№АР19680049

Руководитель проекта Дузбаев Нуржан Токкужаевич, PhD, ассоциированный профессор

Цель проекта. Разработка программно-аппаратного комплекса для контроля и коррекции дыхательных функций на основе мультимодульных технологий, создание математических моделей с программным обеспечением с последующей беспроводной передачей информации для наблюдения, контроля и реабилитации дыхательной функций организма.

Актуальность. В последнее время усиленно ведется разработка различных масок, лицевых, хирургических, маски для лица широко рекомендуются как средство борьбы со вспышкой коронавирусной болезни. Однако физиолого-респираторный модифицированный тренажер дыхания с автономным питанием, встроенными датчиками О2, СО2, температуры, влажности, давления и беспроводной передачей данных от датчиков на смартфон, планшет, компьютер врача, тренера для наблюдения, контроля и корректировки дыхательных функции организма пациента на данном этапе в Казахстане пока считается большой проблемой и на рынке совсем отсутствует, как для коммерциализации, так и для создания своего бренда в Республике. Разрабатываемый тренажер дыхания с программным обеспечением для дистанционного мониторинга физиологических показателей будет прост в обращении, и его можно использовать при разных физических тестах.

В проекте впервые будет предложен физиолого-респираторный модифицированный ТД для дистанционных беспроводных компьютеризированных наблюдений, контроля и коррекции функций организма с датчиками, которые будут фиксировать концентрацию О2 и СО2 при вдохе и выдохе. Отработанная математическая модель с программным обеспечением на основе компьютерных трансляционных программ помогут моделировать процессы и связи через определенные схемы устройств с разработкой алгоритмов к функциональным респираторным системам во время дыхания и применения ТД в норме и при нагрузках. На основе математической модели и анализа будут рассчитываться и оптимизироваться все ключевые показатели. При регистрации пульса, вариабельности сердечного ритма, температуры тела, жизненная емкость легких и др. определит функциональную формулу полученных материалов для использования их со своими параметрами, установленными при вычислении системы, проанализировать методы при коррекции; на основе существующих приборов-аналогов будет проведен поиск и это улучшит общее видение в этом направлении при составлении обзора и рекомендаций.

Ожидаемые результаты:

• Разработка программного обеспечения с использованием математических моделей, моделирование схем, устройств по точному определению состояния кардио-респираторной системы через тренажер дыхания во время реабилитации и тренировочных циклов
• Разработка алгоритмов для точного расчета функциональных изменений во время дыхания тренажером дыхания
• Разработка модифицированного тренажера дыхания с встроенными датчиками и беспроводной передачей данных в систему для наблюдения, контроля и реабилитации дыхательных функций организма
• Проведение расчета и анализа показателей на основе математической модели
• Планируемые публикации:

- не менее 3 (трех) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в ScienceCitationIndexExpanded базы WebofScience и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти);

- либо не менее 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в ScienceCitationIndexExpanded базы WebofScience и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти), и не менее 1 (одного) патента, включенного в базу данных DerwentInnovationsIndex (WebofScience, ClarivateAnalytics);

- а также не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН;

- либо не менее 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в ScienceCitationIndexExpanded базы WebofScience и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти), и акта внедрения.

Достигнутые результаты:

В ходе реализации проекта была достигнута главная цель — разработан и апробирован физиолого-респираторный модифицированный тренажёр дыхания (ТД) с системой дистанционного мониторинга и интеллектуальной оценки кардио-респираторных функций организма.

Созданный программно-аппаратный комплекс включает аппаратную часть (промышленный образец ТД), оснащённую датчиками концентрации кислорода (O₂), углекислого газа (CO₂), температуры, влажности, давления, а также сенсорами для регистрации пульса и вариабельности сердечного ритма (ВСР). Все параметры в режиме реального времени передаются на мобильные и стационарные устройства (смартфон, планшет, ПК) для анализа и коррекции дыхательных процессов. Разработанное программное обеспечение реализует алгоритмы математического моделирования, позволяющие с высокой точностью оценивать функциональное состояние организма на всех этапах реабилитационного цикла. За это программное обеспечение получено авторское свидетельство. Конструкция самого тренажёра дыхания зарегистрирована как промышленный образец в Государственном реестре Республики Казахстан — получен патент, подтверждающий техническую новизну и охраняемость устройства.

