Создана гибкая батарея, способная к саморазложению

Химики СПбГУ создали новый тип аккумулятора, который будет заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries & Supercaps.

Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей. При этом у аккумуляторов литий-ионного типа имеется и ряд серьезных недостатков. Среди них возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей.

По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, в качестве материалов, которые могли бы стать основой для новых аккумуляторов, химики рассматривают редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им свойственны высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций. Использование таких полимеров затрудняет их недостаточная электрическая проводимость — она препятствует накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например угля.

Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты. Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.

Концепция этого материала возникла у нас в 2016 году. В это время мы начали заниматься фундаментальным проектом «Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда.

Профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин

«Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.

Фото: пресс-служба СПбГУ

Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого.

Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).

Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считаные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40 % по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда.

Профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин

Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который не обязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.

«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.

Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 16-13-00038.

Химики СПбГУ создали новый тип аккумулятора, который будет заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries & Supercaps.

Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей. При этом у аккумуляторов литий-ионного типа имеется и ряд серьезных недостатков. Среди них возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей.

По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, в качестве материалов, которые могли бы стать основой для новых аккумуляторов, химики рассматривают редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им свойственны высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций. Использование таких полимеров затрудняет их недостаточная электрическая проводимость — она препятствует накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например угля.

Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen). Молекулы этого полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты. Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.

Концепция этого материала возникла у нас в 2016 году. В это время мы начали заниматься фундаментальным проектом «Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда.

Профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин

«Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.

Фото: пресс-служба СПбГУ

Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого.

Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).

Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считаные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40 % по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда.

Профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин

Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который не обязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.

«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.

Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 16-13-00038.

Гибкие аккумуляторные батареи. Технологии будущего и применение

Аккумуляторы стали неотъемлемой частью многих современных устройств. Это источники питания цифровых фотоаппаратов, сотовых телефонов, ноутбуков, планшетов, видеокамер, медицинские, промышленные, военные и многие другие приборы.

Литий-ионные аккумуляторные батареи были огромным шагом вперед в сравнении с устаревшими тяжелыми щелочными элементами питания. Но на данный момент и они явно сдерживают совершенствование и развитие мобильной электроники и других сфер. Они пожароопасные, дороги, имеют небольшую емкость и не могут длительно сохранять заряд.

Решить эти проблемы призваны гибкие аккумуляторные батареи, которые должны стать безопасной и дешевой альтернативой существующим батареям. На данный момент гибкие аккумуляторные батареи не нашли промышленного применения, но они активно разрабатываются и совершенствуются. В ближайшем будущем они будут внедряться повсеместно. Гибкие батареи позволят создавать уникальные изделия, которые ранее было трудно себе вообразить.

Устройство

Над устройством гибких аккумуляторных батарей работает множество ученых. Именно поэтому создаются совершенно разные гибкие батареи, которые выполнены из разных элементов и материалов:

• На самых первых этапах гибкие аккумуляторные батареи имели следующее устройство;
  — полимерные подложки или низко-производительные органические материалы, занимающие слишком много пространства, а также приводящие к снижению емкости элемента;
  — катоды. Для улучшения их свойств они подвергались высокотемпературной обработке;
  — гибкие полимеры, которые разрушаются при высоких температурах.
• Исследователи из KAIST предложили версию гибкой литий-ионной батареи;
  — тонкая пластина из неорганического материала, которой не страшны высокие температуры;
  — на нее уложены в несколько слоев при помощи клейкой ленты следующие элементы: анод, электролит катод и токоприемник. В результате были выделены части из двух полимерных пленок со слюдой с активными слоями.
  Скручивание подобной гибкой батареи довольно слабо сказывается на ее производительности. Напряжение при сильном сгибании почти не меняется, а емкость снижается не больше 7 процентов. Для коммерческого использования ученым необходимо научиться разделять слои в промышленных условиях. Возможно, этого можно будет добиться применением лазерного метода деламинации.
• Исследователи из Технологического института Нью-Джерси создали собственный прототип гибких батарей;
  — гибкая пластиковая подложка, которая пропитана электро-активными ингредиентами;
  — электро-активные ингредиенты включают в себя микрочастицы и нанотрубки;
  — микрочастицы выполняются из литиевых солей (литиевые батареи) или из цинка с добавлением диоксида марганца (щелочные батареи).
  Прототип представляет мягкий конверт или пакет, где находятся два электрода — один в виде графитовой пены, а другой – алюминиевый. Все это погружается в специальный солевой раствор. Такая батарея заряжается меньше минуты, очень надежна и безопасна в сравнении с литий-ионными батареями, однако обеспечивает вдвое меньшее напряжение.

