ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-2-401-409ntv-176Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONСистема визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов с хроническим нарушением сознанияVisual display system of changes in physiological state for patients with chronic disordershttps://orcid.org/0000-0001-9539-8418ВостриковаС. А.VostrikovaS. A.

Вострикова Светлана Андреевна — научный сотрудник 

Санкт-Петербург, 197101 

Svetlana A. Vostrikova — Scientific Researcher 

 Saint Petersburg, 197101 

svetlanadegtiareva@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4455-1117ПогореловаК. О.PogorelovaK. O.

 Погорелова Кира Олеговна — инженер 

 Санкт-Петербург, 197101 

 Kira O. Pogorelova — Engineer 

 Saint Petersburg, 197101 

pogorelovakira@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8612-0297ШиряевД. С.ShiryaevD. S.

 Ширяев Даниил Сергеевич — инженер 

 Санкт-Петербург, 197101 

 Daniil S. Shiryaev — Engineer 

 Saint Petersburg, 197101 

dshiryaev@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6817-7871ПолухинІ. С.PolukhinI. S.

 Полухин Иван Сергеевич — ведущий инженер

 Санкт-Петербург, 197101  

 Ivan S. Polukhin — Leading Engineer 

 Saint Petersburg, 197101 

ispolukhin@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7806-8652АндреевЮ. С.AndreevY. S.

 Андреев Юрий Сергеевич — инженер 

 Санкт-Петербург, 197101 

 Yurii S. Andreev — Engineer 

 Saint Petersburg, 197101 

yura.andreev.98@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8357-3987СмирноваІ. Г.SmirnovaI. G.

Смирнова Ирина Геннадьевна — кандидат технических наук, доцент, доцент 

 Санкт-Петербург, 197101 

 sc 57195684395 

Irina G. Smirnova — PhD, Associate Professor 

 Saint Petersburg, 197101 

 sc 57195684395 

igsmirnova@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4715-7585КондратьеваЕ. А.KondratievaE. A.

Кондратьева Екатерина Анатольевна — доктор медицинских наук, руководитель группы изучения минимального сознания; старший преподаватель; старший научный сотрудник 

 Санкт-Петербург, 191014 

 Санкт-Петербург, 194044 

 Москва, 107031 

 sc 57191545581 

Ekaterina A. Kondratieva — D. Sc. (Medicine), Head of MCS Study Group;  Senior Lecturer;  Senior Researcher 

 Saint Petersburg, 191014 

 Saint Petersburg, 194044 

 Moscow, 107031 

 sc 57191545581 

eak2003@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1365-9184БугровВ. Е.BougrovV. E.

Бугров Владислав Евгеньевич — доктор физико-математических наук, профессор, руководитель лаборатории 

Санкт-Петербург, 197101 

 sc 8321276100 

Vladislav E. Bougrov — D. Sc. (Physics & Mathematics), Professor, Head of Laboratory 

 Saint Petersburg, 197101 

 sc 8321276100 

vladislav.bougrov@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationРоссийский научно-исследовательский нейрохирургический институт имени профессора А.Л. Поленова, филиал ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова»; Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова; Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологииРоссияPolenov Neurosurgical Institute (Branch of Almazov National Medical Research Centre); Military Medical Academy named after S.M. Kirov; Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and RehabilitologyRussian Federation202214122024222401409Copyright © Вострикова С.А., Погорелова К.О., Ширяев Д.С., Полухин І.С., Андреев Ю.С., Смирнова І.Г., Кондратьева Е.А., Бугров В.Е., 20242024Вострикова С.А., Погорелова К.О., Ширяев Д.С., Полухин І.С., Андреев Ю.С., Смирнова І.Г., Кондратьева Е.А., Бугров В.Е.Vostrikova S.A., Pogorelova K.O., Shiryaev D.S., Polukhin I.S., Andreev Y.S., Smirnova I.G., Kondratieva E.A., Bougrov V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/176