Одним из ключевых результатов стало успешное внедрение разработанного комплекса в сотрудничестве с медицинским центром «Бета и КО» (г. Алматы), где проведены контрольные исследования с участием пациентов, страдающих бронхиальной астмой, ХОБЛ, хроническим бронхитом, а также группой условно здоровых взрослых. Испытания подтвердили высокую эффективность применяемых алгоритмов при мониторинге дыхательной активности в условиях гипоксических и гиперкапнических тренировок. Также была протестирована работа комплекса в составе реабилитационных мероприятий, сопровождающихся физическими нагрузками на тредмиле и велоэргометре в гипоксической среде. Полученные данные показали устойчивое снижение сопротивления бронхиального дерева, увеличение жизненной ёмкости лёгких, улучшение дыхательной синхронизации и адаптационных механизмов у пациентов в фазе восстановления.

Важной частью проекта стало применение методов интеллектуального анализа данных, включая извлечение признаков MFCC, оптимизацию параметров фрейминга, построение классификаторов на основе SVM и сверточных нейросетей, позволяющих определять фазы дыхания — вдох, выдох, пауза — по аудиозаписям с точностью, сопоставимой с передовыми глубокими моделями, но с гораздо меньшими вычислительными затратами. Это делает систему пригодной для реального использования в мобильных и телемедицинских условиях. Эксперименты подтвердили, что при использовании 30 MFCC-коэффициентов, длины окна 800 мс и шага 10 мс достигается точность классификации до 87.16%, что позволяет надёжно определять характер дыхания и проводить его цифровую интерпретацию в рамках персонализированной терапии.

Создана научно обоснованная методика применения ТД с возможностью масштабирования под различные возрастные и клинические группы. Алгоритмы анализа адаптированы для регистрации и обработки индивидуальных дыхательных ритмов, фазовых сдвигов, компенсационных реакций на гипоксию, что расширяет возможности диагностики и коррекции функционального состояния пациентов. Практическое внедрение комплекса в партнёрских медицинских учреждениях позволило подтвердить его технологическую зрелость и клиническую применимость.

Учитывая отсутствие конкурентов на казахстанском рынке в сегменте цифровых дыхательных тренажёров с ИС, проект имеет высокий коммерческий потенциал. Разработан план по тиражированию устройства и услуг на базе создаваемого реабилитационного центра, предусмотрена подготовка технической документации и дорожной карты для сертификации и промышленного производства. Проектные решения не требуют прохождения фармэкспертизы, поскольку ТД классифицируется как немедицинское устройство функционального назначения (тренажёр), что ускоряет вывод продукта на рынок.

Список публикаций (2023-2025):

• Duzbayev N., Musilimov Zh., Kozina L.A., Tuyenbayev M., (2023) Development of the Electronic Circuit and Printed Circuit Board for the Breathing Simulator, CEUR Workshop Proceedings, Том 36802024, DTESI 2023, Percentile 10
• Duzbayev N., Kozina L. A., Makashev Y., (2024) Using digital monitoring of respiratory functions in breathing simulators, Procedia Computer Science, Том 231, Страницы 365 – 368 2024, EUSPN/ICTH 2023, Pencentile 62
• Zhantleuova A.K., Duzbayev N.T., (2024) Enhancing respiratory function with virtual reality: a scoping review, Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications, Article, 2024, https://doi.org/10.32523/2306-6172-2024-12-4-175-190, Scopus percentile 22
• Макашев Е.Е., Дузбаев Н.Т., Калекешов А.М., Туенбаев М.К., Мусилимов Ж.А., Макашев Е.К., (2024) Инновационные технологии в спортивной медицине их преимущества в спорте, Биология и интегративная медицина, Спец выпуск S1 2024, стр 25-26
• Жантлеуова А.К., (2024) Роль виртуальной реальности в реабилитации респираторной системы, International journal of information and communication technologies 2023. Special issue, March 2024, стр. 122-127
• Zhantleuova A.K., Makashev Y.K., Duzbayev N.T., (2025) Optimizing MFCC Parameters for Breathing Phase Detection, Sensors, Open access, 2025, 25(16), 5002, https://doi.org/10.3390/s25165002, Scopus (Information Systems - Q1, percentile 80th, Instrumentation - Q1, percentile 88)
• Duzbayev N., Musilimov Z., Kozina L., Tuyenbayev M., (2025) Improvement of the electronic circuit for the breathing simulator, CEUR Workshop Proceedings, Conference Paper, 2025, Scopus percentile 10
• Duzbayev N., Musilimov Z., Kozina L., Mashrapov M., Tuyenbayev M., (2025) Analysis of facial regions for precise measurement of oxygen saturation and heart rate, CEUR Workshop Proceedings, DTESI 2025, Conference Paper, Scopus [в печати]
• Авторское свидетельство - "Тренажер дыхания с беспроводной передачей данных и управления", № 54761 от «18» февраля 2025 года
• Патент на полезную модель - "Спортивная компьютеризированная маска №10713"
  
  

Состав исследовательской группы: