ИСТОРИЯ НА БИОМЕДИЦИНСКОТО ИНЖЕНЕРСТВО В БЪЛГАРИЯ

Иван Доцински

 Юбилейното честване на 40-та годишнина от основаването на нашето дружество по Биомедицинска физика и инженерство поражда много спомени за извървения път и постигнатите успехи от наши колеги, посветили най-хубавите години от своя живот на предизвикателствата на Биомедицинското инженерство. Първите крачки в тази област са на предприемчиви личности, които поддържаха вносната рентгенова апаратура в България много преди учредяването на дружеството и създаваха условия за натрупване на опит и знания за други приложения на техниката в медицината. С годините се появиха ентусиасти, които навлязоха по-дълбоко в проблемите и станаха желани партньори в рутинната и изследователска работа на екипи във водещи лечебни заведения. Създадоха се научни, развойни и производствени звена за медицинска апаратура, а с това и условия за израстване на специалисти и създаване на нови методи и устройства за диагностика и лечение.

Всеки опит за подробно и обективно отразяване на събития и ролята на свързаните с тях личности за такъв дълъг период от време е обречен предварително на неуспех, а неизбежните пропуски могат да предизвикат разочарования в много от участниците. Въпреки това ще си позволя няколко щрихи от миналото.

Първият български медицински инженер е Симеон Карадимов, специалист в рентгенова техника и физиотерапевтична апаратура. През далечната 1956 г. младите инженери Константин Попов и Емил Милев се присъединиха към сервизната организация на Министерството на здравеопазване, ръководена от братята Стефан и Васил Стефанови.

Малко по-късно се създаде изследователско и развойно звено, което приема през годините различни наименования без да променя предмета на дейност и местоположението си, а успехите му са неразривно свързани с Иван Даскалов и негови колеги. С риск да направя несполучлив компромис между пълноценна информация и отегчително изреждане на много заслужили личности, ще спомена имената на Мария Димитрова, Николай Мудров, Ивайло Христов, Михаил Матвеев, Чавдар Левков, Емил Новаков, Борис Граматиков, Владимир Пунджев, Стефан Дунев, Арина Илчева, Васил Лолов, Добри Добрев, Иван Доцински, без с това да влагам йерархия в тяхното подреждане. През 1994 г. основната част от тази група премина в лаборатория на БАН, където се присъединиха Ирена Жекова, Весела Кръстева, Татяна Нейчева, Жечо Костов, Сава Папазов. Направленията, по които се работи там, са: обработка и анализ на биомедицински сигнали и данни; биомедицинска информатика; анализ и моделиране на възбудимостта на биологични структури; моделиране и оптимизация на биопроцесни системи; изследване на количествени характеристики, описващи връзката между структурата и активността на биомолекули.

Типична дейност на клинични инженери в образната диагностика развиваха Димитър Карадимов, Николай Петухов. Рентгенолозите внедряваха нови изследвания съвместно с тях, като в много случаи ползваха изработени за целта специализирани устройства и модули. Подобни бяха проявите на Тодор Керин, Атанас Славчев, Петър Генов във Военна Медицинската Академия, както и на други инженери, като Петър Триндев, Славик Табаков, чиято изследователска работа е тясно свързана с колеги физици.

Институтът по медицинска техника беше събрал навремето много млади инженери, които съчетаваха изследвания с разработки и производство главно на физиотерапевтична апаратура. Основател на Института бе Любен Йовев, а по-нататъшните постижения са свързани с Константин Попов, Димитър Димитров, Петър Самодумов, Иван Доцински.

Приятно впечатление прави появата на последните изложби БУЛМЕДИКА на фирми, които предлагат електронна медицинска апаратура, създадена и произведена у нас.

Обучението в Биомедицинско инженерство, началото на което бе положено в МЕИ София, е резултат на инициативата и усилията на Илион Стамболиев. Негови последователи са Войслав Луканов и Иво Илиев, който успешно съчетава преподавателската дейност с научни изследвания и разработки. Други учени от това висше учебно заведения, приобщили се към нашата тематика, са Георги Михов и Рачо Иванов. В момента обучение в тази специалност се води още в Пловдив, Габрово, Варна.

В продължение на няколко години в Пловдив се провеждаше обучение по магистърска програма по специалността “Медицинска радиационна физика и инженерство” по Tempus проект, организиран със съдействието на ColinRoberts и Славик Табаков.