Предмет исследования. В медицине критических состояний остро стоит вопрос восстановления состояния пациентов с хроническим нарушением сознания — вегетативное состояние и состояние минимального сознания. Подобные состояния развиваются у пациентов после комы и характеризуются наличием бодрствования при полном или практически полном отсутствии признаков целенаправленного поведения. Регистрация мелких рефлексов и сигналов организма позволяет персоналу наблюдать за изменением физиологического состояния пациента, эффективностью курса лечения и требует непрерывного процесса контроля состояния, что не всегда возможно ввиду высокой загруженности персонала. В связи с этим наиболее эффективно применение системы отображения состояния пациента с возможностью передачи данных в режиме реального времени. Устройство отображения должно быть безопасным, мобильным, не ограничивать движение пациента и не оказывать на пациента негативное воздействие. Метод отображения интуитивно должен быть понятным и наглядным для более оперативного принятия решений. Метод. Основными элементами системы визуализации являются датчики на теле пациента и модули: управления, визуального отображения и передачи данных. В качестве элементов отображения применены RGB светодиодные ленты Arlight 5060 с пиксельной адресацией, закрепленные на тканевой хлопковой подложке. Объект визуального отображения представляет собой четыре слоя: пододеяльник с нижней и верхней сторонами, шерстяное одеяло и хлопковую подложку со светодиодными лентами. Выполнена оценка нагрева предлагаемой системы визуального отображения состояния пациентов и проведено сравнение полученных результатов с максимально допустимым нагревом кожи человека. Основные результаты. Оценка теплового режима выполнена путем моделирования в программном пакете COMSOL Multiphysics методом конечных элементов. Результаты моделирования сопоставлены с экспериментальным исследованием с помощью контактного измерителя температуры Centre 304 и инфракрасной камеры Optris PI 640i. Подтверждена безопасность системы. Предложены сценарии свечения индикаторов для снижения теплового воздействия. Практическая значимость. Предложенная система мониторинга может быть актуальна при наблюдении за физиологическим состоянием пациентов, находящихся в отделениях реанимации и интенсивной терапии. Внедрение системы поможет наблюдать за изменением физиологического состояния и повышать шансы пациента по выходу из хронического состояния.

There is an acute issue of patients recovering with chronic disorders in medicine of critical conditions — they are a vegetative and minimally consciousness state. Such states develop in patients after coma and are characterized by the presence of wakefulness with complete or almost complete absence of signs of purposeful behavior. Capturing small reflexes and body signs allows observing changes in the physiological state of the patient, the effectiveness of the treatment course and requires a continuous process, which is not always possible considering to the high workload of medical staff. In this regard, visual display and data transmission systems for patients are more efficient. The display device should be safe, mobile and not restrict the patient’s movement, should not have a negative impact on the patient. The display method should be intuitively understandable and clear for prompt decision-making. The main parts of the visual system are sensors of physiological signs on the patient’s body, a control module, a visual display object, and a data transmission module. RGB Arlight 5060 LED strips with pixel addressing on a textile substrate are used as display elements. The object of the visual display consists of three layers: a duvet cover on the underside, a wool blanket, a cotton backing with LED strips. The paper presents an assessment of the heating of the proposed visual display system for patients with chronic disorders and a comparison of the results with the maximum permissible heating of human skin. The heating estimation was performed by COMSOL Multiphysics cross-platform finite element analysis, solver, and multiphysics simulation. The simulation results are compared with an experimental study using a contact temperature meter Centre 304 and an infrared camera Optris PI 640i. The security of the system has been confirmed. Scenarios for the indicators to reduce the thermal impact are proposed. The proposed visual display system may be relevant when monitoring the physiological state of patients in Intensive Care Units. The implementation of the system will help to see changes in the physiological state and increase the chances of getting out of a chronic condition in the future.

