Biosignal PI: надёжная, доступная открытая платформа для мониторинга ЭКГ и дыхания

1. Введение

Старение населения — увеличение доли пожилых людей в общей популяции — ставит перед современной системой здравоохранения вызовы: рост затрат, дефицит медицинского персонала и более сложные комбинации хронических заболеваний [1]. Кроме того, распространение западного образа жизни — низкая физическая активность в сочетании с высококалорийной диетой, богатой жирами и сахарами — ассоциируется с хроническими заболеваниями, такими как диабет и сердечно-сосудистые заболевания, в индустриальных странах [2,3]. Эта тенденция теперь заметна даже в развивающихся странах, поэтому спрос на здравоохранение ожидается расти в ближайшем будущем [4]. Улучшение здравоохранения и управление хроническими заболеваниями новыми методами — цель многих междисциплинарных исследований. Эти исследования включают до klinические животные и клинические человеческие испытания новых методов скрининга, диагностики, интервенций и лечения. Эти проекты обычно предполагают физиологические и биологические измерения: артериальное давление, глюкозу крови, вес, состав тела, мониторинг активности и электрическую активность сердца через ЭКГ.

Телемедицина и домашний уход — особый случай, использующий недавние достижения информационных технологий (ИТ). Иногда это считается потенциальным решением для повышения качества жизни пациентов за счёт расширения доступности медицинской помощи и даже оптимального распределения затрат на здравоохранение [4]. Однако эти идеи ни полностью доказаны, ни опровергнуты. Одна из причин — разнообразие измерений и ИТ-систем, необходимых для каждого отдельного проекта. Разные сенсоры и аналоговые фронтенды требуются для физиологического мониторинга каждой целевой группы пациентов, что требует специфических биомедицинских измерительных и ИТ-систем. Разработка таких разнородных систем делает техническую разработку исследований в домашнем уходе/телемедицине дорогой и, в частности, трудоёмкой. Следовательно, остаётся меньше времени и усилий для вовлечения медицинского персонала и целевых пациентов.

Гибкая платформа для быстрого прототипирования систем в таких сценариях может быть очень полезна в пилотных проектах и для доказательства концепции. Ещё одна польза таких гибких платформ — для образовательных целей в области биомедицинской инженерии, позволяя студентам познакомиться со всей цепочкой приобретения, обработки и представления биологических сигналов через практику на ранних этапах обучения. Лучшим примером такой образовательной платформы является Gamma Cardio (openECG) [5], этот открытый лицензированный проект вместе с учебником [6] может использоваться студентами для изучения процесса разработки медицинских устройств. Существуют и другие открытые проекты вроде OpenMind [7], OpenEEG [8] и OpenBCI [9], которые предоставляют огромные учебные ресурсы. Однако у всех этих проектов ограниченное число каналов и, в частности, они спроектированы для конкретных биосигналов вроде ЭЭГ с минимальной гибкостью для покрытия большего числа измерений. Кроме того, они не являются автономными устройствами и для функционирования требуют ПК, ноутбук или мобильный телефон для визуализации и анализа сигналов, что делает всё решение более дорогим.

Намерением этой работы является проектирование открытой, гибкой и доступной структуры для разработки безопасных устройств измерения биосигналов. Эта структура, которую мы называем Biosignal PI, может использоваться исследователями, студентами, инженерами или даже энтузиастами без глубоких знаний во встроенных системах, измерительной технологии или биомедицинской инструментальной базе. Эта структура модульна, электрически безопасна и соответствует многим медицинским стандартам. ЭКГ широко применяется для диагностики и мониторинга сердечных заболеваний, в мониторинге вегетативной нервной системы через вариабельность сердечного ритма (VSR) и для различных спортивных приложений. Поэтому модуль измерения ЭКГ и дыхания разработан как первый пример для разработки и оценки дизайна [10]. Этот прототип развивается дальше как проект Biosignal PI.

2. Ограничения

Гибкость — ключевая особенность платформы прототипирования измерения биосигналов. Она должна быть масштабируемой для разных требований в разных проектах, сохраняя высокую надёжность. У каждого биосигнала специфические требования: частота дискретизации, частотный диапазон, специфическое усиление и ограничения безопасности, определяемые соответствующими медицинскими стандартами.

3. Системный дизайн