Ще се опитам да спомена най-важните научни и развойни постижения през изтеклите 40 години без да посочвам имената на действащите лица, като подчертавам, че те станаха възможни благодарение на тесните връзки и сътрудничество с водещи лекари. За малко повече подробности е достатъчно да си спомним прекрасната равносметка, която направи пред научната общественост у нас Иван Даскалов при честване на 70-та му годишнина в големия салон на БАН. На колегите, които са пропуснали тази забележителна среща, мога да предложа запис от неговата академична лекция, която ползвах при компилация на материала, представен по-долу.

Отделено беше необходимото време и внимание за изучаване на механизмите на електровъзбудимостта. Тези изследвания допринесоха за по-добро разбиране на свойствата и специфичното приложение на използваните модули, генериращи токови или напреженови импулси, както и на влиянието на паразитните връзки между стимулатор и регистриращо устройство върху достоверността на получаваните резултати. Конструирани бяха много и различни апарати и устройства с приложение за електрофизиологични изследвания. Някои от тях се използват и до днес.

В сътрудничество с опитни рехабилитатори и ортопеди започна работа по електрична и магнитна стимулация. Създадени бяха обезболяващи транскутанни невростимулатори, стимулатори за възстановяване на денервирани мускули и за стимулация на костния растеж. Въведена бе нов вид електростимулация с обратна връзка за рехабилитация при ставни увреждания.

Изследвани бяха Фурие спектрите на епохи от електроенцефалограми. Открит бе съществен недостатък – подчертаване на най-нискочестотните спектрални компоненти. Това се дължи на бавни колебания на изоелектричната линия, които не са част от реалния сигнал. При наличие на делта вълни обаче се получават компоненти с подобни параметри. Поради това бе усъвършенстван квазичестотния анализ (метод на нулевите първи производни), при който посоченият недостатък се избягва. Работи се с вълни, чиито амплитуди и продължителности са по-големи от определени гранични стойности. Този анализ има характер на филтър, с който се отстраняват колебания с нетипични високи честоти и ниски амплитуди. Той позволява и съставянето на спектрални характеристики, представляващи амплитуди и честоти във функция на времето, което остава скрито при традиционния Фурие анализ.

Електромиографията също бе обект на изследвания. По-специално внимание бе обърнато на предизвиканите нервно-мускулни потенциали. Разработени бяха подходи и алгоритми за потискане на бавната опашка, която създава затруднения при точното определяне на скоростта на разпространение на нервната възбуда.

Направени бяха опити за оценка на дълбочината на канала, респ. за локализация на пулпата при стоматологични интервенции. Този проблем се оказа много труден за решаване. Все пак, в някои случаи измерването на поляризационния потенциал може да бъде прието като достатъчно информативно.

Разработени бяха методи и апарати за контрол и оценка на адекватната функция на пейсмекери. Създадена бе апаратура за измерване на параметрите на стимулационния импулс и за регистрирането му в реално време с електрокардиограф, след аналогово-цифрово преобразуване, запомняне в кратковременна памет и прочитане с бавна скорост. В някои случаи се налага оценка на спонтанната електрокардиограма на пациент с пейсмекър. За целта бе разработен апарата Пейс-Стоп за потискане на импулсите на имплантирания on demand стимулатор в продължение на прецизно зададен време-интервал.

Мониторирането на родовия процес в акушерството се състои в получаване и регистриране на два вида сигнали – честотата на сърдечната дейност на плода и контракциите на матката. Снемането на ЕКГ-сигнал от плода, от който се определя сърдечната честота, се извършва обикновено с електрод-кука, закачван на скалпа. За избягване на тази инвазивна интервенция бе разработен метод и апаратура, използваща Доплер-ултразвук. Проблемът беше, че полученият сигнал е многокомпонентен, често с три комплекса в един сърдечен цикъл. Решението бе намерено в специфичен анализ на авто-корелационната функция на последователности от 5s интервали чрез допълнителна обработка за точна идентификация на последователните максимуми и измерване на разстоянието между тях.

Друго едно изследване завърши със създаване на спирометри за измерване на белодробните обеми, а по-късно и на апаратура за диагностика и мониториране при пациенти с астма. В тези случаи се прилага провокационен тест с метахолин, но промените се установяват със закъснение. Това затруднява диагностиката, тъй като съществува риск от предозиране на провокационния агент. Освен това, точността зависи от сътрудничеството на изследваното лице. Затова бе приложено паралелно измерване на постоянната компонента на трансторакалния импеданс с честота около 50 kHz. Оказа се, че промените на импеданса предхождат тези, получени чрез спирометрия. С това диагностичната стойност на провокационния тест се повиши значително.

