с компьютерами. Но идея осталась прежней: устройство использовало набор проводов нательными электродами для гальванической регистрации разности потенциалов.
В мире кардиографов существует профессиональное медицинское оборудование и приборы для первичной, доврачебной диагностики. Последние могут быть в виде специальных одноразовых наклеек, которые размещаются в области сердца, или флэшки с USB-портом или браслетов с беспроводными датчиками-акселерометрами, реагирующими на удары сердца. То есть всего того, что относится к категории носимых устройств.
Для всех кардиографов существует одна проблема. Переменный ток с поверхности кожи содержит множество шумов. Прибор может отображать ненормируемый «вклад» мышечной, сосудистой, кожной проводимости, статического электричества, поляризации электродов, состава физиологических электролитов и так далее. В случае с профессиональным оборудованием задача экономии времени и точной диагностики решается применением многоканальных кардиографов. Но и для портативных устройств проблему «шумов» можно решить.
Избавиться от «посредников» можно прямым измерением переменного электрического поля сердца. Самой идее уже более 20 лет. Самый простой вариант – использовать антенный эффект на высокоимпедансных входах операционных усилителей. Но ее практическая реализация до последнего времени была невозможна из-за отсутствия подходящего аппаратного решения.
Нужен был промышленный компактный датчик, согласованный по амплитуде и полосе частот с биопотенциалами, способный воспроизводить переменное электрическое поле в виде сигнала тока или напряжения и обеспечивать эффективную гальваническую развязку пациента и регистрирующего устройства.
Подобные чувствительные элементы с 2012 года стала производить британская компания Plessey Semiconductors. В зависимости от целей диагностики и условий применения датчики различаются потребляемой мощностью, полосой пропускания и коэффициентом усиления. Датчик EPIC фиксирует изменения в электрическом поле подобно тому, как магнитометр обнаруживает изменения в магнитном поле. В общем случае, для регистрации электрического потенциала датчику EPIC не требуется физического контакта с телом.
Датчик Epic
Медики и компании-производители медицинской техники оценили новинку по достоинству. Уже появилось несколько серийных кардиографов с применением датчиков серии EPIC. В России в производство уже запущена первая отечественная разработку полного цикла на базе данной технологии. Об этом ниже.
В научной среде к портативным носимым устройствам и приборам для медицинской диагностики от «инноваторов» относятся с подозрением. Все помнят недавнюю историю с компанией Theranos, которая собрала миллиарды долларов под революционное решение в самостоятельном проведении анализов крови. Выяснилось, что собственного оборудования у компании фактически нет, а из 120 первоначально заявленных анализов за несколько лет удалось сертифицировать всего один (на герпес). «Секретная разработка» оказалась научно не подтвержденной, а качество анализов уступало традиционным.
Подобные примеры «медицинских гаджетов» наносят вред репутации ответственных производителей с собственной научно-исследовательской базой. К примеру, прибор CardioQVARK предоставляет данные диагностического качества. Он защищен рядом международных патентов и свидетельств государственной регистрации. По словам создателей проекта, в настоящее время прибор проходит апробацию для получения регистрационного удостоверения медицинского изделия.
Выглядит CardioQVARK как чехол для iPhone весом 58 г с двумя датчиками типа EPIC на наружной поверхности, стандартным разъемом Apple Lightning с внутренней стороны для подключения к телефону, разъемом MicroUSB для подключения к внешнему устройству. ЭКГ записывается в нем по стандартному отведению I. Для проведения процедуры достаточно наложить пальцы на электроды и запустить на экране смартфона соответствующее приложение.
Снятие кардиограммы с помощью мобильного кардиографа
В случае с сенсорами, в отличие от классических металлических электродов, усилие контакта (степень нажатия) не имеет значения. Качество результата обеспечивает полнота и равномерность перекрытия пальцем датчика.
Плата CardioQVARK, источник картинки: Секрет Фирмы
Для считывания полной информации достаточно 20 секунд. После чего эти данные отображаются на экране смартфона и, если есть соединение с сетью, отправляются в «облако». Врач также через приложение получает адресный доступ к хранящимся в единой базе данных ЭКГ пациента и следит за изменениями показателей в реальном времени. Благодаря специально разработанным алгоритмам обработки данных, медик может легко увидеть динамику различных показателей и своевременно предупредить пациента о наличии патологий и деградаций.
