Проекты

Создание модели имплантируемого кардиостимулятора с беспроводным энергообеспечением

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «IT в медицине, биомедицинские технологии, медицинское приборостроение, бионика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Медицинское приборостроение, Энергообеспечение имплантируемых устройств
Авторы работы: ГБОУ Школа № 618
Предметы: Физика, Биология
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

Кардиостимулятор – это имплантируемый электрический медицинский прибор, который следит за ритмом сердца и при необходимости помогает ему сократиться с помощью электрического разряда. В качестве источника питания для кардиостимулятора обычно используется неперезаряжаемая литиевая батарея.

Аккумулятор для кардиостимулятора должен обладать рядом специфических свойств. Во-первых, он должен быть безопасным для окружающих тканей (именно по этой причине не получили распространение аккумуляторы, использующие энергию ядерного распада). Во-вторых, такой аккумулятор должен обладать высокой плотностью заряда в объёме для минимизации размера. В-третьих, скорость саморазряда должна быть минимальной.

На сегодняшний день батарея, максимально отвечающая всем указанным требованиям, может прослужить 5−10 лет, после чего требуется новая хирургическая операция по замене кардиостимулятора. Соответственно, появляется лишний фактор риска для пациента, экономические затраты на операцию.

Беспроводная передача энергии для заряда аккумулятора может позволить избежать повторных операций, снизить риск для больного и при этом обеспечить экономическую выгоду. Проблем, возникающих при питании высокомощных устройств, например аппарата искусственного кровообращения, в данном случае не возникает, так как для корректной работы не обязательно обеспечивать максимальную стабильность и эффективность передачи. Передача энергии будет происходить непродолжительное время и с низкой мощностью, соответственно, проблема перегрева биологических тканей возникать не будет. Данный метод позволит уменьшить риски и повысить качество жизни пациента.

Цель

Разработка модели беспроводного энергообеспечения кардиостимулятора.

Задачи

1.   Теоретическое изучение беспроводной передачи энергии с помощью электромагнетизма.

2.   Разработка структурной и электрической схемы модели. Подбор и поиск источников необходимых компонентов.

3.   Отладка работы модели на макетных платах.

4.   Сборка приёмной и передающей части в корпусах.

5.   Разработка методик и проведение тестов модели.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Блок питания
  • Генератор
  • Приёмник-выпрямитель
  • Система питания импланта, блоков управления и обратной связи
  • Arduino Pro Mini с Bluetooth-модулем

Описание

Выполнен аналитический обзор литературы по энергообеспечению имплантируемых кардиостимуляторов, выявлены основные проблемы. Получены знания по схемотехнике и программированию, необходимые для разработки модели. Далее была теоретически разработана модель кардиостимулятора с БПЭ, подобраны комплектующие. На следующем этапе производилась намотка катушек и отладка работы модели на макетных платах. Затем проведена компоновка и пайка устройства в корпусах. Финальным этапом стало проведение тестов готовой модели. Все работы были проведены лично автором под наблюдением научного руководителя.

Результаты работы/выводы

Собрана, отлажена и спаяна в корпусе модель кардиостимулятора. Проведены испытания систем питания, обратной связи и управления, по итогам которых можно сделать вывод о том, что модель работоспособна и соответствует заявленной цели.

Перспективы использования результатов работы

Данная модель в дальнейшем будет доработана по нескольким направлениям. Во-первых, это замена одиночных катушек на колебательные контуры и добавление возможности подстройки частот для увеличения эффективности передачи.

Во-вторых, изменение схем генератора и выпрямителя на более эффективные.

В-третьих, доработка эргономики и внешнего вида модели, увеличение функционала и интерактивности системы.

Результаты проекта могут быть использованы для доработки конструкции имплантируемых кардиостимуляторов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Работа выполнена на базе Детского технопарка НИУ МИЭТ «Смарт-парк» при поддержке компании «ЭСДИАР».

Особое мнение

«Надеюсь, что идея моего проекта будет полезна при разработке системы энергообеспечения имплантируемых кардиостимуляторов. Возможно, в будущем это поможет снизить смертность от заболеваний сердечно-сосудистой системы и повысить качество жизни пациентов с этими заболеваниями.

Проект «Инженерный класс в московской школе» и конференция «Инженеры будущего» помогают воплотить идеи в реальный проект и получить качественную обратную связь от специалистов в области исследований. Это очень полезный опыт, который, я уверен, пригодится мне в будущей деятельности».