Проект: Разработка МЭМС преобразователя давления для контроля параметров сердечно сосудистой системы

В результате выполненных работ в рамках проекта будет изготовлен макет датчика давления стент-графта для контроля параметров сердечно сосудистой системы. Датчик давления предназначен для интеграции со стент-графтом и будет состоять из резонансного контура с резонансной частотой не более 500 МГц на основе катушки индуктивности и конденсатора .Диапазон измеряемого давления от 50 мм рт. ст. до 200 мм рт. ст., диаметр стент-графта не более 10 мм. Создаваемый макет предназначен для неинвазивной фиксации давления в стентированном участке аорты, что позволит в режиме реального времени отслеживать состояние пациента и на ранних стадиях, и без дополнительных рисков отследить возникновение осложнений. Раннее и точное выявление осложнений после стентирования имеет решающее значение для оперативного лечения и ведения заболевания. В течение первого года каждые 3-6 месяцев рекомендуется контроль для выявления раннего эндолика. Неинвазивный контроль состояния стент-графта позволяет более быстро, без инвазивного вмешательства оценить показатели кровотока в артерии. Дальнейшее скрининг проводится каждые 6 месяцев с оценкой скорости кровотока. Основные потребители – российский производитель стент-графтов «Мединж» (г. Пенза), медицинские учреждения сердечно сосудистой хирургии, в частности НИИ кардиологии Томского НИМЦ. Аналоги разрабатываемого в данном проекте устройства были представлены учеными из Национального университета Чоннам и Университета Кванджу, Корея. Однако представленный в их работе датчик работает на резонансной частоте 350 МГц, что в значительной степени снижает ширину диаграммы направленности, что вкупе с неконтролируемым позиционированием чувствительного элемента датчика давления при установке стент-графта и приводит к сложности фиксации принимаемого сигнала с устройства. На текущий момент серийно выпускаемых изделий не существует.