Применение графита позволяет получать отличную производительность, но до промышленного изготовления батарей будет нужно несколько лет исследований.

• LG Chem, член корпорации LG, создала литий-ионный аккумулятор в виде кабеля, который имеет диаметр в несколько миллиметров. У нее такая гибкость, что ее можно носить в виде браслета, завязывать узлом и даже соткать ткань из подобных батарей. Устройство у нее следующее:

— Катод из окиси лития-кобальта.
— Анод.
— Электролит.

Главное отличие в том, что все компоненты кабеля-аккумулятора выполнены в виде гибких спиралей, а не располагаются в виде плоских слоев. В качестве катода выступают тонкие медные провода, покрытые специальным слоем из сплава никеля и олова.

Такие нити сплетаются в более толстое волокно, оно обертывается вокруг стержня диаметром 1,5 мм. С удалением стержня остается весьма гибкая и прочная спираль будущего анода. Поверх спирали наматывается алюминиевая лента, после чего погружается в жидкий раствор окиси лития-кобальта, чтобы создать катод аккумулятора.

Получившуюся конструкцию закрывают защитной оберткой, а центральная полость наполняется жидким электролитом.
Плотность хранения энергии и напряжение полностью соответствует обычным литий-ионным батареям, но они более гибкие и тонкие.

Принцип действия

В основе большинства создаваемых гибких аккумуляторов лежат полимерные электроды. Они наделены структурой, которая напоминает вязкую текучую жидкость. В результате их можно:

• Гнуть.
• Изгибать.

Кроме того, они отличаются экологической безопасностью. Вызвано это тем, что Новые гибкие аккумуляторные батареи не содержат электролита.

На текущий момент изобретение гибких литий-ионных аккумуляторов пока что находится в стадии производства прототипа. Однако в ближайшие годы планируется коммерциализировать указанное изобретение. В то же время батарея уже испытана и подтвердила, что может выдерживать изгибы, повороты и иные деформации, сохраняя собственную способность удерживать заряд.

Но есть компании, которые продолжают линейку уже существующих аккумуляторов, создавая образцы литий-ионных батарей, обладающих способностью к деформации. Так в гибких батареях компании Panasonic применяется внутренняя структура проводки и многослойные наружные корпусы, которые избегают, перегрев или утечку электролита. Корпус аккумулятора защищает ламинированная оболочка.

Гибкие аккумуляторные батареи Panasonic имеют толщину в 0,55 мм, они могут изгибаться так, что по кривой они закручиваются в радиус 25 мм. Батареи Panasonic держат заряд в пределах 17,5-60 мАч. Для современных смартфонов этой мощности пока не хватает, но изобретение уже сегодня можно успешно использовать для маломощных устройств, к примеру, смарт-одежды или смарт-карт.

Применение

Над гибкими батарейками работают множество компаний, среди них такие гиганты, как LG, Samsung и Panasonic. Их инженеры пытаются создавать не только гибкие аккумуляторы, но дисплеи и микропроцессоры. В ближайшие годы компании отойдут от гонки разрешений и диагоналей в мобильной технике, чтобы начать сгибать все, что только можно.

LG уже произвела телевизор, который вполне можно скрутить в рулон. В скором времени в магазинах вполне могут начать продавать погонные метры телевизоров, компьютеров и смартфонов.

Другие компании также не отстают и внедряют гибкие батареи в различные устройства:

• Носимые гаджеты в виде часов, браслетов.
• Ремешки устройств.
• Многочисленные модели «умной» одежды, в которых сегодня применяется жесткий аккумулятор.
• Гибкие шторы, жалюзи.
• Телевизоры, смартфоны и так далее.

Единственное, что данные устройства выполнены только в прототипах и небольших количествах, а также не лишены недостатков.

Тонкая и гибкая: новейшая литиевая батарея

С развитием портативной электроники возрастают требования и к аккумуляторам. Супергибкие литиевые батарейки придут на замену традиционным моделям, что позволит снизить вес новейших устройств, повысить их надежность. Изготовленные из современных материалов аккумуляторы прочные, безопасные, компактные. Они будут использоваться в портативной технике, датчиках, «умной» одежде, медицинских имплантируемых приборах.

Принципы устройства гибких батарей

Над разработкой тонких, устойчивых к деформациям аккумуляторов трудятся ученые Южной Кореи, США, Японии, европейских стран. Существуют различные прототипы, которые продолжают совершенствовать перед тем, как запустить в промышленное производство.

Разработка Колумбийского Университета

Для создания экспериментальной батареи инженеры взяли за основу структуру человеческого позвоночника. Накапливающие энергию твердые сегменты соединены между собой гибкими электродами. Разрезанные на узкие полосы аккумуляторные пластины отходят от основного стержня под прямым углом и оборачиваются вокруг него. При испытаниях конструкция показала стабильную работу при сгибании, скручивании. Плотность энергии ограничена лишь количеством витков, а надежность модели механически даже выше, чем у традиционных литиевых батарей.

Разработка LG Chemical

Южнокорейская научная группа разработала литий-ионный аккумулятор в форме тонкого, гибкого кабеля диаметром 3 мм. Он легко скручивается, изгибается и даже завязывается в узел. В перспективе из таких батарей можно будет производить ткань. Каждая деталь представляет собой гибкую пружину.

При изготовлении батареи вокруг стального стержня обертывают многожильный медный провод, покрытый специальным сплавом из олова и никеля. Затем столб удаляют, укладывают поверх полученной спирали алюминиевую ленту. Для получения катода конструкцию помещают в окись лития-кобальта. Кабель покрывают защитным слоем, заполняют электролитом. При испытаниях аккумулятор-шнур обеспечивал энергией MP3-плеер в течение 10 часов.

Прототип Технологического Института Нью-Джерси

Ученые предложили сделать основой батареи пропитанную электрически активными компонентами мягкую подложку из пластика. Разработанная экспериментальная модель напоминает эластичный пакет, внутрь которого помещены электроды из алюминия и графитовой пены.

Компания Panasonic совершенствует линейку сверхтонких литиевых батарей, которые сохраняют функциональность при деформациях. Для защиты аккумулятора инженеры используют многослойный корпус и особую внутреннюю структуру. Созданные модели обеспечивают напряжение для устройств небольшой мощности – «умных» карт, смарт-одежды, но в дальнейшем смогут применяться в смартфонах, планшетах.

Перспективы использования гибких аккумуляторов

Легко гнущаяся батарея – лишь первый шаг к созданию электроники нового поколения.

Инженеры считают, что в ближайшем будущем любые устройства можно будет сгибать и сворачивать. Уже идет работа над гибкими экранами и микропроцессорами, а фирма LG выпустила телевизор, который скручивается в рулон.

Достоинства и недостатки

К преимуществам гибких батарей относятся:

• легкость, тонкость, компактность;
• низкая саморазрядка в режиме ожидания;
• способность к деформации без ущерба для аккумулятора;
• использование в устройствах любых форм;
• повышенная плотность энергии;
• нет эффекта памяти (потери емкости при зарядке не полностью севшей батареи);
• широкий температурный диапазон работы.

Однако гибким литий-ионным моделям присущи и недостатки, характерные для традиционных аккумуляторов. При старении они также подвержены снижению емкости, чувствительны к холоду, перепадам температур. Поэтому требуются дальнейшие исследования и поиск более совершенных альтернатив.