Существуют и другие мобильные кардиографы — например, в США активно развивается проект AliveCor, который уже получил сертификат Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, что весьма непросто:
Оба проекта уже освещались в прессе и на Geektimes. В историческом и технологическом плане подобные приборы стоят в настоящий момент на вершине эволюции.
Они являются очередным шагом в развитии медицинской техники, открывающим широкие возможности удаленного мониторинга здоровья, диагностики состояния и оперативного профилактического наблюдения за сердечно-сосудистой системой человека. А простота и оперативность использования и современных технологических разработок, лежащие в основе всей системы, позволяют подобным устройствам стать одним из базовых элементов для создания национальной mHealth системы кардиомониторинга.
Эволюция электрокардиографов в 20–21 веках: а) Cambridge Scienti c Instrument Company, 1910–1911 годы; б) Sanborn Cardiette Model 51, 1939 год; в) ЭК1Т-03М, 1976 год; г) Contec ECG80A, 2012 год
Экономика здоровья
Здоровье и безопасность входят в число базовых потребностей. Здоровье – это наш основной ресурс. Мы вкладываете его наравне со своим трудом и навыками. Естественно, что хотелось бы знать состояние этого ресурса и понимать, какую отдачу приносит его трата.
Сегодня многие начинают понимать, что заниматься своим здоровьем нужно регулярно. Восстановить его с нашим уровнем «бесплатной» медицины стоит огромных средств и тех же нервов, то есть остатков здоровья. Это и есть то, что в развитых странах понимают под экономикой или «индустрией» здоровья. Пока российское государство рассматривает в качестве объекта внимания нездорового человека, а профилактика заболеваний сводится к повышению акцизов на табак и алкоголь, нам приходится заниматься приходом и расходом этого ресурса самостоятельно.
Врачи и гаджеты
Итак, факты. Главный ресурс человеческого организма – это сердце. Сегодня показатели смертей от сердечнососудистых заболеваний в России угрожающие. В Европе в целом дела обстоят немногим лучше. Мы можем назвать новую модель поведения привычным словом «профилактика». Суть от этого не изменится. Есть два варианта: регулярное посещение врача, диспансеризация (то есть диагностика на профессиональном оборудовании) и самостоятельная диагностика с помощью современного компактного устройства.
Первый вариант связан с очевидными издержками (время, деньги), но выдает обеспеченный профессионализмом врача и уровнем оборудования результат. Второй вариант – это коммерческие портативные приборы контроля показателей жизненных функций и здоровья. В последнее десятилетие этот рынок активно развивается, однако до си пор вокруг так называемых носимых (wearable) устройств идут постоянные дискуссии об их практической ценности.
Если мы занимаемся экономикой своего здоровья, нам нужен гарантированный, точный результат при минимуме издержек. Существуют ли на рынке приборы для самостоятельной диагностики профессионального уровня? Пример массового распространения портативных тонометров для проверки давления отвечает на этот вопрос утвердительно.
На памяти одного поколения тонометр из массивного карболитового пенала с ртутным индикатором, резиновой грушей-насосом и фонендоскопом превратился в компактный автоматический прибор, оснащенный встроенной памятью и функцией анализа данных. Его точности достаточно для первичной диагностики.
Что происходит в электрокардиографии? Оказывается, в данном направлении прогресс также впечатляющий. Современный кардиомонитор, совместимый со смартфоном, выдает данные клинического качества. Но для понимания того, как это работает, нужно обратиться к истории.
Эволюция кардиографов
Кардиология – относительно молодая наука. До начала XX века главным врагом человечества были инфекции. Если метод измерения и первый прибор для измерения артериального давления были придуманы еще в середине XVIII века английским священником Стефеном Хейлсом, то с кардиографией пришлось подождать еще пару столетий.
Первая статистика по сердечнососудистым заболеваниям появилась в США с началом работы Американской Сердечной Ассоциации в 1924 году. Интерес к проблеме имеет четкую историческую и территориальную привязку. Именно в 20-х годах прошлого века Северная Америка переживает бум производства сладких безалкогольных напитков. Потребление сахара подскочило с 10-15 до 100 фунтов на человека в год (сегодня 150 фунтов). Началось массовое потребление маргарина и гидрогенезированных растительных жиров. До момента, когда холестерин и сахар (вместе с табаком) признают главными «злодеями» оставалось менее полувека.
Методика электрокардиографии, использовавшаяся в качестве основы всех кардиографов, была реализована более столетия назад лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине В. Эйнтховеном. Ее принцип заключается в следующем: работа сердечной мышцы производит электрические поля, в результате по поверхности человеческого тела распространяются гальванические токи, которые и регистрирует прибор. Это базовая процедура до сих пор успешно применяется для диагностики работы сердца.
Первый серийный кардиограф появился в 1911 году. Что представлял собой этот прародитель кардиографов производства Cambridge Scientific Instrument Company? По размерам и весу он соперничал с фрезерным станком. Запись велась через проекционный оптический регистратор на светочувствительной бумаге (ленте). Электродами для трех стандартных отведений служили ванны, наполненные солевым раствором.
Эволюция кардиографов шла по двум направлениям: увеличение точности снятия показаний, удобство фиксации и уменьшение размеров, портативность.
В 1942 году Гольдерберг и Вильсон предложили добавить к кардиографу еще три отведения – однополюсные и усиленные. Эти отведения используются, когда стандартных соединений для диагностики недостаточно. Подобную конструкцию в аппаратах ЭКГ используют до сих пор.
В 1950-е годы кардиограф снабдили ламповым усилителем, компактным регистратором на рулонной бумаге с чернильным пером, выносными накладными электродами. Прибор стал переносным, но его вес все еще достигал десяти килограммов.
Портативный кардиомонитор компании Allen Electric Equipment Company, продавался в 50-х годах прошлого века
В 1959 году американский инженер Н. Холтер придумал портативную конструкцию кардиографа. Механизм был упакован в небольшой чемоданчик до 2 кг весом. Запись показаний прибора могла вестись не в кабинете врача, а там, где в это время находится сам пациент. Так началась эра портативных кардиографов.
Монитор Холтера, 1959 год
Реализовать эту идею в 1960-1970 годах помогло применение полупроводниковых компонентов. Кардиограф превратился в подлинно портативный аппарат. Его размеры и вес сравнялись с бумажным томом энциклопедии. Прибор получил батарейное питание, а устойчивость к внешним факторам и надежность повысились настолько, что спутник Тура Хейердала, врач и путешественник Юрий Сенкевич, неоднократно брал с собой в экспедиции отечественный электрокардиограф и дал ему высокую оценку. Это была революционная одноканальная модель ЭК1Т-03М 1976 года, которая позже побывала и на Северном полюсе.
Портативный кардиограф ЭК1Т-03М
Современные кардиографы
За последние несколько десятилетий габариты кардиографов значительно уменьшились, приборы стали многоканальными и более безопасными для пациентов. Они были оснащены функциями автоматического анализа кардиограмм, компактными термопринтерами и интерфейсами для обмена данными с компьютерами. Но идея осталась прежней: устройство использовало набор проводов нательными электродами для гальванической регистрации разности потенциалов.
В мире кардиографов существует профессиональное медицинское оборудование и приборы для первичной, доврачебной диагностики. Последние могут быть в виде специальных одноразовых наклеек, которые размещаются в области сердца, или флэшки с USB-портом или браслетов с беспроводными датчиками-акселерометрами, реагирующими на удары сердца. То есть всего того, что относится к категории носимых устройств.
Для всех кардиографов существует одна проблема. Переменный ток с поверхности кожи содержит множество шумов. Прибор может отображать ненормируемый «вклад» мышечной, сосудистой, кожной проводимости, статического электричества, поляризации электродов, состава физиологических электролитов и так далее. В случае с профессиональным оборудованием задача экономии времени и точной диагностики решается применением многоканальных кардиографов. Но и для портативных устройств проблему «шумов» можно решить.