На сегодняшний день хирургическая процедура имплантации гибридного стент-графта при таких жизнеугрожающих состояниях как разрыв, расслоение или аневризмы аорты, является самым современным методом оказания высокоспециализированной помощи в сердечно-сосудистой хирургии. Смертность при остром расслоении грудной аорты без хирургического лечения составляет 80% в первый месяц заболевания. Сам гибридный стент-графт представляет собой конструкцию из эластичных металлических проволочных «пружин», покрытых непроницаемой для крови тканью, которые в раскрытом состоянии формируют тубус, а в собранном виде эластичный моделируемый жгут, диаметр которого не превышает 1 см. Раскрываясь в просвете аорты, стент-графт выполняет эндопротезирование сосуда. Однако установка стент-графта может вызвать ряд осложнений, среди которых наиболее распространенным является эндолик – проникновение крови в полость аневризмы через дефект в графте или около него. Данное осложнение повышает вероятность возникновения тромбоза аневризмы. Кроме этого, увеличенный сосуд может сдавливать рядом расположенные структуры: нервы, приводя к нейропатии; мышцы и мягкие ткани, вызывая болевые ощущения. Вышеописанные проблемы с современными стент-графтами свидетельствуют о том, что раннее и точное выявление осложнений после стентирования имеет решающее значение для оперативного лечения и ведения заболевания. Современные методы диагностики осложнений после стентирования делятся на несколько категорий: электрокардиография, ангиография и катетеризация. Электрокардиограмма используется только для общих оценок состояния сердечно-сосудистой системы и не обладают достаточной точностью. Ангиография и катетеризация исследуют непосредственно стентирпованные участки сосудов, обеспечивая высокую диагностическую точность. Однако данные методы являются инвазивными и дорогостоящими. В результате многие пациенты, проходят обследования для определения состояния стент-графта, только если они испытывают боль в груди или другие симптомы. В случае пациентов с сахарным диабетом, которые могут не испытывать боли в груди, это особенно опасно. Следовательно, для надежной диагностики осложнений в стентированном сосуде с целью подбора методов лечения необходим неинвазивный метод точного определения состояния сердечно-сосудистой системы пациента после имплантации стент-графта. В связи с этим возник спрос на разработку, исследование и интеграцию имплантируемых датчиков давления, способных анализировать артериальное давление пациента в режиме реального времени. Данный датчик также имеет высокую степень востребованности в сфере контроля осложнений после операции стентирования коронарных сосудов, когда стентами расширяют участок сосуда. В данном случае у более чем в 30% пациентов наблюдается осложнение в виде повторного сужения сосуда в месте установки стента (рестеноз) вследствие отсутствия в конструкции стента графт слоя. Отличия в датчиках для коронарных стентов и стент-графтов заключаются в размерах самих изделий и методах обработки данных. Сама концепция и методы беспроводной передачи информации являются общими. Мировой рынок датчиков давления демонстрирует постоянную положительную динамику последние 10 лет и на 2023 год оценивается в 14 млрд. долларов. Однако на сегодняшний день на мировом рынке отсутствуют датчики давления, которые можно имплантировать в сосудистую систему человека вместе с стент-графтом, что ограничивает возможность раннего и точного выявления сердечно-сосудистых заболеваний и оперативного ведения таких заболеваний. Однако исследования по данной тематике только набирают обороты. Встроенные датчики давления в стент-графтом условно разделить на активные и пассивные устройства. Активные устройства обладают высоким уровнем функциональности, потому что электронные схемы и устройства питания объединены воедино. Однако сложность данного вида устройств, а также значительное ограничение по сроку службы ограничивают их применение. Следовательно, устройства данного типа непригодны для имплантации в кровеносный сосуд. С другой стороны, пассивные устройства интегрированы с катушкой индуктивности для беспроводного получения электрического тока имеют простую конструкцию и потребляют мало мощности. Питание пассивных датчиков осуществляется за счет взаимной индуктивности между внешней катушкой и катушкой датчика. Первые лабораторные образцы вышеописанного датчика были представлены учеными из Национального университета Чоннам и Университета Кванджу, Корея, а также учеными из Университета Британской Колумбии, Канада. Представленные датчики давления имеют чувствительный элемент в виде верхней обкладки конденсатора и резонансный контур на основе LC резонатора. Однако данные устройства работают на частотах 350 МГц и 500 МГц что усложняет систему приема сигнала, а также ухудшает диапазон диаграммы направленности. Отличительной особенностью разрабатываемого LC резонансного датчика давления в данной работе будет является пониженная резонансная частота.

Предметом разработки являются: 1. Микроэлектромеханический датчик давления, состоящий из резонансного контура на основе конденсатора с подвижной верхней обкладкой и катушки индуктивности; 2. Испытательный стенд для оценки технических характеристик разрабатываемого МЭМС датчика давления; 3. Система возбуждения и детектирования электромагнитных колебаний резонансного контура. Предметом исследования являются: 1. Материалы, используемые в МЭМС датчике давления; 2. Конструктивные решения геометрических параметров индуктивной и емкостной части резонатора; 3. Методы возбуждения и съема сигнала МЭМС датчика давления.

Методы реализации проекта подразделяется на два основных блока: исследовательский и технологический. В первом блоке с использованием метода конечно-элементного анализа (Comsol) и математического моделирования (Matlab) будет произведено электромагнитное, температурно-частотное и статически-структурное моделирование основных характеристик и их зависимостей от различных параметров LC резонатора, где будет получена математическая модель устройства. Второй блок посвящен отработке технологии и изготовлению макета микроэлектромеханического датчика, которое будет осуществляться на базе НОЦ «Нанотехнологии» с использованием таких установок как: 1. установка для нанесения резистов OPTIspin SB20; 2. установка для влажных химических обработок OPTIwet SB30; 3. установка для вакуумной очистки, удаления остаточного резиста YES–G500; 4. термоплиты для сушки пластин и резистов Sawatec HP-401-250C; 5. система лазерной литографии Heidelberg microPG 101; 6. электронный микроскоп ZeissSupra 55 с блоком электронно-лучевого экспонирования Raith 150 Two; 7. оптический микроскоп компании Leica Microsystems GmbH; 8. установка магнетронного напыления тонких пленок ORION-B; 9. установка плазмохимического осаждения STE ICP200D; 10. установка плазмохимического травления STE ICP200E. Потенциальный индустриальный партнер проекта (ПО "Мединж", г. Пенза), который выпускает российские стент-графты (http://medeng.ru.swtest.ru/modification) для клинического использования готов предоставлять образцы своей готовой продукции для участников настоящего проекта с целью выполнения поставленных задач.