система мониторингасостояние минимального сознанияхроническое нарушение сознанияhealth monitoring systemcoma patientschronic disordersЭкспериментальное исследование выполнено в рамках гранта РФФИ 19-29-01066/2020. Авторы выражают благодарность Российскому научно-исследовательскому нейрохирургическому институту им. А.Л. Поленова (филиалу НМИЦ им. В.А. Алмазова) за помощь и участие в формировании технического облика объекта визуального отображения.The experiment study was carried out under the RFBR grant 19-29-01066/2020. The authors express their gratitude to Polenov Neurosurgical Institute for participation in the formation of the technical appearance for the visual display object.ReferencesTeasdale G., Jennett B. Assessment of coma and impaired consciousness. A practical scale // The Lancet. 1974. V. 304. N 7882. P. 81–84. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(74)91639-0Teasdale G., Jennett B. Assessment of coma and impaired consciousness. A practical scale. The Lancet, 1974, vol. 304, no. 7882, pp. 81–84. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(74)91639-0Folstein M.F., Folstein S.E., McHugh P.R. “Mini-mental state”: A Practical method for grading the cognitive state of patients for the clinician // Journal of Psychiatric Research. 1975. V. 12. N 3. P. 189– 198. https://doi.org/10.1016/0022-3956(75)90026-6Folstein M.F., Folstein S.E., McHugh P.R. “Mini-mental state”: A Practical method for grading the cognitive state of patients for the clinician. Journal of Psychiatric Research, 1975, vol. 12, no. 3, pp. 189–198. https://doi.org/10.1016/0022-3956(75)90026-6Guger C., Allison B., Kammerhofer A., Guttmann F., Von Oertzen T.J., Spataro R., La Bella V., Annen J., Laureys S., Heilinger A., Ortner R., Cho W. MindBEAGLE – A new system for the assessment and communication with patients with disorders of consciousness and complete locked-in syndrom // Proc. of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). 2017. P. 3008–3013. https://doi.org/10.1109/SMC.2017.8123086Guger C., Allison B., Kammerhofer A., Guttmann F., Von Oertzen T.J., Spataro R., La Bella V., Annen J., Laureys S., Heilinger A., Ortner R., Cho W. MindBEAGLE – A new system for the assessment and communication with patients with disorders of consciousness and complete locked-in syndrom. Proc. of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2017, pp. 3008–3013. https://doi.org/10.1109/SMC.2017.8123086Thibaut A., Chatelle C., Stender J., Demertzi A., Bernard C., Hustinx R., Laureys S., Bruno M.-A. PET imaging in altered states of consciousness: Coma, sleep, and hypnosis // PET and SPECT in Neurology. 2014. P. 965–986. https://doi.org/10.1007/978-3-642-54307-4_47Thibaut A., Chatelle C., Stender J., Demertzi A., Bernard C., Hustinx R., Laureys S., Bruno M.-A. PET imaging in altered states of consciousness: Coma, sleep, and hypnosis. PET and SPECT in Neurology, 2014, pp. 965–986. https://doi.org/10.1007/978-3-642- 54307-4_47Brain Function and Responsiveness in Disorders of Consciousness / ed. by M.M. Monti, W.G. Sanita. Springer, 2016. P. 1–6. https://doi.org/10.1007/978-3-319-21425-2Brain Function and Responsiveness in Disorders of Consciousness. Ed. by M.M. Monti, W.G. Sanita. Springer, 2016, pp. 1–6. https://doi.org/10.1007/978-3-319-21425-2Cruse D., Chennu S., Chatelle C., Bekinschtein T.A., FernándezEspejo D., Pickard J.D., Laureys S., Owen A.M. Bedside detection of awareness in the vegetative state: a cohort study // The Lancet. 2012. V. 378. N 9809. P. 2088–2094. https://doi.org/10.1016/S0140- 6736(11)61224-5Cruse D., Chennu S., Chatelle C., Bekinschtein T.A., FernándezEspejo D., Pickard J.D., Laureys S., Owen A.M. Bedside detection of awareness in the vegetative state: a cohort study. The Lancet, 2012, vol. 378, no. 9809, pp. 2088–2094. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(11)61224-5Li X., Tan X., Wang P., Hu X., Dong Y., Zhang X., Luo B. Chronic disorders of consciousness: a case report with longitudinal evaluation of disease progression using 7 T magnetic resonance imaging // BMC Neurology. 