Проект ИТМО: Мониторим пациентов в коме, которые не могут пожаловаться на свое состояние

Когда заходит разговор о состояниях хронического нарушения сознания, мы представляем себе высокотехнологичное отделение, где каждый человек подключен к оборудованию, отслеживающими жизненные показатели в автоматическом режиме. В реальности дорогостоящие устройства используются для наблюдения только за нестабильными пациентами, как правило в реанимации. За людьми, вышедшими из комы, перешедшими в вегетативное состояние или состояние минимального сознания, а также за пациентами после восстановления сознания в отделении реабилитации медперсонал наблюдает без использования прикроватных мониторов. И аспиранты ИТМО разрабатывают устройство, которое облегчит работу медикам. 

О проекте Light & Care, который реализуется в рамках конкурса практико-ориентированных НИОКТР, рассказывает Даниил Ширяев, аспирант Института перспективных систем передачи данных ИТМО.

Light & Care — это браслет-индикатор с набором датчиков, отслеживающих физиологические параметры человека, а также приемник и передатчик для трансляции собранных параметров на сервер через ИК-канал. Браслет работает автономно — отображает текущее состояние пациента по собираемым данным. Передача этих данных на сервер необходима для последующего анализа состояния и работы мобильного приложения для медперсонала.

Текущая версия устройства контролирует частоту сердечных сокращений, насыщение крови кислородом и температуру тела. Как только один из этих параметров достигает критического значения, подсветка браслета меняет цвет и режим пульсации. Границы этих состояний сейчас установлены по методикам и рекомендациям коллег из РНХИ им. Поленова.

У нас большие планы по развитию проекта. Мы бы хотели помочь медикам лучше понять состояния хронического нарушения сознания. На данный момент медицинские учреждения не могут обеспечить постоянный сбор физиологических параметров таких пациентов. Мы планируем расширять набор датчиков и накапливать данные, в которых в будущем можно будет искать корреляции. Но пока в рамках конкурса НИОКТР стартуем с формирования технического задела для будущего развития.

История проекта и команды

Любопытно, что медицинский проект начался с рассуждений о дизайне. 

Заканчивая магистратуру по световому дизайну, моя коллега хотела сделать куртку с подсветкой, соответствующей настроению своего владельца. Это интересный проект, но реального практического применения у него пока не нашлось.

В поисках такого приложения мы познакомились с Екатериной Анатольевной, руководителем группы изучения минимального сознания в отделении анестезиологии-реанимации РНХИ им. Поленова. Она-то и рассказала нам о сложностях наблюдения за стабилизированными пациентами с хроническими нарушениями сознания. 

Это люди после серьезных аварий, которые получили мозговые травмы и сохранили часть когнитивных функций — они могут наблюдать глазами за происходящим, как-то реагировать на внешние раздражители, но сознания в привычном понимании у них не наблюдается, а поэтому они не могут сообщить, что им, например, холодно или жарко. Как правило, таких пациентов переводят из реанимации, где они находились под непрерывным наблюдением дорогостоящего оборудования, в обычные палаты. Там их состояние контролирует медперсонал — медсестры обслуживают лежачего пациента и помогают поддерживать в нем жизнь в надежде, что сознание проявится.

Мы поняли, что, используя наработки по светодизайну, можем сделать недорогую, но в то же время наглядную систему неинвазивного отслеживания основных физиологических показателей таких пациентов, которая немного упростит жизнь медперсонала. 

Врачи и медсестры очень загружены — мы все это хорошо видели во время ковида. Но для контроля каждого пациента нужно время. А наша система помогла бы им его сэкономить — увидеть проблему и принимать решение по дальнейшим действиям уже на подходе к пациенту. Порой сэкономленные таким образом секунды стоят людям жизни. 

Мы смогли встретиться с Самочерных Константином Александровичем, директором РНХИ им. Поленова, и увидели его заинтересованность в проекте. После чего подали заявку на конкурс НИОКТР в ИТМО, в рамках которого и реализуем идею на практике.

Изначально мы рассматривали вариант одеяла, которое будет менять цветность в зависимости от основных физиологических показателей.

Но помимо стоимости устройства, здесь мы сталкивались с чисто бытовыми проблемами, как минимум, периодической стиркой. Поэтому пришли к более лаконичному варианту — браслету.

Глубже проработав концепцию, мы поняли, что устройство может быть полезно не только в отделении с пациентами, не проявляющими признаки сознания, но и на следующих стадиях — во время реабилитации. Когда у таких пациентов начинает проявляться сознание, им назначают ряд процедур, например, постепенная вертикализация, во время которой нужно постоянно следить за состоянием.

Для реализации идеи на базе мегафакультета компьютерных технологий и управления в ИТМО мы собрали команду единомышленников — специалистов в области оптики, электроники и программирования. По части медицины и клинических практик нас консультируют медики из РНХИ им. Поленова.

Как мы шли к технической реализации

Хотя проект еще не закончен, мы уже проработали большую часть деталей, о которых я и расскажу далее.