Применение

Гибкие миниатюрные батареи дадут возможность создавать портативные устройства без жестких элементов: плееры, часы, банковские карты, датчики. Аккумуляторы станут основой для производства:

• легких, надежных, устойчивых к механическим повреждениям смартфонов, ультрабуков, планшетов;
• «умной» одежды и обуви, способной подстраиваться под температурный режим, реагировать на изменения в окружающей среде и в организме, отслеживать местонахождение, считать сжигаемые калории и т.п.;
• гаджетов в виде браслетов, ремешков, часов;
• медицинской техники (в том числе имплантируемой);
• электромобилей;
• роботов, бытовых приборов;
• военных маскировочных средств.

Гибкая аккумуляторная батарейка изменит облик привычных устройств, сделает их удобнее, легче, надежнее. С нею станут доступными технологии, которые не так давно можно было увидеть лишь в фантастических фильмах.

Лазер поможет опознать террористов по сердечному ритму

Отдел технологий Пентагона по требованию спецназа США разработал специальное устройство, способное определять людей по уникальному идентификатору личности: сердечному ритму. Устройство способно определить конкретного человека на расстоянии до 200 метров с 95% точностью.

Сердце каждого человека уникально. Точно также, как и радужная оболочка или отпечаток пальца, наша индивидуальная сердечная подпись может использоваться как способ идентификации. Этот момент заинтересовал спецназ США, по требованию которого отдел технической поддержки антитеррористических операций Пентагона разработал новую технологию, способную считывать рисунок сердечного ритма на расстоянии до 200 метров с высокой степенью точности.

Новая технология способна снять сердечную сигнатуру с помощью инфракрасного лазера даже через одежду. Конечно, это не должно быть тяжелое зимнее одеяние (например, пальто) или излишне плотная ткань, однако обычная летняя одежда позволяет получать данные с 95% точностью.

– поделился своими знаниями о технологии с изданием MIT Technology Review Стюард Ремали, представляющий отдел технической поддержки антитеррористических операций Пентагона.

Другие биометрические методы дальнего действия включают анализ походки, который определяет человека по тому, как он или она ходит. Этот метод предположительно использовался для идентификации позорного террориста ИГИЛ перед ударом беспилотника. Но походка, как лица, не обязательно отличительны. Сердечная подпись человека уникальна, и, в отличие от лиц или походки, она остается постоянной и не может быть изменена или замаскирована.

Лазер для определения вибраций ветряков поможет распознать террористов

Новое устройство, называемое Jetson, использует технику, известную как лазерная виброметрия. С ее помощью можно измерить параметры поверхностного движения, вызванного сердцебиением.

Наиболее распространенным способом проведения дистанционной биометрической идентификации является распознавание лиц. Но для этого нужен хороший фронтальный обзор, что зачастую является фактически невозможным, особенно в случае идентификации с БПЛА. Технология распознавания лиц также имеет трудности в случае с бородами, солнцезащитными очками или головными уборами.

Jetson адаптирует готовое устройство, которое обычно используется для проверки вибрации на расстоянии в крупных конструкциях, таких, как ветряные турбины. Модифицированному устройству требуется около 30 секунд, чтобы получить результат, кроме того на данный момент устройство эффективно только тогда, когда субъект проверки сидит или стоит.

Кроме того, команда Ремали разработала алгоритмы, способные извлекать сердечную сигнатуру из лазерных сигналов. Исследователь утверждает, что Jetson способен выдавать 95% точности при благоприятных условиях проверки, и эта цифра может быть улучшена. Наиболее вероятным является то, что Jetson будет использоваться наряду с распознаванием лиц или другими методами идентификации.

Устройство имеет ряд ограничений

Одним из главных ограничений новой технологии является необходимость создания базы данных сердечных подписей, но даже без этого система имеет свое применение. Например, террориста, которого видели в группе, устанавливающей СВУ, позже можно было бы идентифицировать по сердечной подписи, даже если имя и лицо человека неизвестны. Биометрические данные также регулярно собираются вооруженными силами США в Ираке и Афганистане, поэтому данные о сердечной деятельности могут быть добавлены в эту библиотеку.

