Повышение эффективности поддержания подходящих для новорожденных условий окружающей среды в неонатальных инкубаторах посредством комплексного нейросетевого управления оптическими характеристиками освещенности, системами тепловой защиты и увлажнения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00763

НазваниеПовышение эффективности поддержания подходящих для новорожденных условий окружающей среды в неонатальных инкубаторах посредством комплексного нейросетевого управления оптическими характеристиками освещенности, системами тепловой защиты и увлажнения

Руководитель Фролов Сергей Владимирович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" , Тамбовская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины

Ключевые слова неонатальный инкубатор, смарт-остекление, цикадные ритмы, нейросетевое управление, управление микроклиматом, фантом, математическая модель, имитационное моделирование, киберфизическая система

Код ГРНТИ76.13.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научной проблемой проекта является недостаточная эффективность поддержания подходящих для новорожденных условий окружающей среды в неонатальных инкубаторах. Особенно это заметно, применительно к регулированию светового потока, в большинстве случаев производимому накрытием инкубатора плотной тканью или одеялом. Многочисленные сравнительные медицинские исследования по изучению влияния на недоношенных детей различных режимов освещенности свидетельствуют о том, что увеличение веса среди недоношенных детей ускоряется в отделениях интенсивной терапии новорожденных, в которых используются регулярные циклы день-ночь (циркадные ритмы). Использование плотных материалов для накрытия инкубатора не отвечает требованиями противопожарной безопасности, к тому же ткани могут накапливать в себе пыль и болезнетворные организмы. Использование смарт-остекления (умное остекление) свободно от вышеуказанных недостатков, к тому же появляется возможность высокоточного нейросетевого управления стадиями циркадного ритма. Конкретной задачей, решаемой в рамках проекта, является разработка и практическая реализация комплексного нейросетевого управления микроклиматом и освещенностью в неонатальных инкубаторах. Оптические свойства остекления влияют на тепловой баланс внутри инкубатора, т.к. доля тепла, теряемая посредством излучения, во многом зависит от прозрачности остекления. Изменения в тепловом балансе в свою очередь вызывают изменения во влажностном балансе. Дополнительно будет оценена целесообразность нейросетевого управления газовым составом атмосферы вокруг новорожденного. Целью научного проекта является развитие новой тематики, связанной с разработкой неонатального инкубатора нового поколения со смарт-остеклением и системой высокоточного управления. Проект ориентирован на быстрый практический эффект. Предлагаемые усовершенствования к конструкции неонатального инкубатора с аппаратной точки зрения осуществимы, т.к. элементы смарт-остекления и дополнительной подсветки коммерчески доступны. Решения по звукоизоляции, тепловым завесам от сквозняков, ограничениям на скорости конвекционных потоков и т.п. также могут быть относительно легко адаптированы к новой структурно-функциональной схеме. С методологической и программной точек зрения для управления температурой, влажностью и освещенностью предлагается использовать метод нейросетевого управления на основе многослойного персептрона. При этом для ограничения роста весовых настраиваемых коэффициентов нейронной сети прямого распространения и повышения устойчивости алгоритма планируется использовать регуляризацию. Таким образом, в рамках проекта предполагается изготовление, тестирование, отладка и доклинические испытания экспериментальной установки инкубатора для новорожденных с комплексным нейросетевым управлением микроклиматом. Научная новизна проекта заключается в изучении и количественном описании взаимного влияния характеристик микроклимата в инкубаторах для новорожденных. В любом случае (плотная ткань, одеяло, электрохромное остекление, полимерный жидкокристаллический защитный слой, умные материалы на основе взвешенных частиц и т.п.) связь между прозрачностью остекления и тепловым балансом очевидна. Однако в реферируемой литературе этот вопрос описан лишь частично, без строгой формализации для хотя бы наиболее вероятных случаев. К тому же, будет разработан ориентированный на биомедицинские применения нейросетевой метод управления многосвязными, нелинейными, нестационарными стохастическими динамическими системами. В рассматриваемом случае, априорная информация о взаимном влиянии характеристик микроклимата в инкубаторах для новорожденных будет увеличивать быстроту достижения режима динамического равновесия для заданных параметров, что дополнительно выражается в повышении энергоэффективности системы. Также будут разработаны авторские фантомы, имитирующие терморегуляцию у новорожденных и методы их формирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Коробов А.А., Савинова К.С. Neural Network Control of Environmental Parameters in Neonatal Incubators Proceedings of 2023 4th International Conference on Neural Networks and Neurotechnologies, Proceedings of 2023 4th International Conference on Neural Networks and Neurotechnologies, NeuroNT 2023, pp. 21–24 (год публикации - 2023)
10.1109/NeuroNT58640.2023.10175837

2. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Коробов А.А., Савинова К.С., Фролова Т.А. Development of a Full-Height Hydrodynamic Phantom of the Newborn's Body and Experimental Studies of Heat and Mass Transfer in Neonatal Incubators 2023 Systems and Technologies of the Digital HealthCare (STDH) (год публикации - 2023)

3. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Коробов А.А., Савинова К.С. Современное состояние и тенденции в области исследований и разработок неонатальных инкубаторов Моделирование, оптимизация и информационные технологии, Т. 11, № 4 (год публикации - 2023)
10.26102/2310-6018/2023.43.4.016

4. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Коробов А.А., Савинова К.С. Application of the Method of Gradient Neural Network Control in Bioengineering Systems Proceedings of the 2023 International Conference on Information, Control, and Communication Technologies, ICCT 2023, pp. 225–228. (год публикации - 2023)
10.1109/ICCT58878.2023.10347082

5. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Коробов А.А., Савинова К.С., Фролова Т.А. Экспериментальная установка для исследования особенностей управления микроклиматом в неонатальных инкубаторах с использованием гидродинамического фантома новорожденного Биомедицинская радиоэлектроника, 2024. Т. 27, № 2. С. 52-59. (год публикации - 2024)
10.18127/j15604136-202402-07

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработана и реализована экспериментальная версия неонатального инкубатора со смарт-остеклением на основе модели Amelie фирмы ARDO. Система управления модифицированным неонатальным инкубатором состоит из блоков: электропитания, управления и отображения, воздействующих устройств и датчиков. В системе используется алгоритм градиентного нейросетевого управления, реализованный на языке Python для микрокомпьютера «Raspberry Pi 4 Model B». Разработана математическая модель и программный продукт (с официальной регистрацией в ФИПС) для описания процессов тепломассопереноса. Программный продукт предназначен для имитационных исследований нейросетевой системы управления неонатальным инкубатором, которая обеспечивает поддержание заданных значений управляемых координат: температуры воздушной среды, влажности, концентрации кислорода, освещения. Математическая модель тепломассопереноса в неонатальном инкубаторе представлена системой нелинейных дифференциальных уравнений, в которой выходными параметрами являются характеристики воздушного пространства и освещенность в инкубаторе, температура кожи, температура ядра тела новорождённого, температура матраца, энтальпия и масса воды в увлажнителе. Управляющими воздействиями являются напряжения на нагревательных элементах воздушного пространства, увлажнителя, расход подаваемого кислорода, напряжение, подаваемое на электрохромное стекло. Система управления реализуется на основе нейросетевого алгоритма, который устанавливает взаимосвязь с использованием модели тепломассопереноса между управляющими воздействиями и вектором управляемых координат. Были изготовлены полноростные гидродинамические фантомы, имитирующие тепловые процессы и процессы испарения влаги у новорожденных. Создана система имитации испарения с поверхности тела ребенка. Разработана и реализована система управления гидродинамическим фантомом недоношенного ребенка на основе микрокомпьютера «Raspberry Pi 4 Model B», совмещённым с периферией и регулятором мощности для воздействия на нагреватель кровеимитрующей жидкости на основе алгоритма усовершенствованного позиционного регулирования. Для обеспечения циркуляции по эластичным трубкам кровеимитирующей жидкости во внутреннюю полость фантома и с последующим возвращением жидкости в накопительную ёмкость используется перистальтический насос Shenchen Lab V6. Шприцевой насос SPLab01 предназначен для передачи по эластичной трубке жидкости от накопительной ёмкости с водой (шприца), к поверхности фантома, обёрнутой марлей, для имитации испарения и дыхания ребёнка. Разработано и зарегистрировано в ФИПС программное обеспечение для реализации системы управления неонатальным инкубатором для обеспечения поддержания заданного микроклимата (температуры воздушной среды, влажности, концентрации кислорода, освещения). В программе применяется градиентный нейросетевой алгоритм, формирующий управляющие воздействия: напряжения на нагревателе воздушной среды, на увлажнителе, на клапане подачи кислорода, на электрохромном стекле. Алгоритм обеспечивает на каждом шаге коррекцию весовых коэффициентов нейронной сети на основе метода обратного распространения ошибки. Программный продукт представлен на языке Python, обеспечивает связь элементов управления и датчиков с микрокомпьютером «Raspberry Pi 4 Model B». Численные эксперименты и результаты работы алгоритма нейросетевого управления на экспериментальной установке показали устойчивость алгоритма и высокое качество управления. Установлено, что одной из ключевых проблем известных нейросетевых подходов к управлению характеристиками микроклимата является сложность сбора обучающей выборки. Для задач управления характеристиками микроклимата в инкубаторах для новорожденных актуально использование быстро обучаемого нейросетевого метода, который разработан и апробирован в проекте. Разработанная экспериментальная установка требует дальнейшего развития путем её модификации для обеспечения шумоизоляции и учета рекомендаций медицинских работников. Тестирование и отладка экспериментальной установки с использованием гидродинамического фантома новорожденного подтвердила ее работоспособность, инновационный характер и перспективы развития путем проведения НИОКР по созданию неонатального инкубатора нового поколения со смарт-остеклением и нейросетевой системой управления. Наиболее значимым результатом проекта является исследование возможности использования смарт-остекления в неонатальных инкубаторах для реализации циркадных ритмов. Это техническое решение защищено Патентом 2826790 Российская Федерация, A61G 11/00 (2024.01). Инкубатор для новорожденных с изменяемой прозрачностью стенок рабочей камеры// Потлов А.Ю., Фролов С.В., Коробов А.А., Савинова К.С.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ТГТУ» – № 2023129215, заявл. 10.11.2023; опубл.: 17.09.2024, Бюл. № 26. По результатам работы по проекту в 2024 году опубликованы/приняты в печать 5 статей в изданиях WOS/SCOPUS/RSCI: в журналах «Biomedical Engineering», «Датчики и системы», «Journal of Physics: Conference Series», в материалах IEEE. Поданы заявки на Патент на устройство «Мультимодальный полноростовой медицинский фантом младенца», на Патент «Способ нейросетевого управления характеристиками микроклимата в инкубаторе для новорожденных». Авторы проекта приняли участие в работе 6-и научных конференций.