Получение показаний с датчиков

Задача снятия показаний с человеческого тела оказалась не такой тривиальной, как можно подумать, видя у каждого второго на руке фитнес-браслет.

Изначально мы сосредоточились только на неинвазивных методах. У медицинских учреждений есть огромное количество оборудования, которое позволяет оценивать самые разные параметры человеческого тела с высокой точностью инвазивными методами. Но мы не медики, у нас не хватило бы квалификации для интеграции подобных устройств в собственную систему. А кроме того для нашего проекта важна простота — устройство должно быть применимо даже в домашних условиях, ведь пациентов с хроническими нарушениями сознания часто переводят под наблюдение родственников, где нет возможности использовать сложные методики и устройства.

На данном этапе мы ограничились тремя параметрами — ЧСС, сатурацией и температурой тела. В теории мы обсуждали с коллегами из РНХИ им. Поленова оценку артериального давления. Но здесь мы уперлись в то, что измерять его в режиме реального времени неинвазивными методами нельзя. Оптические методы измерения не дают достаточной точности, чтобы использовать их в лечебных учреждениях. А всем известный тонометр нельзя использовать постоянно. Поскольку он сдавливает сосуды, между измерениями должно проходить заметное время.

Рассуждая о точности измерений, мы пришли к выводу, что необходимо использовать именно медицинские датчики, которые включены в реестр Минздрава и разрешены для использования в лечебных учреждениях. Но они выпускаются в форм-факторе для подключения к прикроватному монитору. 

Учитывая, что производители этих датчиков не очень-то охотно идут на контакт (часть из них расположена за рубежом, а другим, вероятно, не интересен университетский проект на начальной стадии), для нас задача их подключения усложнилась эдаким бэк-инжинирингом. Нужно было понять, по какому протоколу они отправляют данные и суметь получить их.

На старте мы хотели использовать самостоятельные датчики. В ходе проработки технических решений пришли к пульсоксиметрам, но это совмещенный прибор, для которого оказалось не так просто разделить сигналы, передающие ЧСС и сатурацию. На решение этой проблемы мы потратили некоторое время, в итоге текущая реализация устройства — браслет и “фиксатор” на палец.

Логика отображения состояний

Я упоминал, что работа “выросла” из проекта по светодизайну. И здесь мы применили его идеи, чтобы сделать индикацию состояний на браслете максимально очевидной. 

Для измерения цветов и их отличия для человеческого глаза на диаграмме цветности, принятой Международной комиссией по освещенности, выделяют так называемые эллипсы Мак Адама. Чем ближе оттенок к цвету в центре эллипса, тем сложнее глазу их различить. Мы подбирали цвета подсветки таким образом, чтобы они с одной стороны, были привязаны к принятым в медицине обозначениями, а с другой — оказались максимально разнесены друг от друга на диаграмме цветности (с учетом упомянутых эллипсов).

Изменения цветов подсветки соответствуют изменениям физиологических параметров пациента. За основу берутся цифровые значения, полученные с датчиков, которые мы сводим к координатам цветности и делаем отображение интуитивно понятным. Цвет дает представление о типе отклонения: в диапазоне холодных цветов — значение ниже границы нормальных значений, теплых цветов — выше этой границы. Профиль излучения (сценарий) дает представление о том, какой именно параметр отклоняется, при этом сценарий эквивалентен физиологическому изменению параметров организма. Например, частота пульса — медленная или быстрая частота мерцания светодиодов, в зависимости от того выше или ниже границы нормальных значений параметр, температура — изменение интенсивности излучения светодиодов, сатурация — постепенное включение светодиодов.

Макет устройства мы собрали на светодиодах производства Arlight. Их продукцию мы используем давно и вполне довольны соотношением цены и надежности. Честно говоря, мы ожидали проблем с паразитным нагревом диодов во время непрерывной работы — опасались того, что при тесном контакте с рукой пациента они будут вызывать дискомфорт и придется придумывать некое экранирование. Но смоделировав ситуацию, пришли к выводу, что выше температуры тела они нагреваться не будут (т.е. тело пациента будет нагревать диоды сильнее, нежели свечение). Так что никаких дополнительных решений искать не пришлось.

Сбором показаний с датчиков и расчетом характера подсветки занимается контроллер STM32.

Системе необходимо одновременно обрабатывать 3 значения с датчиков и выдавать на выход 4 значения на светодиодную ленту плюс определенные данные отправлять на модуль передачи. И мы рассматривали вариант использования ПЛИС, поскольку он заточен на многопоточность. Но на данном этапе у нас в команде не было человека, который успел бы плотно с ними поработать. Плюс осенью прошлого года, когда начинали проект, уже наблюдались сложности с поставкой электроники. С учетом этого для макета выбрали хорошо знакомый вариант от STM Electronics. Практика показала, что тактовой частоты 80 МГц хватает для обеспечения псевдопараллельного режима.

Передача данных

Как устройство отображения, браслет работает автономно — собирает физиологические параметры и меняет подсветку в соответствии с их изменениями. Но наша идея подразумевала сбор и накопление данных о состояниях хронического нарушения сознания. И для решения этой задачи мы использовали ИК-связь.