В долгосрочной перспективе эта технология может найти гораздо более широкое применение, считают ее разработчики. Одной из вероятных сфер, в которой может быть использован новый лазер, может стать медицина. Уже на данном этапе новое устройство по точности показателей сравнимо с традиционными ЭКГ. И по мерее развития технологии стоит ожидать, что ему найдется еще не одно место применения.

Как проверить сердце

Сердечно-сосудистые заболевания не только являются одной из главных причин смертности, но и стремительно «молодеют» — все чаще от них страдают люди в возрасте от 35 до 40 лет. Разбираемся, как проверить работу сердца, пока не стало поздно. В этом нам помогает эксперт по лабораторной диагностике ЛабКвест Латытина Юлия Сергеевна.

Когда нужно проверять сердце и сосуды

Когда есть симптомы. Основными симптомами сердечно-сосудистых заболеваний считаются одышка, головокружение, повышенная потливость и отёки. Если эти симптомы регулярны, то стоит обращаться к врачу.

Когда нужно принять решение насчет занятий спортом. Речь не о легкой зарядке по утрам, а о плавании, беге, серьезных силовых тренировках, то есть нагрузках средне-высокой интенсивности. То есть заниматься можно и без рекомендации врача, но перед подготовкой к марафону нужно посетить кардиолога. Особенно, если вы хотите заниматься спортом ради результатов.

Когда есть факторы риска. Среди основных факторов риска: диабет, курение, стрессы, малоподвижный образ жизни, высокий уровень холестерина, высокое давление, сердечно-сосудистые заболевания родственников. Обо всех этих факторах нужно обязательно рассказывать врачу.

Какие есть методы диагностики сердца

Пробы Мартине и Штанге. С этими тестами можно дома измерить пульс и понять, нужно ли идти к врачу для дальнейшей диагностики. Особенно, если выраженных симптомов нет, а понять состояние здоровья хочется.

Проба Мартине проводится следующим образом: пациент должен присесть 20 раз за 30 секунд. После замерить пульс и зафиксировать результат. Далее нужно сделать минутный перерыв и замерить пульс повторно. Нормальным результатом считается разница в 60-80% между показателями пульса в состоянии покоя и после приседаний.

Для пробы Штанге нужно сделать 2-3 глубоких вдоха-выдоха и задержать дыхание. Если удается не дышать больше 40 секунд, то, скорее всего, проблем нет. Если меньше 40, нужно идти к кардиологу.

Осмотр кардиолога. Диагностика сердца начинается в кабинете кардиолога. Врач спросит о симптомах, перенесенных инфекциях, применении лекарств, употреблении алкоголя и табака, психологическом напряжении и стрессах. Также он узнает семейный и личный анамнез, выяснит, нет ли хронических заболеваний.

Кардиолог оценивает цвет кожи, чтобы исключить анемию и другие нарушения функций сердца, проверяет пульс, чтобы оценить кровоток, измеряет артериальное давление и температуру тела. Также осматривает вены шеи, перкутирует грудную клетку и выслушивает сердце стетоскопом.

При необходимости кардиолог обращается к окулисту, чтобы тот осмотрел сосуды и нервные окончания сетчатки глаза. Это также позволяет определить склонность к сердечно-сосудистым заболеваниям.

Электрокардиография. Электрокардиограмма помогает проверить работу водителя ритма сердца, оценить проводимость электрических импульсов, частоту и ритм сердечных сокращений. Также ЭКГ может показать повреждение сердечной мышцы после инфаркта. Этот метод один из самых простых безболезненных — для него нужен только электрокардиограф, проводят его, как правило, быстро.

Лабораторные анализы. Комплексные программы анализов показывают риск развития атеросклероза, который в свою очередь, может привести к развитию нарушений сердечного ритма, стенокардии, инфаркту миокарда и внезапной остановке сердца. Программы исследований показаны как мужчинам, так и женщинам. Врачи рекомендуют сдавать такой анализ всем пациентам старше 20 лет не реже, чем раз в 5 лет. При наличии факторов риска и после 40 лет исследование может назначаться чаще.

Нагрузочные тесты. Если знать, как человек выдерживает физические нагрузки, можно понять, есть ли у него ишемическая болезнь сердца, насколько поражены сосуды, а также выявить другие признаки заболеваний, которые не проявляются в состоянии покоя.

Пациента подключают к электрокардиографу и/или тонометру, он выполняет разные виды физической нагрузки, чаще всего идет по беговой дорожке или крутит педали велотренажера. Если артериальное давление становится слишком высоким или критически изменяются сегменты на ЭКГ, процедуру прекращают.

Непрерывная амбулаторная регистрация ЭКГ. Такое исследование проводят, чтобы обнаружить кратковременные и непредсказуемые нарушения сердечного ритма. Пациенту надевают холтеровский монитор, который регистрирует ЭКГ в течение 24 часов. Данные передаются на компьютер врача. Также во время исследования пациент должен фиксировать все симптомы, связанные с работой сердца.

Рентгенография. Ее делают почти любому человеку с подозрением на болезни сердца. По рентгеновскому снимку грудной клетки оценивают размер и форму сердца, структуру сосудов в легких и грудной полости. Также по снимку можно оценить состояние легких, выявить избыточную жидкость — это может указывать на выраженную сердечную недостаточность.

Компьютерная томография. Этот метод позволяет увидеть изменение в сердце, главных сосудах и легких. С помощью КТ проводят «срезы» грудной клетки в нескольких плоскостях и на компьютере составляют модель сердца, по которой можно изучать его особенности.

Эхокардиография или УЗИ. В этом методе используется ультразвук — через специальный датчик, приложенный к телу, ультразвуковые волны распространяются в тканях, изменяют свои характеристики в зависимости от состояния внутренних органов и возвращаются к датчику, преобразуясь в электрический сигнал. Метод, как и предыдущий, дает информацию об анатомии сердца, позволяет выяснить причины шумов, оценить работу сердца.

Магнитно-резонансная томография. Этот метод позволяет получить точные изображения сердца с помощью магнитного поля. Плюсы исследования в его точности, минусы — в дороговизне, большом количестве времени на получение изображения, вероятных приступах клаустрофобии у пациентов, помещенных в большой электромагнит.

Радионуклидное исследование. Этот метод используют как альтернативу рентгенологическим исследованиям: используют радиоактивные индикаторы, но с вероятностью гораздо меньшего облучения. Индикаторы вводят в вену, и они, попадая в сердце, передают сигнал на экран компьютера.

С помощью этого метода ищут источники болей в груди неизвестного происхождения. Например, можно обнаружить, как именно сужение сосудов влияет на работу сердца.

Катетеризация сердца. В ходе такого исследования тонкий катетер с измерительным прибором на кончике вводят через артерию или вену. Его ведут до главных сосудов и сердечных камер. Катетеры позволяют измерять давление, исследовать сердечные клапаны и сосуды.

В центре внимания — сердце. Что нужно знать о предупреждении кардио-рисков. Мнение врача.

Структура статьи

• О факторах риска и эпидемии сердечно-сосудистых заболеваний
• Проблема века — атеросклероз
• О “хорошем” и “плохом” холестерине
• При необходимости сердце может мгновенно изменить режим работы
• Наука марафонца или как бег влияет на сердечно-сосудистую систему
• Кардиология нужна всем
• Доказательная медицина и мифы кардиологии
• О диспансеризации
• “Умные” гаджеты — помощник в контроле сердца

По данным Росстата, в 2010 году показатель смертности в России от болезней сердечно-сосудистой системы составил 805,9 случаев на 100 тыс. человек. Это в 2-3 раза больше по сравнению с дорожно-транспортными происшествиями и инфекционными заболеваниями.

Болезни сердца и сосудов — первая и главная причина смертности российского населения — 56,8% от всех смертей. Главная причина — недостаточные знания об опасности этой группы болезней.

29 сентября — Всемирный день сердца (World Heart Day), который поддерживает Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и ЮНЕСКО. Его цель — рассказать обществу об опасности, которая вызвана эпидемией сердечно-сосудистых заболеваний в мире и стимулировать к профилактике все население. Во Всемирный день сердца принято говорить еще и о культуре здоровья: о регулярном медицинском наблюдении для раннего выявления заболеваний, факторах риска, развитии навыков борьбы со стрессом и о том, как сохранить здоровье в условиях плохой экологии.

Говорим о сердечно-сосудистых заболеваниях и о том, как их предупредить, с Беспалько Инной Аркадьевной, доктором медицинских наук, врачом высшей категории, главным кардиологом многопрофильной клиники ЦЭЛТ.

Наше сердце постоянно в работе — за сутки перекачивает около 10 000 литров крови у взрослого человека. Оно постоянно испытывает прессинг: перегрузки на службе, семейные проблемы, стрессы, вредные привычки. Главный орган сложной сосудистой паутины — сердечно-сосудистой системы — должен служить столько, сколько ей нужно. Но на практике получается, что сердце служит столько, сколько времени вы заботитесь о нем.

О факторах риска и эпидемии сердечно-сосудистых заболеваний

Заболевания сердечно-сосудистой системы ежегодно убивают такое колоссальное количество людей, что уже несколько десятилетий являются лидером в конкурсе на звание “самого массового убийцы ХХI века”. По прогнозам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), к 2030 году примерно 23,6 миллиона человек умрут от сердечно-сосудистых заболеваний, в основном от инсульта и ишемии.

Трагедия ситуации в том, что заболевания этой группы протекают бессимптомно: иногда инфаркт или инсульт становится первым вестником того, что на состояние сердца и сосудов нужно обратить внимание. Очевидное решение проблемы — ранняя диагностика, регулярный контроль давления и сердечных ритмов — сталкивается с неумолимым человеческим фактором: пациенты, убежденные, что вместо сердца у них пламенный мотор, отмахиваются от врачебных рекомендаций, не желая тратить время на профилактику.

Самые важные факторы риска сердечно-сосудистой смертности, о них уже стало известно к концу 50-х годов, — возраст и отягощенная наследственность. Это то, на что повлиять нельзя. Но есть и другие: курение, артериальная гипертония, уровень холестерина, сахарный диабет , ожирение. На них повлиять можно. К сороковым годам ХХ века стало ясно, что люди стали чаще всего умирать не от инфекций, как это было раньше, а от сердечно-сосудистых заболеваний. Поэтому был организован Американский институт сердца, и с 1948 года во Фрамингеме, небольшом городке рядом с Бостоном, всех жителей города включили в исследование, которое продолжается и сейчас. Им измеряют уровень артериального давления, сахара, фибриногена и другие показатели. Эти данные потом были подтверждены в крупных рандомизированных контролируемых исследованиях: созданы специальные таблицы, которые позволяют оценить риск смерти в течение 10 лет в зависимости от факторов. Кстати, контроль факторов риска удлиняет жизнь и улучшает ее качество.

Проблема века — атеросклероз

Атеросклероз — это отложения холестерина в стенке сосуда в виде бляшек, которые могут частично или полностью закрывать просвет сосуда. Этот процесс происходит с возрастом у всех, но по-разному. На его развитие влияет наследственность (инфаркты или инсульты у ближайших родственников в раннем возрасте), уровень холестерина и его фракций в крови, образ жизни (курение, отсутствие физической активности, плохое питание) и наличие сопутствующих заболеваний (артериальная гипертония, сахарный диабет, заболевания почек). Все эти заболевания и состояния способствуют более быстрому и интенсивному росту атеросклеротических бляшек.

Самый “популярный” атеросклероз — облитерирующий — когда атеросклеротические бляшки откладываются на стенках сосудов и поэтому перекрывают их. Обычно он поражает крупные артерии эластического и мышечно–эластического типа — например, терминального отдела аорты, подвздошных или бедренных артерий. Часто — это нижние конечности. От этого вида атеросклероза умирают во всем мире, потому что он заканчивается инсультом или инфарктом. Меньше знают о сосудорасширяющем атеросклерозе — когда нарушается питание сосудистой стенки, из-за чего она расширяется, образуя мешок. На заключительной стадии атеросклероза второго типа его называют аневризма аорты. Аневризма бывает в грудной или брюшной аорте. Как показывает статистика, брюшная аневризма случается чаще. Но одинаково опасны все аневризмы. В один неожиданный момент мешок разрывается и человек погибает. О сосудорасширяющем атеросклерозе говорят меньше, но от него умирают так же часто, как от облитерирующего. Процент умирающих от сосудорасширяющего атеросклероза довольно высок — до 75%.