Новизна предлагаемых решений заключается в разработке датчика давления пригодного для имплантации в сосудистую систему человека совместно с стент-графтом работающего на резонансной частоте не более 500 МГц.

Таловская А.А. в 2023 защитила диссертацию на соискание степени магистра по теме «Исследование и разработка высокочувствительного сенсора для резонансно-частотного датчика давления». Является победителем программ УМНИК по теме «Разработка композитного сенсора резонансно-частотного датчика давления». В настоящее время является аспирантом 1 года и проводит исследования по теме диссертационной работы «Исследование и разработка имплантируемого датчика давления для сердечно сосудистой системы». Барбин Е.С. с 2011 года участвовал в выполнении ряда проектов по ФЦП, посвященных разработке методик создания, изготовления и испытаний МЭМС резонансных сенсоров, что подтверждается рядом публикаций в Scopus (24) и защищенной диссертацией на соискание степени к.т.н. Дважды проходил стажировку (9 мес.) в университете Тохоку (г. Сендай, Япония, 72 место в топ-100) по тематике «Разработка, технологии и изготовление МЭМС». На данный момент является руководителем проекта РНФ по теме «Разработка научных основ создания микрооптоэлектромеханического субмикро-g акселерометра». Кулинич И.В. являлся научным руководителем НИОКР, поддержанных фондом Бортника по теме: «Разработка микроэлектромеханического СВЧ переключателя, способствующего повышению частотных характеристик СВЧ устройств». А также Входил в состав коллектива исполнителей проекта «Разработка перспективных однокристальных передающих СВЧ модулей миллиметрового диапазона на основе полупроводников типа A3B5 для применения в современных информационно-коммуникационных системах нового поколения (5G)». Трошкинев Н.М. и Кулинич И.В. ведут работу по разработке датчика давления и потока крови, применяемый в коронарных стент-графтах. Савенко К.В. в рамках научной работы на кафедре телекомуникаций и основ радиодетхники на габаритном макете разработал систему приема и возбуждения колебаний LC – резонатора для имплантируемого микроэлектромеханического датчика давления. Ахмедов Ш.Д. практикующий хирург Томского НИИ кардиологии. В 1997 г. защитил диссертацию на соискание ученой степени доктора медицинских наук по теме «Электростимуляционная кардиомиопластика в лечении больных ИБС и дилятационной кардиомиопатией» (специальность «сердечно-сосудистая хирургия»). Ахмедов Ш.Д. прошел ряд важных стажировок в ведущих зарубежных клиниках: госпиталь Ля-Питие-Салпитрие — по специальности «сердечно-сосудистая хирургия» (Париж, Франция, 1995), госпиталь сердечной хирургии (Миннеаполис, США, 2000), НИИ трансплантологии и искусственных органов — в качестве руководителя группы подготовки сотрудников НИИ кардиологии ТНЦ СО РАМН для выполнения операций по пересадке сердца (Москва, 2003). В 2004 г. Ш. Д. Ахмедову присвоено звание профессора по специальности «сердечно-сосудистая хирургия». Таким образом, на сегодняшний день авторы проекта имеют все компетенции, научный задел и опыт реализации для успешного выполнения проекта.

Конкурентным преимуществом данного прибора станет неинвазивный резонансный тип измерения давления в стентированных участках сосудистой системы, который является самой передовой технологией в сфере измерения внутриартериального давления. Отличительной особенностью разрабатываемого LC резонансного датчика давления является пониженная резонансная частота для улучшения ширины диаграммы направленности.