Передатчик устанавливается рядом с кроватью пациента и отсылает данные на приемник, размещенный около компьютера. В условиях палаты с пациентами, которые лежат без движения, прямую видимость обеспечить не сложно. В то же время ИК не создает радиочастотного шума, т.е. помех для чувствительного медицинского оборудования (это было одним из условий от коллег).

У нашей лаборатории были определенные наработки в области оптических систем, поэтому с работой передатчиков мы разобрались довольно быстро.

Оптическая связь позволяет с помощью одного приемника обрабатывать данные с устройств нескольких пациентов (т.е. удешевить систему для палаты в целом). Поскольку пакеты данных от каждого пациента небольшие, при временном разделении канала скорости хватает на обработку потоков от 5-10 человек. Скорость передачи для каждого получается порядка 2-3 Кбит/с, а задержка между последовательными пакетами от одного человека не превышает 1 секунды.

Начинаем тестирование

На данный момент готов макет устройства и эскиз программного обеспечения.

Макет мы изготовили в декабре. Сейчас его дорабатываем и оптимизируем, принимаем окончательные технические решения. Выше я уже рассказывал о том, как в процессе менялась наша концепция. Кроме того, пришлось решить много мелких технических проблем. Например, наше устройство оказалось довольно чувствительным к помехам от сети 220В. Эти 50 Гц нам пришлось вырезать из сигнала с датчиков, поскольку они существенно влияли на показания.

Параллельно мы разрабатываем конструкторскую документацию — впереди изготовление опытного образца. Там придется решать уже совсем другие проблемы. Сейчас в качестве основы для браслета на стадии макета мы взяли готовый силиконовый ремешок от Apple Watch. Для опытного образца будем делать форму и отливать из силикона собственный браслет. А корпус для блока управления напечатаем на 3D-принтере.

Уже вне конкурса НИОКТР мы также разрабатываем мобильное приложение для медицинского персонала. При любом отклонении физиологических параметров от нормы, приложение пришлет оповещение, так что меры можно будет предпринять незамедлительно.

Опытный образец мы надеемся испытать в “боевых” условиях РНХИ им. Поленова. С точки зрения подобного тестирования наша страна уникальна — в отличие от Европы и США окончательное решение о применении того или иного оборудования для пациентов с хроническим нарушением сознания принимается главврачом больницы, а не родственниками. Учитывая научную ценность нашей работы и поддержку со стороны РНХИ им. Поленова (и то, что на самом деле устройство наше неинвазивное и не связано с фармакологией), мы надеемся, что тестирование пройдет успешно. Наверное, в других условиях подобный проект и не мог бы родиться.

Сотрудничество с РНХИ им. Поленова даст нам возможность поработать с пациентами, которых привозят в это учреждение со всей страны. Все собранные данные можно будет использовать для последующего уточнения методик лечения и поддержания жизни в пациентах с хроническим нарушением сознания.

Об экономических аспектах говорить рано, но уже сейчас устройство вполне перспективно. Прикроватные мониторы до недавних событий стоили около 50-70 тыс. рублей. Наша система в полной комплектации даже с учетом штучного производства будет не дороже 20 тыс. рублей. Можно будет проработать и более дешевую автономную версию (только браслет, без передачи данных на сервер) для бытового использования.

О чем думают пациенты в коме или куда развиваться дальше

На самом деле наша первоначальная идея намного глобальнее. Состояния хронического нарушения сознания все еще мало изучены и вызывают огромный интерес у медиков. Можно ли предпринять какие-то действия, чтобы вывести человека из этого состояния? Как облегчить это состояние?

Мы бы хотели оперативно снимать показания, в том числе, и с головного мозга, чтобы понимать, как человек без сознания реагирует на различные внешние раздражители — шум, движение, потоки воздуха, свет и т.п. Это выход на другой уровень общения с пациентом — непосредственно через головной мозг. 

Подавая проект в довольно упрощенном варианте на НИОКТР, мы хотели получить определенный технический задел — научиться корректно снимать показания с человеческого тела в условиях лечебного учреждения, чтобы впоследствии заняться интеграцией системы с человеческим мозгом. 

В мире уже реализуются подобные идеи — несколько известных компаний, одна из которых находится в Москве, производят шлемы для снятия и визуализации энцефалограммы. Совместив наш браслет с системой первичного анализа энцефалограммы, можно было бы собрать больше данных о состоянии хронического нарушения сознания и сделать выводы о том, какие действия помогли бы спасти человека. Конечно, если идти настолько далеко, нам придется переработать часть архитектуры проекта, в частности, все-таки перейти на ПЛИС. И мы готовы работать в этом направлении.

Даже без реализации этих долгосрочных планов после этапов тестирования и сертификации проект может принести заметную пользу в лечебных учреждениях. Light&Care можно будет задействовать там, где нет необходимости использовать дорогие прикроватные мониторы, контролируя состояние пациента и собирая данные для последующих исследований.