«Трембіта» проти ковіду: українські вчені створили акустичну систему для діагностики легенів

Науковці Національного авіаційного університету і Національного медичного університету розробили унікальні акустичні системи діагностики ураження легень у хворих на SARS-CoV-2 серії «Трембіта-Корона».

Важливо, що запропонований метод моніторингу легень є пасивним, тобто хворий не потрапляє під вплив рентгенівського, електромагнітного чи якогось іншого опромінення, що особливо важливо для маленьких пацієнтів, які з появою нових штамів коронавірусу хворіють дедалі частіше.

Про ці та інші унікальні досягнення науковців столичного вишу «УМ» попросила розповісти доцента кафедри Прикладної механіки та інженерії матеріалів НАУ Ганну Щегель.

«Почути» ускладнення

■ Ганно Олексіївно, які особливості розроблених вами акустичних систем для діагностики уражень легень вірусом SARS-CoV-2 у дітей?

— Ще років двадцять тому в Національному авіаційному університеті під керівництвом професора В’ячеслава Астаніна створили спеціалізовану лабораторію, де розробляли композитні матеріали з особливими властивостями.

Спочатку це були авіаційно-космічні розробки, адже як у літаку, так і в космічному апараті дуже багато елементів, які потребують потужного захисту типу броні, але така авіаційно-космічна броня має бути легкою й багатофункціональною. Розроблені бронекомпозити надали можливість створити бронещити, бронежилети і каски для пожежників, рятувальників та військових.

Один із методів контролю міцності композиту — саме акустичний. Дослідження у цьому напрямку дало можливість розробити цілу систему принципово нових композитів, які ми назвали акустичними.

Вони мають унікальні відбивальні властивості, що дало можливість у 2014—2019 роках розробити новітні акустичні пристрої, за допомогою яких стало можливим виявлення БПЛА на відстані кількох кілометрів, створення потужних протитерористичних антиснайперських систем акустичної розвідки та охорони блокпостів.

Але коли в 2020 році постали нові виклики, пов’язані з коронавірусом, ці розробки акустичних систем були адаптовані для того, щоб створити систему діагностики хворих для швидкого виявлення ураження легень на раннійц стадії.

Особливо це актуально для дітей, бо в малечі (хоч і вважалося, що вони менше хворіють) ураження легень дуже важкі, а проводити діткам діагностику легень за допомогою рентгену чи МРТ небажано, адже це опромінення.

Тому на кафедрі прикладної механіки та інженерії матеріалів НАУ розроблено концепцію діагностики хворих на SARS-CoV-2 акустичними методами. В основі лежать ті ж самі акустичні композити — наші розробки продовжують рятувати життя.

 Як працює нова методика?

— Розроблені нами акустичні композити дали можливість зробити малогабаритні приймачі акустичних сигналів, які дуже чітко можуть виділити ті чи інші акустичні коливання, які випромінюють уражені легені.

Це акустичне випромінювання проходить через акустичні приймачі (які, до слова, захищені патентами і є унікальними розробками), приймають мікрофони (акустичні приймачі) — записують, а далі їх аналізують спеціальні оригінальні комп’ютерні програми.

Саме такий комплексний підхід надав можливість чітко відрізняти одні акустичні коливання від інших, розібратися, чи це звичайна пневмонія, чи бронхіт, чи це ураження легень коронавірусною інфекцією, чи сторонні акустичні коливання.

Ми розробили наші акустичні системи з позиціонуванням джерела звуку, тобто вони знаходять не тільки «що це за звук?», а й «звідки?», і навчили їх на величезних площах знаходити з точністю до пів метра на відстані в кілометр точку, з якої стріляє снайпер, кулемет чи міномет.

Наші цивільні медичні системи теж уміють знаходити у легенях найбільш уражені зони. Комп’ютерна обробка дає можливість із точністю до міліметра знайти вражену зону, причому з урахуванням інших шумів на зразок роботи серця: всі зайві акустичні сигнали ми виділяємо і не враховуємо.

Цими питаннями з технічного боку займаються науковці НАУ під керівництвом завідуючої кафедри прикладної механіки та інженерії матеріалів, професорки Оксани Мікосянчик, а з точки зору медицини над цими питаннями працюють на кафедрі педіатрії НМУ ім. Богомольця під керівництвом професора Юрія Марушка.

На фото ви можете побачити, як асистент Ольга Хомич досліджує стан легень маленької пацієнтки приладом «Трембіта-Корона». Це дуже важка й копітка робота, адже лікарям і співробітникам доводиться контактувати з хворими на SARS-CoV-2, працюючи у відповідних відділеннях. Але зібрані матеріали — акустичні еталони — надали можливість виявити особливості акустичного випромінювання уражених легень, і ми вже зараз можемо сказати про наше досягнення у цьому напрямку.

В основному ми працюємо з маленькими пацієнтами, адже це наше майбутнє. Було створено величезну базу даних — з кожної хворої дитини знімали акустичні дані. Зовні це виглядало так, ніби лікар прослухав легені хворого фонендоскопом, тільки замість трубочок до навушників лікаря йшли дроти.

Цю зібрану чималу акустичну інформацію потрібно ще й комп’ютерно обробити, і в цьому нам допомагають школярі з нашої підшефної київської школи №159. На базі кабінету інформатики під керівництвом вчителя інформатики Валентини Олефір працює група майбутніх комп’ютерників.