Следоперативното мониториране и оценка на жизнено-важни показатели при интензивно лечение бе следваща цел на изследване и разработка. Приложен бе четириелектродния метод за едновременно регистриране на електрокардиограмата и торакалния импеданс с паралелно непрекъснато неинвазивно измерване на сърдечния ударен и минутен обем. Това се постига чрез подходящ алгоритъм за разпознаване на трите характерни точки в импеданскардиограмата, необходими за прилагане на формулата на Кубичек: начало на анакротния подем, максималната стойност на сигнала и инцизурата, която много често е едва забележима. Тези маркери се появяват на екрана след заявка от оператора, който лесно може да установи евентуални грешки, дължащи се на смущения от неволни движения на пациентите в интензивните отделения. При коректно разпознаване, операторът стартира изчисляването на двата обема, а получените стойности се показват на монитора. Предвидена е възможност те да могат да се преобразуват като показатели на някой от инвазивните методи за измерване на кръвния поток, които се приемат като по-достоверни. За тази цел преди началото на мониторирането е необходимо да се направи еднократно сравнително измерване с инвазивния и импедансния метод. Предполага се, че корелацията между тях няма да се промени за периода, прекаран от пациента в интензивното отделение.

През 80-те години в здравеопазването се появи необходимост от ултразвукова диагностична апаратура. Сериозните по това време затруднения за внос наложиха да се разработи и въведе в производство серия ултразвукови апарати. Началото бе с устройства, прилагащи А-скан. Създадени бяха няколко специализирани варианти за изследване в офталмологията и по-специално за установяване на отлепена ретина, обективно измерване на рефракцията, локализация на хематоми; за изследване на максиларните и фронтални синуси; за бърза проверка на симетрията на мозъчните хемисфери; за изследване на повърхността на белите дробове. Придобитият опит позволи да се разработят и М-скан апарати с приложение в кардиологията. Регистрираните М-ехограми съдържат съществени данни за миокардната функция. От тях могат да се извлекат десетки функционални показатели. За целта бе разработен специализиран дигитайзер. Ръчно посочените и автоматично снетите координати на характерни точки, ъгли, линии и периметри от ехограмата позволиха да се изчисляват около 60 функционални показателя.

Най-значими са постиженията в обработката и анализа на биомедицински сигнали, и по-специално на електрокардиографските сигнали.

За целите на профилактиката бяха разработени и въведени в производство скрининг-анализатори на фонокардиографски и електрокардиографски сигнали за ранно откриване на сърдечни заболявания у деца и възрастни.

В началото на 80-те години беше създаден първият микропроцесорен електрокардиограф в света. Ключов подход в новата концепция бе замяната на галванометричния регистратор на сигналите с микроточков термопринтер, който не въвежда изкривявания в записа. В апарат с размерите на едноканален кардиограф бе постигнат 12- и повече канален симултанен запис благодарение на оптимизирана структура на усилвателите, запазваща високите стойности на коефициента на режекция на инструменталния усилвател. Въпреки това, в много случаи остатъчното мрежово смущение е голямо поради особености на връзката усилвател-кабел-пациент. То се отстранява напълно с разработената субтракционна процедура, която не потиска честотните компоненти на сигнала в лентата около 50 (60) Hz. Апаратите измерват автоматично време-амплитудните параметри на ЕКГ вълните и имат допълнителна възможност за запис на бримки, с което вектрокардиографията става лесен и рутинен метод за сърдечни изследвания. За съжаление, софтуерът и регистрирането с микроточковия термопринтер, което вече е стандарт в електрокардиографията, не бяха патентовани поради формални правила за методи и програмни продукти.

Разработена беше фамилия едно- и многоканални електрокардиографи, произведени в повече от 6000 броя, от които около 200 бяха изнесени за ФРГ, Гърция, Дания, Франция и Англия. Успехът би бил и по-голям, ако платките и механичните елементи бяха изпълнявани по-качествено. За съжаление, такива бяха технологичните възможности по това време и нашият кардиограф сподели съдбата на първия в света електронен калкулатор.

Създадена бе филтрова процедура за премахване в реално време на апериодичен, високочестотен и високоамплитуден дрейф на нулевата линия при телеметрично мониториране на сърдечната дейност на пациенти, без ограничаване на двигателната им активност. Допълнително предимство на предложеното решение е премахването на остатъчното мрежово смущение. Изградена бе система за телеметрично проследяване на високорискови пациенти със сърдечносъдови заболявания, която е приложена успешно в клинични условия. Системата позволява автоматично снемане на 10-секунден запис при заявка от лекаря или автоматично при настъпили изменения в наблюдаваната електрокардиограма.

