Медицинская электроника — рядом с нами и внутри нас

Егор Поваляев

Электронный человек

   Слух

   Искусственное сердце

Медицина внутри нас, или Вживляемые микросхемы

Искусственное зрение

Индивидуальная диагностическая аппаратура

   «АЭЛИТА» — мини-компьютерная система для самостоятельного контроля состояния здоровья

   «Динамика-100» — система комплексного компьютерного исследования функционального состояния организма человека

Беспроводная цифровая ручка E-Pen

Интеграция компьютера и человека усиливается год от года. Сравнительно недавно компьютеры так резко уменьшились в размерах, что смогли перебраться к нам на стол. Затем они стали еще более миниатюрными, и мы начали носить их в кармане. Следующим шагом электроника внедрится нам под кожу. Впрочем, это происходит уже сегодня: электроника управляет вживленным искусственным сердцем, имплантируемые чипы несут информацию об истории болезни пациента, ведутся эксперименты по созданию искусственного электронного зрения.

ля того чтобы конкурировать со все возрастающими возможностями компьютеров, люди будут вынуждены прибегнуть к помощи генетических и компьютерных имплантантов. Уже сегодня существуют реальные технологии внедрения компьютеров в тело человека. Об этих технологиях мы и расскажем в данной статье.

Электронный человек

юди давно уже изыскали возможность заменять некоторые человеческие органы искусственными. А внедрение электронных микросхем в тело человека позволяет в реальном режиме времени контролировать состояние его здоровья.

Сегодня ученые научились интегрировать электронные микросхемы и живую материю таким образом, что с их помощью человек может видеть и слышать. Следующим шагом станет вживление в мозг микросхем, которые будут взаимодействовать с компьютерами по радиоканалу. Они помогут человеку гораздо быстрее воспринимать большой объем информации и общаться через World Wide Web с другими людьми без дополнительного оборудования.

Рассмотрим технологические достижения, доступные в настоящий момент.

Слух

Уже несколько десятилетий люди пользуются миниатюрными слуховыми аппаратами, которые до недавнего времени были не более чем усилителями звука. Сами аппараты постепенно становились все меньше и меньше, в то время как их функциональные возможности возрастали. Кроме заушных, были созданы внутриушные и внутриканальные аппараты. Последние два типа слуховых аппаратов вставляются в ухо и малозаметны для окружающих, а внутриканальные размещаются глубоко в ушном канале и практически невидимы.

Если еще несколько лет назад основным типом применяемых слуховых аппаратов были заушные, то в настоящее время эта тенденция стремительно меняется. Большое распространение получили внутриушные и внутриканальные слуховые аппараты. Оценки экспертов показывают, что в США около 80% людей, которые пользуются аппаратами, используют именно внутриушные и внутриканальные.

Последние модели аппаратов — цифровые. В их состав входит мощный процессор, который преобразует звуковой сигнал, чтобы обеспечить человеку любого возраста с нарушениями слуха такие же возможности для общения, какими обладает человек с нормальным слухом, в любой звуковой обстановке.

Современные цифровые аппараты являются многоканальными, и в каждом из каналов моделируются нарушенные свойства уха. Слабые звуки усиливаются до комфортного и различимого уровня, чтобы человек мог их не только слышать, но и понимать; сильные звуки обрабатываются так, чтобы не вызывать раздражения. Речь поддерживается благодаря цифровому процессору на постоянно комфортном уровне. Более того, программное обеспечение в каждом канале адаптирует параметры слухового аппарата так, чтобы смена звуковой обстановки не повлияла на разборчивость речи.

Шум — главное препятствие для высокой разборчивости речи. Цифровые аппараты постоянно анализируют присутствие шума. Если на основе специального анализа процессор принимает решение о наличии шума в каком-то из каналов, то усиление слухового аппарата в этом канале уменьшается. В то же время программа устройства определяет тот частотный диапазон, где присутствует информационный речевой сигнал, и дополнительно усиливает речь, чтобы как можно более эффективно выделить ее из шума.

Современные слуховые аппараты имеют систему из двух микрофонов (за исключением самого маленького — внутриканального), в то время как в обычных слуховых аппаратах присутствует только один микрофон. Наличие двух микрофонов позволяет смоделировать такую пространственную чувствительность, которой обладает здоровое ухо (другими словами, здоровое ухо не одинаково улавливает звук со всех направлений). При этом происходит дополнительное подавление шума, направление поступления которого не совпадает с направлением полезного речевого сигнала.

Более того, система из двух микрофонов подвержена постоянным изменениям. Она способна отслеживать направление шума, его характер, производить классификацию шума для того, чтобы в любой момент времени настроить слуховой аппарат так, чтобы человек чувствовал себя комфортно.

Неестественное звучание собственного голоса, звуков при жевании, глотании — распространенная жалоба пользователей слуховых аппаратов. Прежде всего это касается тех, кто впервые прибегнул к помощи этого устройства. Встроенное программное обеспечение позволяет человеку точно настроить оптимальное усиление на нижних частотах ниже 500 Гц, не изменив при этом параметров слухового аппарата на других частотах, и быстро адаптироваться к изменениям, вызванным ношением слухового аппарата.

Обычно слуховые аппараты настроены под максимально комфортное восприятие речи. Однако при воспроизведении музыки или при разговоре по телефону звуки слышатся нечетко. Этим обусловлено наличие опции смены программ слухового аппарата, для которой предназначена специальная кнопка слухового аппарата. О смене программы пользователю сообщают звуковые сигналы.

Но наиболее перспективным направлением в этой области является кохлеарная имплантация.

Хотя слуховыми эффектами интересовались еще в XVII столетии, только в 60-х годах XX века исследовательские группы начали активное изучение электростимуляции на людях. В результате было создано медицинское устройство, которое воспринимает звук, преобразует его с помощью цифрового процессора в электрические импульсы и передает их на слуховой нерв посредством гибких электродов, вживленных в улитку внутреннего уха.

Кохлеарный имплантант — это медицинский прибор, замещающий функцию восприятия звуковых колебаний отсутствующих или поврежденных волосковых клеток улитки посредством прямой электростимуляции слухового нерва. Кохлеарная имплантация — безопасная, надежная и эффективная процедура при тяжелой и глубокой тугоухости у взрослых и при глубокой потере слуха у детей.

Принцип работы кохлеарного имплантанта показан на рис. 1.

Звуки воспринимаются маленьким направленным микрофоном d, расположенным за ухом. По тонкому проводу звук с микрофона подается на цифровой процессор — мощный миниатюрный компьютер с. Речевой процессор фильтрует, анализирует и оцифровывает звук в закодированные сигналы. Закодированные сигналы подаются от речевого процессора к миниатюрному передатчику, который далее ретранслирует их в виде частотно-модулированных радиосигналов к расположенному под кожей кохлеарному имплантанту. Кохлеарный имплантант е передает их в виде электрических импульсов к набору электродов, вставленных в улитку g.

Электроды стимулируют волокна слухового нерва в улитке. В результате электрическая звуковая информация передается в мозг человека для интерпретации. Отрезок времени между тем, когда микрофон получает звук, и тем, когда мозг получает информацию, очень короток, всего лишь микросекунды, так что пользователь слышит звуки сразу, как только они возникают.

Чем же кохлеарный имплантант отличается от слухового аппарата? Слуховые аппараты и вспомогательные устройства просто усиливают звуки, делая их громче, поэтому даже наиболее сложные слуховые аппараты не могут помочь людям с серьезными дисфункциями слуха. Кохлеарный имплантант не усиливает звуки, а передает их к мозгу, непосредственно стимулируя слуховой нерв.

Многолетние исследования в области кохлеарной имплантации позволили отработать и развить эту технологию. Первые операции были проведены в 1970-х годах, а в 80-х появились первые многоканальные аппараты. В это же время были проведены и первые коммерческие операции.

Конечно, сигналы, передаваемые от кохлеарного имплантанта в мозг, отличаются от стандартных. Для того чтобы понимать обращенную к нему речь, человек должен будет несколько месяцев заниматься по специальной программе, которая поможет придать неясным звукам конкретные очертания. Однако на сегодняшний день подобные операции — единственный выход для лиц с тяжелым и глубоким нарушением слуха, которым не помогают обычные слуховые аппараты.

В мировой практике накоплен значительный опыт проведения операций по вживлению кохлеарного имплантанта. Осуществлено более 26 тыс. операций, несколько десятков из которых были проведены в России. В США существует 166 медицинских центров, которые проводят операции по вживлению кохлеарных имплантантов. Однако из-за высокой стоимости имплантанта (30 тыс. долл.) они пока не получили широкого распространения.

Искусственное сердце

Аппараты искусственного сердца присоединяются к кровеносной системе пациента и обеспечивают перекачку крови. Пациент в этом случае практически прикован к постели, а о том, чтобы установить такой аппарат внутри человеческого тела, и речи быть не могло.

Реальной альтернативой является операция по замене больного сердца донорским. Однако количество донорских сердец ограничено, к тому же существуют проблемы совместимости.

Компанией Abiomed, Inc. из Денвера (США) было создано автономное и компактное искусственное сердце, и в 2001 году в клинике города Люсвилля (шт. Кентукки, США) в результате 7-часовой операции оно было успешно имплантировано пациенту (рис. 2).

Новое сердце получило название AbioCor. Оно выполнено из пластика и различных металлов, весит около 1 кг и величиной со средний грейпфрут. Чтобы оно функционировало, его необходимо подсоединить к аккумулятору, который размещается на теле пациента (рис. 3).

AbioCor предназначено для тех, кто срочно нуждается в операции, однако донорское сердце еще не подобрано. Малые размеры и автономная работа прибора позволяют пациенту после операции вести обычный образ жизни, а не быть прикованным к постели.

По заявлению американских врачей, в настоящее время требуется более 40 тыс. донорских сердец для пересадки. Ученые предполагают, что AbioCor сможет решить эту проблему хотя бы для некоторого количества пациентов.

Медицина внутри нас, или Вживляемые микросхемы

д Крзистон несколько раз оказывался на грани между жизнью и смертью из-за проблем со здоровьем и вследствие несвоевременной медицинской помощи. Сегодня, благодаря Интернету и вживленному в его грудную клетку миниатюрному медицинскому имплантанту, он находится под постоянным наблюдением врачей. Производством таких микроимплантантов занимается Medtronic, Inc. из Миннеаполиса. Система мониторинга состояния здоровья пациентов проходит клинические испытания в ряде клиник США.

Данные о состоянии пациента транслируются через Интернет в ближайшую клинику. При возникновении проблем врач оперативно порекомендует курс лечения или госпитализирует больного. Для передачи информации используется специальное устройство размером с пейджер, которое крепится на поясе пациента.

Не тратя времени на путешествие в больницу и на необходимые анализы, пациент за несколько минут посылает доктору нужные показатели о состоянии своего здоровья.

Контроль здоровья пациентов через Интернет и мобильный телефон — это современная тенденция, которая находит все большее число сторонников. Этим перспективным рынком интересуются не только начинающие компании, но и гранды мировой полупроводниковой индустрии. Например, компания Baxter International, Inc., производящая медицинское диагностическое оборудование и работающая над вживляемыми имплантантами, сотрудничает с Microsoft Corp в области встроенного ПО; с Cisco Systems, Inc. и др. для передачи полученных данных через Интернет и по мобильному телефону. Конечно, эта технология не сможет заменить лечения у врача, но она гораздо более эффективна для мониторинга состояния здоровья и предупреждения заболевания на ранней стадии.

Еще одно медицинское приложение с использованием вживляемой микросхемы предложила американская компания Applied Digital Solutions. Она разработала миниатюрный инкапсулированный чип размером 12×2,1 мм, который получил название VeriChip (рис. 4).

Микрочип, вживляемый в тело пациента, предназначен для хранения различной медицинской информации. Особенно актуальным он будет в случае, если пациент находится без сознания и не может ответить на вопросы врачей (сведения о перенесенных заболеваниях, аллергических реакциях, принимаемых лекарствах и т.д.). Микрочип не требует батарейки, а считывание информации производится специальным сканером. Кроме того, VeriChip имеет специальное устройство, которое позволяет ему удерживаться в установленном месте внутри тела.

В VeriChip содержится уникальный номер больного. Этот номер считывается внешним сканером, который с помощью радиосигнала передает имплантанту под кожей пациента энергию и считывает уникальный номер. Передав номер в медицинский центр, можно получить из базы данных всю историю болезни данного пациента.

Стоимость имплантанта VeriChip — около 200 долл., а стоимость сканера — несколько тысяч долларов.

Следующее изделие компании Applied Digital Solutions — «Цифровой ангел» (Digital Angel). Устройство представляет собой имплантант и пейджер со встроенной системой GPS. Система будет использоваться для отслеживания положения владельца. Digital Angel уже прошел испытания в экспериментальной программе по отслеживанию перемещения условно освобожденных заключенных в Лос-Анджелесе.

Наверняка подобные вживляемые чипы станут широко доступны в ближайшем будущем. Это позволит вживлять не только медицинскую, но и любую другую информацию.

Искусственное зрение

юди давно мечтали создать устройство, которое позволит слепым вновь увидеть окружающий мир. Потеря зрения часто происходит вследствие поражения клеток сетчатой оболочки, светочувствительной ткани, расположенной на глазном дне. Фоторецепторы сетчатой оболочки воспринимают световое воздействие и преобразуют его в раздражение зрительного нерва, который передает сигналы мозгу. Ученые давно научились преобразовывать световые волны в электрические сигналы, которые могут восприниматься мозгом. Но как интегрировать фотоприемник со зрительным нервом? Ответ на этот вопрос появился только недавно.

Разработчики из компании OPTOBIONICS Corporation создали систему для преобразования световых волн в электрические сигналы, распознаваемые мозгом человека как зрительная информация.

Система состоит из видеокамеры, установленной перед глазом пациента, радиопередатчика и специального микрочипа, который имплантируется непосредственно в глаз (рис. 5). Имплантируемый чип заменяет пациенту часть сетчатки глаза.

Миниатюрная видеокамера преобразует принятый световой поток в электрические сигналы и по радиоканалу передает их имплантанту. Электроды на обратной стороне имплантанта стимулируют сетчатую оболочку глаза, и в результате зрительная информация попадает в мозг человека.

Имплантант размером 2 мм в диаметре и толщиной 25 микрон был назван ASR. Он способен сформировать электрические сигналы от 5 тыс. элементарных зрительных элементов, называемых микрофотодиодами (рис. 6). Каждый сигнал аналогичен сигналу от фоторецептора человеческого глаза.

С июня 2000 года было проведено несколько клинических исследований по имплантации искусственной сетчатки людям (рис. 7). Проведенные испытания показали, что зрение пациентам пусть и не полностью, но возвращается.

До настоящего времени ни у одного пациента не наблюдалось отторжения имплантанта, заражения, перемещения или других серьезных побочных эффектов.

Продолжается неуклонное совершенствование этой технологии совместно со специалистами из Hines Veterans Administration Medical Center, из Лозаннского глазного центра, Глазного центра университета в Иллинойсе, рядом других клиник и производителей полупроводниковых микросхем.

Индивидуальная диагностическая аппаратура

ехнологии, о которых мы рассказывали, найдут широкое применение в ближайшем будущем. А какое медицинское оборудование широко применяется уже сейчас? Это прежде всего медицинские системы для индивидуального контроля состояния здоровья человека. О нескольких подобных системах мы хотим вам рассказать.

«АЭЛИТА» — мини-компьютерная система для самостоятельного контроля состояния здоровья

Мини-компьютерная система «АЭЛИТА» представляет собой компактный прибор, предназначенный для индивидуального контроля состояния здоровья. Прибор позволяет оценивать показатели физического и психического состояния, прогнозировать их изменение, определять резервы организма и оценивать эффективность спортивных, оздоровительных и лечебных мероприятий.

В состав системы «АЭЛИТА» входят микропроцессорное регистрирующее устройство, кардиографические электроды и мини-компьютер Palm с программным обеспечением (рис. 8).

При разработке программного обеспечения для системы «АЭЛИТА» использован новый метод анализа биологических ритмов организма человека, выделяемых из электрокардиосигнала в широкой полосе частот. Впервые этот метод был реализован при создании цифрового анализатора биоритмов «Динамика-100», который с 1997 года эффективно используется в различных областях клинической, практической и спортивной медицины.

Возможности системы:

• регистрация ЭКГ в любом из стандартных отведений с визуализацией сигнала (рис. 9);
• контроль физического и психического состояния;
• оценка ресурсов организма;
• вычисление «индекса здоровья»;
• динамическое наблюдение за изменениями показателей здоровья;
• суточный прогноз состояния здоровья — «биологические часы»;
• фрактальный анализ биоритмов организма (рис. 10);
• управляемое дыхание в режиме биологической обратной связи (рис. 11);
• электронная картотека пациентов с возможностью экспорта данных в персональный компьютер для последующей обработки и архивации;
• передача данных через мобильный телефон на центральный сервер для получения консультаций врачей-специалистов;
• доступ лечащего врача к данным пациента через сеть Интернет по паролю.

Компактность и автономное питание позволяют использовать прибор в любых условиях: дома, на работе, в поездке и т.д.

Особенно эффективно применение прибора для постоянного контроля физического и психического состояния профессиональных спортсменов и тех, кто регулярно посещает тренажерные залы и фитнес-центры, поскольку в этом случае могут быть созданы новые уникальные методики индивидуального подбора интенсивности и длительности физических нагрузок и различных оздоровительных мероприятий.

Система «АЭЛИТА» незаменима для повседневного контроля показателей здоровья всех членов семьи при амбулаторном лечении и при приеме БАД, при очищении организма и лечебном голодании, при иглоукалывании, сеансах мануальной терапии и лечении пиявками.

«Динамика-100» — система комплексного компьютерного исследования функционального состояния организма человека

Цифровой анализатор биоритмов «Динамика-100» (рис. 12) представляет собой программно-аппаратный комплекс, предназначенный для анализа биологических ритмов организма человека, выделяемых из электрокардиосигнала в широкой полосе частот. В основу метода положена новая информационная технология анализа биоритмологических процессов — «фрактальная нейродинамика».

При создании системы использованы последние достижения биологии, физиологии, генетики и клинической медицины, на основе которых разработаны новые высокоинформативные показатели для оценки функционального состояния организма (рис. 13).

Возможности системы:

• в режиме скрининга определение уровня и резервов сердечно-сосудистой, вегетативной и центральной регуляции, а также оценка отклонения этих показателей от нормы;
• оценка уровня скомпенсированности и энергетические ресурсы организма на различных уровнях регуляции;
• в режиме динамического наблюдения контроль функционального состояния пациента и оценка эффективности различных методов терапии при проведении лечебно-профилактических мероприятий;
• с помощью цветомузыкальной стимуляции и управляемого по специальному закону дыхания в режиме биологической обратной связи коррекция психоэмоциональных нарушений и обеспечение «допингового эффекта» в случае усталости и для снятия напряжения;
• по результатам компьютерного анализа формирование комплексного медицинского заключения и выдача необходимых рекомендаций.

Программное и аппаратное обеспечение соответствует требованиям стандартов измерения, физиологической интерпретации и клинического использования показателей кардиоинтервалометрии, принятым Европейским обществом кардиологов и Северо-Американской ассоциацией электрофизиологии.

«Динамика-100» одобрена Комитетом по новой медицинской технике МЗ РФ и ГВМУ МО. Система прошла клиническую апробацию в ведущих медицинских учреждениях и научно-исследовательских институтах Минздрава и Министерства обороны Российской Федерации.

Комплект поставки:

• дистанционный модуль регистрации ЭКГ со встроенным тонометром. Модель «Омега»;
• программное обеспечение на компакт-диске;
• электроды кардиографические Skintact F 9024;
• манжета для измерения давления на предплечье;
• кабель отведений;
• интерфейсный кабель 9×9;
• аккумуляторы (4 шт.), зарядное устройство;
• медицинская сумка.

КомпьютерПресс 8'2002