Избавиться от «посредников» можно прямым измерением переменного электрического поля сердца. Самой идее уже более 20 лет. Самый простой вариант – использовать антенный эффект на высокоимпедансных входах операционных усилителей. Но ее практическая реализация до последнего времени была невозможна из-за отсутствия подходящего аппаратного решения.
Нужен был промышленный компактный датчик, согласованный по амплитуде и полосе частот с биопотенциалами, способный воспроизводить переменное электрическое поле в виде сигнала тока или напряжения и обеспечивать эффективную гальваническую развязку пациента и регистрирующего устройства.
Подобные чувствительные элементы с 2012 года стала производить британская компания Plessey Semiconductors. В зависимости от целей диагностики и условий применения датчики различаются потребляемой мощностью, полосой пропускания и коэффициентом усиления. Датчик EPIC фиксирует изменения в электрическом поле подобно тому, как магнитометр обнаруживает изменения в магнитном поле. В общем случае, для регистрации электрического потенциала датчику EPIC не требуется физического контакта с телом.
Датчик Epic
Медики и компании-производители медицинской техники оценили новинку по достоинству. Уже появилось несколько серийных кардиографов с применением датчиков серии EPIC. В России в производство уже запущена первая отечественная разработку полного цикла на базе данной технологии. Об этом ниже.
Эпоха айфона: кардиограф в кармане
В научной среде к портативным носимым устройствам и приборам для медицинской диагностики от «инноваторов» относятся с подозрением. Все помнят недавнюю историю с компанией Theranos, которая собрала миллиарды долларов под революционное решение в самостоятельном проведении анализов крови. Выяснилось, что собственного оборудования у компании фактически нет, а из 120 первоначально заявленных анализов за несколько лет удалось сертифицировать всего один (на герпес). «Секретная разработка» оказалась научно не подтвержденной, а качество анализов уступало традиционным.
Подобные примеры «медицинских гаджетов» наносят вред репутации ответственных производителей с собственной научно-исследовательской базой. К примеру, прибор CardioQVARK предоставляет данные диагностического качества. Он защищен рядом международных патентов и свидетельств государственной регистрации. По словам создателей проекта, в настоящее время прибор проходит апробацию для получения регистрационного удостоверения медицинского изделия.
Выглядит CardioQVARK как чехол для iPhone весом 58 г с двумя датчиками типа EPIC на наружной поверхности, стандартным разъемом Apple Lightning с внутренней стороны для подключения к телефону, разъемом MicroUSB для подключения к внешнему устройству. ЭКГ записывается в нем по стандартному отведению I. Для проведения процедуры достаточно наложить пальцы на электроды и запустить на экране смартфона соответствующее приложение.
Снятие кардиограммы с помощью мобильного кардиографа
В случае с сенсорами, в отличие от классических металлических электродов, усилие контакта (степень нажатия) не имеет значения. Качество результата обеспечивает полнота и равномерность перекрытия пальцем датчика.
Плата CardioQVARK, источник картинки: Секрет Фирмы
Для считывания полной информации достаточно 20 секунд. После чего эти данные отображаются на экране смартфона и, если есть соединение с сетью, отправляются в «облако». Врач также через приложение получает адресный доступ к хранящимся в единой базе данных ЭКГ пациента и следит за изменениями показателей в реальном времени. Благодаря специально разработанным алгоритмам обработки данных, медик может легко увидеть динамику различных показателей и своевременно предупредить пациента о наличии патологий и деградаций.
Существуют и другие мобильные кардиографы — например, в США активно развивается проект AliveCor, который уже получил сертификат Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, что весьма непросто:
Оба проекта уже освещались в прессе и на Geektimes. В историческом и технологическом плане подобные приборы стоят в настоящий момент на вершине эволюции.
Они являются очередным шагом в развитии медицинской техники, открывающим широкие возможности удаленного мониторинга здоровья, диагностики состояния и оперативного профилактического наблюдения за сердечно-сосудистой системой человека. А простота и оперативность использования и современных технологических разработок, лежащие в основе всей системы, позволяют подобным устройствам стать одним из базовых элементов для создания национальной mHealth системы кардиомониторинга.