Публикации

1. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Коробов А.А., Савинова К.С. Development of a biomedical phantom of a body of a premature baby for simulation studies of thermophysical processes in neonatal incubators Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2025)

2. Фролов С.В., Коробов А.А., Савинова К.С., Потлов А.Ю. Нейросетевая система управления микроклиматом и освещённостью в неонатальном инкубаторе Датчики и системы, №1. – С. 62-68. (год публикации - 2025)
10.24412/1992-7185-2025-1-62-68

3. Фролов С.В., Коробов А.А., Савинова К.С., Потлов А.Ю., Фролова Т.А. A Physical Phantom of a Premature Baby for Simulation Studies of Thermophysical Processes in Neonatal Incubators 2025 SYSTEMS AND TECHNOLOGIES OF THE DIGITAL HEALTHCARE (STDH 2025), 2025, pp. 197 –201. (год публикации - 2025)
10.1109/STDH66836.2025.11227527

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты проекта связаны с разработкой неонатальных инкубаторов нового поколения, производство которых будет ориентировано на предприятия медицинской промышленности Российской Федерации. В настоящее время в системе мирового здравоохранения не применяются неонатальные инкубаторы со смарт-остеклением (умное остекление), которое позволяет изменять параметры освещенности и имитировать для новорожденного регулярные циклы день-ночь (циркадные ритмы). Даже в самых современных неонатальных инкубаторах, например, фирмы Dräger, используется покрывало на инкубатор для защиты новорожденного от яркого света и обеспечения суточных ритмов дня и ночи. Также для управления микроклиматом в современных инкубаторах применяются традиционные алгоритмы ПИД-регулирования, которые не обеспечивают высокоточное поддержание температуры внутри инкубатора. Даже кратковременные колебания температуры среды внутри неонатального инкубатора на 1 градус вызывают значительный стресс организма недоношенного ребенка. В проекте разработан высокоточный метод управления нового поколения, основанный на алгоритме комплексного нейросетевого управления оптическими характеристиками освещенности, системами тепловой защиты и увлажнения. Такой подход является одним из первых примеров практического использования методов нейросетевого управления в медицинской технике. В проекте разработана экспериментальная лабораторная установка, которая будет являться основой для создания макета такого инкубатора. В ней отработаны новые функции, которые отсутствуют в современных инкубаторах: реализация режима "день-ночь" за счет автоматического управления прозрачностью стенок рабочей камеры, при этом предусмотрено плавное повышение освещённости для провоцирования бодрствования, что уменьшает стресс для ребёнка. Представленный в проекте подход демонстрирует возможность создания гибких малобюджетных систем с искусственным интеллектом, включая сложные высокоточные системы управления, на основе одноплатных управляющих микрокомпьютеров.