На прошлой неделе Европейское космическое агентство (ESA) объявило, что следующий астронавт Матиас Маурер, отправка которого на МКС запланирована на 31 октября в составе миссии SpaceX Crew-3, наденет SmartTex — «умную» футболку с датчиками. Постоянный мониторинг жизненно-важных показателей здоровья (Vital Signs) необходим для проведения 6-месячного эксперимента по контролю воздействия микрогравитации на сердечную мышцу. Предполагается, что SmartTex станет обязательным атрибутом для европейских астронавтов. Подобный комплекс Astroskin было разработан пару лет назад и Канадским космическим агентством (CSA) для своего астронавта. Как же обстоит дело в России и нужен ли вообще мониторинг здоровья человека в режиме реального времени?
SmartTex, ESA
В эксперименте BEAT (баллистокардиография для внеземного использования и долгосрочных миссий) исследуют долговременный эффект воздействия микрогравитации на работу сердечной мышцы. Датчики «умной» футболки фиксируют частоту сокращения сердечной мышцы или время открытия/закрытия сердечных клапанов у астронавтов. Такую информацию обычно можно получить только с помощью сонографии или томографии, которые проводятся с помощью объемных приборов.
В состав футболки также входит небольшой концентратор сигналов и радиопередатчик. Телеметрия с футболки будет передаваться через коммуникационную сеть Wireless Compose 2 (WICO2), её Матиасу Мауреру ещё предстоит развернуть на МКС. Пока датчики и радиопередатчик SmartTex питаются от батарей, но учёные разрабатывают фотоэлектрические элементы, которые смогут вырабатывать электроэнергию от искусственного освещения внутри МКС.
Полученные данные будут временно храниться в сети WICO2 и извлекаться оттуда астронавтом через определенные промежутки времени. Массивы данных затем будут передаваться на Землю через стандартные каналы связи МКС для последующего анализа в DLR (немецкое космическое агентство). Следующий астронавт ESA, Саманта Кристофоретти, которая полетит на МКС в апреле 2022 г., также получит «умную» футболку SmartTex. Полученные в ходе эксперимента данные пригодятся при планировании миссий на Луну и Марс. Европейские разработчики также полагают, что в будущем технологии SmartTex смогут найти применение и на Земле, в сфере фитнеса и телемедицины.
«Умная» футболка SmartTex Европейского космического агентства. Источник: DLR
Astroskin, CSA
В отличие от европейской системы SmartTex, которая только готовится к развёртыванию на МКС, аналогичная по задумке система биомониторинга Astroskin разработки канадского CSA уже активно используется на станции с 2019 г. Изначально она была разработана для канадского астронавта Давида Сен-Жака, но на начало декабря 2020 г. Hexoskin, компания-разработчик системы, отправила на МКС уже семь «умных» футболок Astroskin для астронавтов NASA, CSA и ESA.
По сравнению с европейской SmartTex «умная» футболка Astroskin обладает более широким набором датчиков для одновременного измерения большинства жизненно-важных показателей человека, а не только снятия кардиоданных. Датчики на Astroskin в режиме реального времени измеряют давление, пульс, ЭКГ (три ответвления: VHR, QRS, RR intervals), частоту дыхания, температуру тела и уровень активности. В саму футболку из электропроводимого текстиля встроен небольшой шлюз-коннектор, собирающий данные со всех датчиков, встроенной батареи хватает на 48 часов работы.
Ещё одно отличие: «умная» футболка Astroskin работает с планшетом, на котором предустановлено специализированное ПО (уже потом данные сгружаются в системы МКС и передаются на Землю). А SmartTex изначально разрабатывается как часть коммуникационной сети WICO2, которую предстоит развернуть на МКС. К ней можно будет подключать и другие устройства для хранения и, возможно, для анализа данных на борту.
Канадский астронавт Давид Сен-Жак на борту МКС в Astroskin. Источник: CSA/Hexoskin
«Умная» футболка Astroskin уже продается на Земле. Клиенты — в первую очередь военные, а также службы быстрого реагирования, промышленные предприятия со сложными условиями труда, медицинские организации и профессиональные спортсмены. Компания-разработчик Hexoskin рекомендует партнёрам использование программы VivoSense для анализа физиологических данных с носимых устройств.
Космическая медицина. В начале
Ежедневной практики мониторинга физиологических параметров космонавтов в России нет, снимаются изменения показателей за определенные периоды. Это связано с историей освоения космоса в нашей стране: длительность полетов планомерно наращивалась, накапливалась статистика по ним. Собственно, рождались направления космической кардиологии и медицины. Одним из её важных направлений стала донозологическая диагностика, то есть отслеживание пограничных состояний и в целом, профилактика заболеваний на основе данных по сердечно-сосудистой системе. Ученые убеждены, что по её адаптационным реакциям можно судить о состоянии всего организма.
В 1964 году в Институте медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН) открылась лаборатория медицинской кибернетики. В ней разрабатывались методы анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР), сейсмокардиографии (СКГ, колебания грудной стенки, связанные с сердечными сокращениями) и баллистокардиографии (БКГ, механические проявления сердечной деятельности, выражающиеся в смещениях тела человека). На их основе были созданы принципиально новые подходы к оценке риска развития патологии в условиях длительного космического полета, начиная с первых орбитальных станций «Салют» в 1970-е гг. У американцев и европейцев такого опыта не было: после кратковременных экскурсий на «Скайлэб» на длительное время астронавты стали летать на орбиту только с запуском станции «Мир».
Российский космонавт Елена Серова проводит эксперимент по космической кардиологии на борту МКС. Фото: Роскосмос
В нормальном режиме углублённый мониторинг физиологических параметров российских космонавтов осуществляется раз в 2–3 недели. Они сдают анализы крови и мочи на биохимию, снимают электрокардиограмма (ЭКГ), выполняются холтер-мониторинг, нагрузочные исследования. Телеметрия с датчиков комплекса медицинских регистрирующих систем передаётся на Землю, где её в зависимости от профиля изучают узкие специалисты (см. подробнее материал в журнале «Русский космос»). Конечно, в случае чрезвычайных ситуаций или ухудшения состояния космонавта организуется отдельный сеанс связи с медиками в ЦУПе, как правило, по закрытому каналу.
Тем не менее, схожие с «умными» футболкам задачи возникают во время внекорабельной деятельности, когда требуется в режиме реального времени отслеживать базовые физиологические параметры российских космонавтов. В этом случае состояние человека определяется по ЭКГ как суммирующему показателю всех систем организма, в частности пульсу, и температуре тела. Космонавт крепит термистр на кожу в заушной ямке, прикрепляет к телу электроды для снятия ЭКГ, а уже сверху надевает нательное бельё и систему охлаждения. После входа в скафандр все датчики через специальный медицинский разъём подключаются к его автономной системе обеспечения жизнедеятельности (АСОЖ). Косвенно состояние космонавта отслеживается по расходу кислорода, энергозатратам и другим параметрам АСОЖ скафандра, а также по данным радиообмена и по видео экипажа.
Российский космонавт Олег Кононенко во время эксперимента «Кардиовектор». Фото: Роскосмос
«В российской (а тогда еще советской) научной программе подобная идея [мониторинг жизненно-важных показателей – прим.ред.] была реализована ещё на станции «Мир». Эксперимент «Вектор» под научным руководством д.м.н., профессора ИМБП РАН Р.М. Баевского предполагал размещение датчика на спальном мешке космонавта и запись баллистокардиограммы по 3-м взаимоперпендикулярным осям. Анализировались частота сердечных сокращений в течение всей ночи, дыхание, двигательная активность и амплитудные показатели БКГ. Во время рекордного полета врача-космонавта Валерия Полякова (14 месяцев) в рамках российско-австрийской программы подобные цели реализовывались при выполнении эксперимента “Сон”» — рассказывает Елена Лучицкая, к.б.н., старший научный сотрудник ИМБП РАН.
Космические эксперимент «Вектор». Дополнительный блок к аппаратуре «Гамма» (слева), нагрудный пояс с электродами для ЭКГ и датчиками СКГ (справа вверху), трёхмерный акселерометр для регистрации пространственной БКГ (справа внизу). Извините за сокращения, расшифровка есть в статье. Фото: ИМБП
Елена Лучицкая рассказала, что более серьёзные исследования качества сна начались на МКС после разработки прибора для бесконтактной регистрации физиологических сигналов. Эксперимент «Сонокард» был проведён у 22-х российских космонавтов. Полученные данные позволили отслеживать состояние космонавтов и следить за их восстановлением при работе на станции, особенно после выходов в открытый космос.
В начале 1980-х удалось начать применение на Земле методов донозологической диагностики, выработанных в космосе. ИМБП и МОНИКИ создали автоматизированную лабораторию «Автосан-82» на основе той же медицинской аппаратуры, которая была на орбитальной станции «Салют-6». Потом была создана автоматизированная система «Вита-87» (использовалась при массовой̆ диспансеризации населения). В 1995 г. при содействии ИМБП в Рязани была создана компания «Рамена», отвечавшая за разработку диагностического комплекса «Варикард». В настоящее время компания предлагает как сами приборы, так и облачные сервисы РАМЕНА и SUM_LINE по удалённой диагностике файлов ЭКГ.
Российский космонавт Александр Скворцов во время проведения эксперимента «Сонокард». Прибор кладётся в карман майки, во время сна его акселерометр регистрирует сейсмокардиограмму. Фото: Олег Котов
Сейчас метод анализа вариабельности сердечного ритма, созданный в ИМБП РАН для космонавтов, используется в различных областях клинической медицины и прикладной физиологии на Земле. С использованием методов донозологической диагностики и при помощи ИМБП компания «Измерение здоровья» разработала мобильное приложение Engy Health, которое следит за уровнем здоровья, стресса и т.п. Для его работы необходим сверхточный пульсометр Engy Beat либо одно из совместимых устройств.
В целом можно сказать, что МКС оснащена различными приборами и научными инструментами для проведения исследований в области медицины и здравоохранения. Но в массе своей они не предназначены для непрерывного мониторинга физиологических параметров, так как это не требуется российским космонавтам. Опыт показывает, что хватает регулярных сеансов связи с медиками в ЦУПе. А вот для проведения научных исследований по долгосрочному воздействию микрогравитации на какие-то отдельные системы организма такие «умные» футболки незаменимы. К примеру, те же изменения в сердечной мышце, — основная цель европейского эксперимента со SmartTex. Или исследование воздействия микрогравитации на сонные артерии, — одна из задач экспериментов астронавтов с использованием Astroskin в 2019 г. Что касается России, то накопленный опыт в сфере космической медицины позволяет обходиться датчиками и носимыми устройствами вместо «умных» футболок.