Бяха постигнати успехи в картографиране на ЕКГ сигнали от повърхността на тялото и в детектирането на късните потенциали.

Оценен бе сърдечния риск при спешните коремни операции. Подходящ анализ на електрокардиограма, получена с висока разделителна способност, позволи определянето на размера на миокардния инфаркт.

Нова беше и концепция за усилване и регистриране на електроенцефалограми, довела до създаването на осем канален ЕЕГ, без прецедент с размерите си на преносим едноканален ЕКГ. Усилвателят е постояннотоков, граничните честоти на филтрите се избират софтуерно. Енцефалографът обаче не можа да влезе в редовно производство, поради настъпилите промени в структурата на икономиката.

Сърдечната дейност, и по-специално QRS комплексите, са едни от трудно потисканите артефакти при регистриране на електрогастрографски сигнали. Оказа се, че модификация на разработен метод за потискане на дрейфа на нулевата линия на електрокардиограмата, прилагащ отрязване на високите и стръмни компоненти на сигнала преди високочестотно филтриране, може да бъде успешно използван за отстраняване на артефакти от QRS комплексите. Това дава възможност за получаване на чисти електрогастрографски сигнали, което е предпоставка за коректната им интерпретация.

През тези 40 години бяха полагани усилия за международно сътрудничество в областта на Биомедицинското инженерство, доколкото тогавашните условия позволяваха това. Могат да се посочат единични случаи на специализация в чужбина, обмен на опит при участие на конференции в чужбина, привличане на партньори предимно като резултат на лично установени приятелски връзки. Сравнително добри възможности се откриха пред някои висши учебни заведения. Така напр. колеги от МЕИ – София, Медицинска академия и БАН имаха възможност да изнесат цикъл лекции в Университета в Патра – Гърция, Университета в Гренобъл – Франция, King College Hospital – Лондон и др.

Преди около десетина години започна съвместна работа с колеги от Франция по създаване на модерни автоматични дефибрилатори, прилагащи нови видове двуфазни накъсани дефибрилационни импулси. Тази концепция позволява автоматично измерване на торакалното съпротивление на пациента по време на първите 1-2 импулса, стойността на което регулира по-нататък подаваната енергия чрез адаптивна промяна на коефициента на запълване. Особено внимание бе обърнато на високоволтовия модул на дефибрилатора. При проектирането му бе необходимо да се намери решение за бързо и едновременно превключване на серийно свързани високоволтови ключове при осигуряване на надеждна изолация между високоволтовата част и управлението.

Една от основните функции на автоматичния външен дефибрилатор е анализът на електрокардиограмата. Животозастрашаващият сърдечен ритъм, който изисква подаването на електрошок, трябва да бъде разпознат в рамките на 10-15 s след поставяне на двата електрода върху гърдите на пострадалия. В съответствие с последните международни рекомендации бяха разработени алгоритми за автоматично откриване на камерна фибрилация и камерна тахикардия по време на непрекъснат сърдечен масаж, който предизвиква изключително трудни за потискане механични смущения.

Усъвършенстван бе един нов метод за електрохимиотерапия, при който се въвеждат цитотатици в злокачествени тумори чрез електропермеабилизация – кратковременно създаване на пори в мембраната на клетките вследствие на приложено интензивно електрично поле. Вместо общоприетите дотогава монофазни импулси с период на повторение 1 s, бе разработена, тествана и внедрена поредица от кратки бифазни електрични импулси с обща продължителност 1 ms. Те се оказаха по-ефективни и по-щадящи за пациента, тъй като паузите между импулсите са по-кратки от рефракторния период на възбудените нервни аксони.

Повечето от изследванията и създадените методите, алгоритми и устройствата намериха отражение през този дълъг 40 годишен период в няколко стотици публикации, предимно в чуждестранни списания. Оценката на международната научна общественост се изразява в хиляди цитирания на трудовете, не само на членовете на нашето дружество, но и на инженери, които по една или друга причина са извън нашата организация.

Някои наши колеги намериха условия за творческа работа в чужбина и достигнаха високи позиции в изследователската и научна йерархия. Ще спомена Борис Граматиков – САЩ; Емил Новаков – Франция; Ховагин Бакарджиян – Япония; Васил Лолов – Германия; Славик Табаков – Великобритания; Войслав Луканов – Канада.

На нас, по-възрастните, не остава нищо друго, освен от все сърце да пожелаем на младите колеги да вървят по вече отъпкания път, да не намаляват темпото, да използват всички възможности за международно сътрудничество и финансиране, за да поддържаме самочувствието си на пълноценни, знаещи и можещи европейски граждани.