2020. V. 20. P. 396. https://doi.org/10.1186/s12883-020-01973-0Li X., Tan X., Wang P., Dong Y., Zhang X. Chronic disorders of consciousness: a case report with longitudinal evaluation of disease progression using 7 T magnetic resonance imaging. BMC Neurology, 2020, vol. 20, pp. 396. https://doi.org/10.1186/s12883-020-01973-0Kremneva E., Sergeev D., Zmeykina E., Legostaeva L., Piradov M. Chronic disorders of consciousness: role of neuroimaging // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 886. P. 012011. https://doi.org/10.1088/1742-6596/886/1/012011Kremneva E., Sergeev D., Zmeykina E., Legostaeva L., Piradov M. Chronic disorders of consciousness: role of neuroimaging. Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 886, pp. 012011. https://doi.org/10.1088/1742-6596/886/1/012011Cain J.A., Spivak N.M., Coetzee J.P., Crone J.S., Johnson M.A., Lutkenhoff E.S., Real C., Buitrago-Blanco M., Vespa P.M., Schnakers C., Monti M.M. Ultrasonic thalamic stimulation in chronic disorders of consciousness // Brain Stimulation. 2021. V. 14. N 2. P. 301–303. https://doi.org/10.1016/j.brs.2021.01.008Cain J.A., Spivak N.M., Coetzee J.P., Crone J.S., Johnson M.A., Lutkenhoff E.S., Real C., Buitrago-Blanco M., Vespa P.M., Schnakers C., Monti M.M. Ultrasonic thalamic stimulation in chronic disorders of consciousness. Brain Stimulation, 2021, vol. 14, no. 2, pp. 301–303. https://doi.org/10.1016/j.brs.2021.01.008Бакулин И.С., Кремнева Е.И., Кузнецов А.В. и др. Хронические нарушения сознания / под ред. академика РАН М.А. Пирадова. М.: Горячая линия — Телеком, 2020. 288 с. https://doi.org/10.25780/0006Bakulin I.S., Kremneva E.I., Kuznetsov A.V. et al. Chronic Disorders of Consciousness. Moscow, Gorjachaja Linija–Telekom Publ., 2020, 288 p. (in Russian). https://doi.org/10.25780/0006Пирадов М.А., Супонева Н.А., Сергеев Д.В., Червяков А.В., Рябинкина Ю.В., Синицын Д.О., Пойдашева А.Г., Кремнева Е.И., Морозова С.Н., Язева Е.Г., Легостаева Л.А. Структурнофункциональные основы хронических нарушений сознания // Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2018. Т. 12. № 5. С. 6–15. https://doi.org/10.25692/ACEN.2018.5.1Piradov M.A., Suponeva N.A., Sergeev D.V., Chervyakov A.V., Ryabinkina Yu.V., Sinitsyn D.O., Poidasheva A.G., Kremneva E.I., Morozova S.N., Yazeva E.G. Structural and functional basis of chronic disorders of consciousness. Annals of Clinical and Experimental Neurology, 2018, vol. 12, no. 5, pp. 6–15. (in Russian). https://doi.org/10.25692/ACEN.2018.5.1Янковская Л.В., Пицко Д.В. Мониторинг в кардиологических блоках интенсивной терапии // Международный журнал сердца и сосудистых заболеваний. 2016. Т. 4. № 12. C. 52–62.Yankovskaya L.V., Pitsko D.V. Monitoring in cardiologic intensive care units. International Heart and Vascular Disease Journal, 2016, vol. 4, no. 12, pp. 52–62. (in Russian)Degtiareva S.A., Kondratieva E.A., Smirnova I.G., Polukhin I.S., Andreev Y.S., Bougrov V.E. Visual control and data transmission system by Li-Fi technology for patients in a vegetative state/ unresponsive wakefulness syndrome and minimally conscious state // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1697. P. 012172. ttps://doi.org/10.1088/1742-6596/1697/1/012172Degtiareva S.A., Kondratieva E.A., Smirnova I.G., Polukhin I.S., Andreev Y.S., Bougrov V.E. Visual control and data transmission system by Li-Fi technology for patients in a vegetative state/ unresponsive wakefulness syndrome and minimally conscious state. Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1697, pp. 012172. ttps://doi.org/10.1088/1742-6596/1697/1/012172Lovik R.D., Abraham J.P., Sparrow E.M. Surrogate human tissue temperatures resulting from misalignment of antenna and implant during recharging of a neuromodulation device // Neuromodulation. 2011. V. 14. N 6. P. 501–511. https://doi.org/10.1111/j.1525-1403.2011.00396.xLovik R.D., Abraham J.P., Sparrow E.M. Surrogate human tissue temperatures resulting from misalignment of antenna and implant during recharging of a neuromodulation device // Neuromodulation. 2011. V. 14. N 6. P. 501–511. https://doi.org/10.1111/j.1525-1403.2011.00396.x

The authors declare that there are no conflicts of interest present.