Наука, которой занимаются ученые энергетического факультета ЮУрГУ – это не только мегаватты турбин и килоамперы линиий электропередач. Многие из тех, кто имеет диплом энергофакультета, изучают проблемы сверхточных электромеханических систем и изобретают устройства для управления ими. Каждая из таких систем требует решения уникальных проблем, которые никто ранее не решал. А помочь могут только собственные знания и то, что фундаментальные законы природы одни и те же – и для огромных трансформаторов, и для электроприводов, и для живых существ.
В начале 90-х годов группа ученых одного их оборонных предприятий, при участии кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ЮУрГУ, занялась разработкой универсального диагностического комплекса для медицины. Он представлял собой персональный компьютер, в который «упаковали» многоканальную ЭКГ, УЗИ и другие сигналы.
В то время это считалось новшеством, так как, по сравнению с сегодняшним днем, импортной техники в медучреждениях было очень мало и врачам приходилось работать практически «вслепую». Разработкой ученых заинтересовались акушеры и коллеги из Челябинской государственной медицинской академии (ныне Южно-Уральский государственный медицинский университет), у которых имелись свои разработки по диагностике внутриутробного состояния плода. Так был создан компьютерный кардиотокограф МАК-01.
Он был спроектирован с учетом опыта разработок подобных приборов в Европе, США и Японии, а также содержал и свои уникальные особенности, например, автоматизированный расчет оценок состояний плода («оценка по Фишеру») и пространственное изображение схваток. Прибор признали даже конкуренты. Он прошел несколько модернизаций, вошел в программу «Здоровье России» и в течение 20 лет и по сей день выпускается серийно одним из предприятий в Челябинске.
Начиная с 2000-х годов, ведущие врачи в Европе и США стали считать кардиотокографию «рутинной» технологией. В связи с этим, некоторые из авторов МАКа начали разрабатывать новые решения, одним из которых стала высокоточная электрокардиография.
Если импульс обычной электрокардиограммы измеряется в дапазоне от 1 милливольта до 100 микровольт, то разрешающая способность новых приборов - от 1 микровольта! Таким аппаратом можно регистрировать ЭКГ плода со сроком беременности 20 – 25 недель неинвазивным способом. Ученые синхронизировали высокоточную ЭКГ с сигналом пульса плода, и это показало, насколько метод одновременного анализа перспективен и превосходит существующие на сегодня, подтвердив тезис об их «рутинности».
«Идея пришла из тех самых сложных электромеханических систем управления, - говорит профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Владимир Кодкин. - Ведь сигнал пульса – это сокращение кардиомышц, а ЭКГ – это электросигнал, управляющий этими мышцами. Все как в электромеханике: в составе электропривода есть электронная система, которая формирует управляющие электрические сигналы, и механическая система, которая их отрабатывает. Мы можем различить в электросигнале, снимаемом с живота беременной, ЭКГ её самой, плода и даже двойни».
В течение 5 лет было разработано несколько вариантов регистратора ЭКГ и его программного обеспечения, а также получено несколько патентов. Но в практической медицине ЭКГ плода пока не признана предметом диагностики. Доказать правомочность нового метода возможно только после долгого применения и получения огромного количества статистических данных.
Тогда один из ведущих ученых физиологов России, профессор П.Б. Цывьян из Екатеринбурга предложил заменить сигнал пульса доплеровским сигналом кровотока. На основании этих данных, новый прибор мог бы измерять так называемый электромеханический интервал, который до настоящего времени, кроме как в экспериментальных работах, никто не исследовал.
Было заключено соглашение о сотрудничестве с литовской компанией Medelkom – единственном на постсоветском пространстве производителем ультразвуковых сканеров. Совместная работа предполагала синхронизацию сигналов УЗ-сканера и высокоточного кардиографа, чтобы одновременно наблюдать движение сердечного клапана и электросигнал, который им управляет. Затем можно оценивать их взаимовлияние, точность и быстроту реакции. Прибор появился очень быстро и был предложен кардиологам: начались эксперименты, обработка сигналов и анализ полученных данных. Ученым уже удалось получить совершенно неожиданные результаты, которые могут многое изменить в кардиологии.
В настоящее время исследования проходят совместно с профессором Южно-Уральского государственного медицинского университета С.Ю. Левашовым. Что касается практического применения, то пока клиники не готовы осваивать новшество, т.к. совместное использование электрокардиографов и ультразвуковых сканеров должно пройти необходимую сертификацию.
«На сегодня возможности прибора слегка опережают ситуацию в практической медицине, - отмечает Владимир Кодкин. – Стандартизованных технологий, которые бы позволяли диагностировать состояние человека по синхронным сигналам ЭКГ и УЗИ, в широком применении нет. Это не позволяет нам предложить клиникам установочную партию приборов (10 – 15 шт), которая позволила бы набрать необходимый «материал» для разработки медицинских технологий. При этом технически мы можем изготовить любое количество таких устройств».
Сейчас ученые ставят перед собой задачу довести изобретение до совершенного технического уровня. Впоследствии разработка может применяться в ряде исследовательских клиник, а затем и в более широких кругах медучреждений.
Все работы по высокоточной электрокардиографии проводились за счет грантов Фонда поддержки малых форм предприятий в научно-технической сфере («фонд Бортника»), грантов городской и областной администраций. Инвесторы пока интерес к работам не проявляют. А зря. Во всем мире медицинская техника – это самая сложная, наукоемкая, быстрообновляемая техника. А медико-технический бизнес не только высокотехнологичный и престижный, но и доходный.
Есть еще одно направление, которое развивается на энергетическом факультете ЮУрГУ.
Несколько лет назад здесь зародилась идея технико-коммерческого проекта: создать и организовать в России разработку серийной продукции собственной инсулиновой помпы - прибора, который автоматически вводит необходимые дозы лекарства больным диабетом.
Применение помп позволяет снизить расход инсулина, чуть ли не в два раза. Во всем мире устройство имеет широкое применение, однако импортные приборы достаточно дороги (порядка 200 тысяч рублей, плюс около 10 тысяч рублей в месяц на расходные материалы), а в России пока никто не берется их производить.
Ученые ЮУрГУ долгое время изучали эту проблему и дали своему проекту немного иное направление. «Мы запатентовали устройство контроля и управления функциональным состоянием человека, который базируется на наших достижениях и наработках по диагностике здоровья, в частности, на высокоточной электрокардиограмме, - рассказывает Владимир Кодкин. – Мы стараемся создать систему, которая бы не просто подавала инсулин, как это делается в помпах, а в более широком плане пыталась контролировать и управлять состоянием человека».
Одна из сложностей лечения сахарного диабета заключается в необходимости подачи инсулина в определенное время и в определенном количестве: ни больше, ни меньше. Сложно бывает отследить, какая доза инсулина нужна в данный момент, т.к. уровень потребления глюкозы в организме постоянно меняется: если человек сидит на месте – это один уровень, если ходит – другой, если бегает – третий. Заранее спрогнозировать и избежать состояний перекомпенсации или недокомпенсации уровня сахара в крови очень сложно, и даже самые современные инсулиновые помпы не могут учесть всех особенностей организма. Сделать это можно только контролируя функциональное состояние пациента – ЭКГ, температуру тела, уровень сахара в крови и т.д.
Ученые университета предлагают систему, которая будет работать не с одним препаратом, а одновременно с двумя-тремя. Для развития этого проекта на базе ЮУрГУ было создано малое предприятие ООО «Инномед», которое занимается разработкой системы автоматизированного управления физиологическим состоянием пациента.
«Уникальность разработки заключается в том, что прибор может в своей конструкции использовать обыкновенный мобильный телефон, который возьмет на себя функции контроллера. Теоретически, за счет этого, он может стать дешевле и решить задачу непрерывного информирования врачей-консультантов, - говорит директор ООО «Инномед», аспирант ЮУрГУ Яков Шмарин. - Это позволит прийти к современной структуре терапии диабета: создать базу данных и подключить ее к единому центру мониторинга состояния пациентов в городе или области». Непрерывный контроль функционального состояния особенно важен для групп риска, т.е. пациентов, у которых сахарный диабет – не единственное заболевание. Во-первых, к этой группе относятся «сердечники», у которых очень высока угроза осложнений при ишемической болезни сердца или даже внезапная смерть. Им категорически недостаточно регистрировать стандартную ЭКГ раз в год. Во-вторых, в группу риска попадают беременные с сахарным диабетом, контроль состояния который очень важен. Устройства способные регистрировать ЭКГ не только женщины, но и плода, открывают совершенно новые перспективы.
Ученые уверены, что при успешных испытаниях прибора, можно выходить на проекты модернизации системы терапии диабета в целом. Рынок таких устройств в перспективе может стать довольно объемным. По официальным данным, в России около 3 млн., а по неофициальным – около 9 млн. больных. Если каждый десятый будет использовать прибор, то появится сразу 900 тысяч потенциальных потребителей. Поэтому программа лечения диабета обладает потенциалом для коммерциализации.
Сейчас прибор находится в стадии проектирования: выбираются комплектующие, программное обеспечение, проводятся дополнительные исследования рынка со стороны технологий и консультации со специалистами в области медицины. В дальнейших планах ученых: изготовление и наладка образца, разработка конструкторской документации, проведение клинических испытаний, участие в научных выставках, а также поиск инвесторов, которые для этого проекта совершенно необходимы.