Эволюция кардиографов: от комнат с солевыми ваннами к чехлам для iPhone

    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

    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:

    image

    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.
    Метки:
    Поделиться публикацией
    Комментарии 31
    • 0
      Неплохая статья, но не раскрыты темы упомянутых отведений и безопасности для пациентов.
      • 0
        А какие проблемы с безопасностью вы видите? Это ж всё пассивные датчики, которые измеряют и без того существующий потенциал на коже.
        • 0
          приборы стали многоканальными и более безопасными для пациентов
          • 0
            Да, действительно. Интересно, что имелось в виду.

            Насчёт каналов — там всё просто: записывать сигнал легче по небольшому числу каналов (у того же чехла для айфона их всего два — потому что тыкать в чехол одновременно двумя пальцами, грудью и ногой неудобно), зато подавлять шумы, очевидно, легче, если каналов много.
      • +2
        Замечательная статья. Хотелось бы уточнить, что количество отведений в хорошем, годном приборе равно двенадцати не столько для устранения шумов, сколько для установления локализации участка с нарушенным проведением импульса, местом его возникновения. Каналов может быть и больше. И чем их больше, тем точнее интерпритация. Думаю многие кардиологи в ужасе сейчас приглаживают волосы, узнав, что диагноз можно поставить, оценив потенциал от единственного электрода. Что можно увидеть с одного отведения? Частоту сс, их регулярность, нарушение проведения сигнала. Не так мало, но для клинической практики совершенно недостаточно.
        • 0
          Насколько я понял, кардиограф в смартфоне и не должен использоваться для постановки диагноза. Он нужен для того, чтобы обнаружить, что есть какое-то нарушение, и по этому поводу обратиться к врачу.
          • 0
            Правда в том, что «какое-то» нарушение обнаружить заблаговременно можно именно в отведениях сердца, а если аномалии на рука-рука, то «поздно пить боржоми» и информационная ценность такого домашнего скрининга более чем сомнительна!

            Есть правда ещё КИГ который для скрининга самое оно, но скажем так, из всего многообразия пульсометров с электрическим съёмом, проф пригодным оказался лишь один.
          • 0
            Подписываюсь под каждым словом. Жалко плюсануть не могу. По сути просто модная игрушка без практического применения. Только если сам факт нарушения ритма сердца позволит заметить.
          • 0
            А кто нибудь знает какой-нибудь самый дешевый (китайский?) кардиограф, без наворотов типа «чехла для айфона», а просто чтобы к компу подключался по любому интерфейсу (скорее всего usb?) и софтом мерял кардиограмму? Или может быть какой-то электронный стетоскоп (с микрофоном внутри), который можно воткнуть в звуковую карту и тоже с помощью софта увидеть пульсации сердца в виде графика на экране. Интересует просто поиграться (ну и чтобы было на всякий случай), т.е. самое дешевое, чтобы заказать было не жалко.
            • 0
              Пользуйтесь на здоровье!
              Для поиграться — самое то.
              • 0
                А оно реально работает? Нет, я конечно скачаю и попробую, но что-то мне кажется что если прижать палец к объективу камеры, то камера ничего кроме темноты не увидит:)
                И это вроде измеритель пульса?, а хочется именно график как на кардиограмме.
                Я имел в виду скорее максимально простое и дешевое, но аппаратное решение. Хабраюзеры--любители всяких гаждетов и электроники наверняка ориентируются на алиэкспрессе и подобных сайтах лучше меня, может чего видели…
                • 0
                  Работает, чего бы ему не работать?
                  Если прижать палец к объективу камеры со включённой вспышкой/подсветкой, камера увидит не темноту, а розовоту. Потому что ткань пальца просвечивает.
                  И степень этой розовоты будет зависеть от наполнения сосудов пальца кровью (т.к. ткань пальца условно-прозрачна, а кровь тёмно-красная). То есть, очевидно, от текущего давления крови.
                  • 0
                    Пульсомеров, работающих по этому принципу, навалом. Достаточно поискать по гуглплею «heart rate». С разной степенью навороченности и доп. функций — от простого сохранени результатов до построения графиков и аналитики. Проблема одна: точность. Я как-то сравнивал штук 6. Разница в показаниях у них скакала в пределах плюс-минус 10%. Кто-то из них даже выдавал 70 при реальном пульсе больше ста :)
                • 0
                  Попробуйте кардиофлешку ECG Dongle (http://cardio-cloud.ru)
                  • +4
                    Всё-таки эти пульсографы кардинально отличаются по смыслу от кардиографа. На кардиограмме мы смотрим электрический потенциал, возникаюший в результате перемещения ионов К и Na через мембраны миоцитов. Мёртвые клетки сердечной мышцы не создают электрического потенциала. Рубец на миокарде может не пускать сигнал по проводящей системе от водителей ритма (типа как дорожкии от кварцевого генератора), сам водитель ритма может прийти в негодность. В конечном счёте импульс может родиться не в том месте, где предназначено природой. Тысячи вариантов можно рассмотреть на ЭКГ.
                    Пульсометры это совсем, совсем другое.
                    • +3
                      В догонку (истекло время на редактирование)
                      Много миоцитов наберут больший потенциал, если, скажем, в течение длительного времени миокард гонял кровушку с усилием, преодолевая сопротивление суженной аорты. Истончённая стенка даст меньший потенциал, если миокард на этом фоне выдохся и начал деградировать.
                      Ну то есть ЭКГ для кардиолога — наше всё. А если ещё и визуализировать сердце на экране — совсем хорошо. Добавим УЗИ, получится ЭхоКГ.
                      На вкуснятинку можно ангиографию и картирование. Но это совсем не в каждой клинике.
                    • 0

                      вот тут http://www.forum.feldsher.ru/topic/5567-akg-po-telefonu/ есть про профессиональные электрокардиографы с функцией передачи по телефону, на новых моделях может быть и ЮСБ есть. В крайнем случае посмотри на сайтах медтехники. О программах анализа ЭКГ отзывы неоднозначные. В крайнем случае можно скачать методичку для второкурсников с рутрекера или скорешиться с кардиологом для консультаций

                    • 0
                      Упомянутые выше приборы не вершина портативного измерения ЭКГ.
                      Для медицинских целей больше подходит прибор от ЭКГ-Экспресс. Измеренное ЭКГ автоматически отправляется врачу и позволяет на ранней стадии диагностировать заболевания или контролировать лечение. Аппараты проходят испытания в Томском НИИ Кардиологии.
                      • 0
                        Неужели до сих пор никто не придумал как передавать данные какого-нибудь холтеровского монитора в реальном времени, а не снимать их через сутки?
                        • 0
                          Это не нужно: не будет же врач следить за показаниями непрерывно; он этих холтеров может десяток в день повесить. А для реального времени придумали классический аппарат ЭКГ. Там и каналов побольше, и врач может физ. нагрузку давать непосредственно.
                          • 0
                            Я просто пытаюсь понять что такое «ЭКГ-Экспресс» и в чём его смысл. На сайте НИИ что-то не нашлось. Раз «Измеренное ЭКГ автоматически отправляется врачу», то, по-моему, это и похоже на постоянный монитор с отправкой данных.

                            Что касается снятий ЭКГ в кабинете — тут понятно, да и тредмил тот же, и много чего. А отправлять можно, например, не весь поток, только какие-то явные нарушения, как тревожный сигнал. Хотя, конечно, тут другая проблема вылезает, ещё раньше: вовсе не с размером аппарата, с креплением электродов :)
                            • 0
                              Одно из отличий ЭКГ-Экспресс — это как раз количество измеряемых отведений + работа без смартфона (сотовый модуль внутри прибора) и связь с врачом (как сервис).
                              сайт
                              брошюра с фото на которой, кстати, указан номер телефона и адрес автора прибора и дабы не играть в сломанный телефон, наиболее острые вопросы можно задать прямо ему )
                              • 0
                                Ну как бы это объяснить.
                                За последние 2 года у меня было 3 вмешательтва в сердце. Какое отношение этот прибор имеет к реальности — непонятно.
                                • 0
                                  А что вы хотите получить от прибора? Этот, я так понимаю, для экспресс-диагностики нарушения ритма. Условно говоря — вызывать уже скорую с капельницей или, возможно, само пройдёт если полежать.
                                  Холтер, условно говоря, для подсчёта количества нарушений ритма за промежуток. Там, кстати, немало ручной работы по обработке.

                                  Вообще вся эта возня с носимыми с собой кардиографами кажется несколько надуманной. Ни кто не будет следить за вашей кардиограммой в рилтайме. А ранняя автоматическая диагностика по «удобным» для пациента отведениям весьма проблематична. Зато можно впаривать за конские деньги.
                                  Приводимый в пример компактный тонометр, кстати, тоже прибор о марсианской погоде. Мне они за три последовательных измерения могут показать от 130/90 до 180/120. ;(
                                  • 0
                                    >А что вы хотите получить от прибора?

                                    Да, тут не о приборе речь, а о системе реагирования, и о качестве показаний.

                                    > Приводимый в пример компактный тонометр, кстати, тоже прибор о марсианской погоде

                                    Дело в том, когда сердечнику хреновеет — тут не до приборов.
                                    • 0
                                      >Да, тут не о приборе речь, а о системе реагирования, и о качестве показаний.

                                      Ну, так и чего вы от системы реагирования хотите? Чтобы непрерывно снималась кардиограмма, а бригада кардиологов посменно её читала? :)
                                      проблема изобретателей этих приборов именно в этом. «данные уйдут в облако и врач сможет их в рилтайме там читать». Смочь-то сможет, но где такого волшебного врача взять, чтобы сидел и днями и ночами всё это читал? У участкового 8 минут на приём пациента (из них 7 с половиной на писанину в истории), запись за 2 месяца.
                                      • 0
                                        Я в курсе. У нас ОМС-ный кардиолог на пенсию вышел, а к соседнему запись за 2 месяца вперёд, и это почти 20 км, и если в 7 утра поймаешь талончик.

                                        Но мы ж о технологии, а не о бардаке :)
                      • 0
                        Поясните, это одно устройство, которое подходит ко всем текущим 3 форм-факторам айфонов? Ну скажем, там есть сердцевина, которую можно переткнуть в другой размер обкладки? Или под конкретный форм-фактор телефона нужно покупать девайс конкретного размера?
                        • 0
                          Айфон — тупиковая ветвь эволюции кардиографии, хотя не что не мешает использовать мобильное устройство для хранения\анализа и передачи данных. Эвалюция в регистрации магнитных полей наводимых мышцами и мозгом, вот там действительно много нового и интересного, но это СКВИДы а значит и криостаты и в общем всё это круто но не портативно.
                          • 0
                            Кто может дать ссылку на алгоритм расчета ПАРС? Везде только общая инфа.
                            • 0
                              А что это айфон сразу? Были телефоны со встроенными датчиками еще за доглго до айфона и это работало намного лучше. Ясно, маркетологи из эппл всегда преподносят свои «изобретения» как новинки, обманывая людей и историю.
                              Да и вообще погрешность жуткая у таких измерителей. И в телефонах это худшая и посредственная реализация. Чтобы узнать что у человека проблемы вешается мобильный кардиограф и человек ходит с ним неделю, лежит в больнице.

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.