Безумовно, що після школярів ми неодноразово перевіряємо їхні висновки. Це фактично практична підготовка наших майбутніх студентів НАУ, як механіків (які розроблятимуть нові конструкції композитних матеріалів акустичних приладів), так і програмістів (які розроблятимуть програми).

Тож, залучаючи школярів до цієї роботи, ми фактично формуємо їхні погляди, готуємо до майбутнього вибору професії.

Так, наприклад, учень-гуртківець 159-ї школи Степан Мнацаканов разом з викладачем інформатики Валентиною Олефір розробив елемент програми комп’ютерного аналізу й обробки акустичних сигналів для діагностики «ковідного» ураження легень. Ми сподіваємось, що наші найкращі учні-гуртківці стануть студентами НАУ, НМУ чи якогось іншого вишу.

Ольга Хомич досліджує стан легень маленької пацієнтки.

Секрет ворсинок

■Ваші військові і «мирні» розробки мають однакову назву — «Трембіта». Чому?

— Справді, акустичні системи діагностики ураження легень і акустичного моніторингу місцевості для антитерористичної боротьби та виявлення безпілотників мають єдиний логотип «Трембіта».

Відповідно серії «Трембіта-Корона» призначені для медиків, а серії «Трембіта БІСС» і «Трембіта АнтіЛЛА» для акустичного моніторингу місцевості. Фактично створюючи унікальні акустичні композити, ми розгадали загадки нашої української трембіти і скрипки великого італійського маестро Страдіварі.

Трембіта, як ми дізнались від гуцульського майстра-трембітаря діда Іштвана, робиться не просто зі смереки, а саме з тієї, в яку влучила блискавка. Відомо, що Антоніо Страдіварі робив свої скрипки зі старовинних меблів, які він скуповував у середньовічних замках.

Усі стикалися з тим, що, коли фарбували чи лакували поліровану дощечку, після першого шару фарби чи лаку вона стає спочатку шорсткою, і тільки після заливки цих ворсинок наступними шарами лаку — знову стає гладенькою. Ось і весь секрет скрипок Страдіварі — звук відбивається не від поверхні, а проходить до ворсинок, які вібрують, посилюючи і спрямовуючи його.

Цю ідею, з урахуванням новітніх технологій і матеріалів, ми і застосували при розробці наших акустичних композитних матеріалів. Я хотіла би зазначити, що якби Антоніо Страдіварі знав про наші акустичні композити, він робив би свої скрипки з наших матеріалів. Властивість ураженої блискавкою смереки для виготовлення трембіти та ж сама, ось тому ми і назвали наші прилади «Трембітами».

■ А як працюють ваші «Трембіти» на передовій?

— У 2014-2018 роках ми зробили унікальну систему, яку згодом назвали «Трембіта-М». Ця система акустичного моніторингу місцевості давала можливість у темну пору року й туман захистити блокпости. Досвід роботи на Донеччині та Луганщині показав, що найнебезпечнішими для охоронців блокпостів є «зеленка», ніч та туман, а це осінь і весна.

Там бувають такі тумани, що в двох кроках від вас нічого не видно. Розроблену в НАУ систему акустичного моніторингу місцевості ставили на блокпостах, і оператор уночі і в туман ідентифікував автомобіль на відстані кількох кілометрів, кроки — на відстані 100-200 метрів, розмову і навіть шурхіт «ловили» за сотню метрів.

А от «Трембіта БІСС» надає можливість видавати координати цілі. «Трембіта БІСС», написано з двома літерами «С», що означає БІ — це подвійна стерео система. Загалом це сучасна комп’ютеризована малогабаритна система протитерористичної антиснайперської боротьби. «Трембіта АнтіЛЛА» — це сучасна комп’ютеризована малогабаритна система, призначена для протидії легким літальним апаратам, тобто безпілотникам.

Таких систем акустичного моніторингу місцевості типу «Трембіта Х» нам вдалося разом зі студентами НАУ, НТУ (КПІ) і школярами 159-ї школи зробити понад 250 штук, причому повністю на волонтерських засадах.

Серед наших розробок є бронекомпозити для автомобілів, бронещити, каски. Дуже цікаві наші розробки у напрямку міцності при швидкісному ударі, це спеціальні гідродинамічні кулі, які пробивають п’ятисантиметровий кевлар. Якщо ми розробили захист від куль, то ми знаємо, як його обійти.

Розроблені нами так звані біологічно-активні композити дозволили створити пристрої, що суттєво полегшують страждання при транспортуванні опікових хворих і поранених. Про ці розробки у напрямку ударної міцності і біологічно-активних композитів я якось розкажу іншим разом, бо це окрема історія.

Нічого подібного до наших розробок у світі немає! Але ж такі системи і пристрої треба масово виробляти, як для бійців пожежних команд, поліції, військових, так і для цивільних поранених при пожежах, стихійних лихах, ДТП, хворих на коронавірусне ураження легень.

■ Які перспективи ваших нових розробок?

— У нас є дуже цікаві роботи в галузі наноакустичного діагностування ракових захворювань, але продовження цих досліджень потребують фінансування на державному рівні і розробки принципово нового обладнання, аналогів якого у світі нема, але ми знаємо, як це зробити.