Аорта доставляет кровь от сердца ко всем органам и тканям проходя через грудную клетку и брюшную полость. Нормальный диаметр брюшного отдела аорты — около 2 см. Когда диаметр увеличивается в 1,5-2 раза, формируется аневризма. Чтобы предотвратить разрыв аневризмы, делают эндопротезирование. Аневризма аорты — одно из самых непредсказуемых заболеваний. Очень часто она появляется и постепенно увеличивается в размерах незаметно для пациента — поэтому иногда первым клиническим симптомом аневризмы становится ее разрыв. Частота возникновения аневризм с возрастом растет.

Разрыв аневризмы обычно ведет к смертельному исходу, каким бы ни было лечение. Выживаемость пациентов после стандартной процедуры протезирования аорты, даже в плановом порядке, — невысокая, умирает каждый пятый пациент.

О “хорошем” и “плохом” холестерине

Только треть необходимого холестерина мы получаем извне, а две трети синтезируем самостоятельно. Из холестерина в организме вырабатываются соли желчных кислот (без них невозможно переваривание жиров), стероидные гормоны (отвечают за репродуктивную функцию), кортизол (регулирует углеводный обмен). Холестерин необходим для клеток почек, селезёнки и для функций костного мозга, он отвечает за прочность клеточных мембран. В коже из холестерина под влиянием света образуется витамин D. В общем, холестерин необходим нам примерно так же, как жиры,белки, углеводы и вода.

Еще не так давно в России нормой считали уровень холестерина 6,5 ммоль/литр, а в Японии — 3,5 ммоль/литр. Сейчас в Европе, США и России нормой общего холестерина считается уровень ниже 5,2 ммоль/л. Но главный показатель — холестерин липопротеидов низкой плотности, называемый в народе “плохой” холестерин. У людей с низким риском развития ишемической болезни сердца он должен быть менее 3,0 ммоль/л, у пациентов с высоким риском — меньше 2,6 ммоль/л, а у тех, кто имеет атеросклероз и его осложнения — ишемическую болезнь сердца, мозга и др. сосудистых зон, — его целевой уровень менее 1,8.

При необходимости сердце может мгновенно изменить режим работы

В норме сердце — это сильный мышечный насос, способный прокачать кровь по телу для обеспечения кислородом и питательными веществами всех органов и тканей организма, и вывести продукты их жизнедеятельности. Но, чтобы продвигать кровь по спазмированным сосудам, сердцу требуется больше усилий, чем при норме. Это приводит к тому, что его размер становится больше, особенно увеличивается левый желудочек. Из-за этого развивается слабость сердечной мышцы. Когда сердце перестает в нужной мере снабжать ткани и органы кислородом и питательными веществами, врачи ставят диагноз “сердечная недостаточность”. К ней могут привести нерегулярные сокращения сердца (сердечные аритмии). Опасно и может привести к сердечной недостаточности, когда у сердца более 140 ударов в минуту, так как при этом нарушаются процессы наполнения и выброса крови сердцем.

С сердечной недостаточностью можно много лет жить без диагноза. Это не самостоятельная болезнь, а исход различных заболеваний сердца. Он сигнализирует о себе в виде повышенной утомляемости, отеках ног, одышке, приступах удушья, беспричинной потере веса. Эти симптомы, если замечены по отдельности, проявляются при самых разных заболеваниях. Поэтому правильный диагноз устанавливают редко и обычно уже на поздних стадиях. Значительную потерю веса, которая типична для тяжелых степеней сердечной недостаточности, часто принимают за признак онкологического заболевания. А безобидные отеки ног, вызванные застоем лимфы, диагностируются как “сердечная недостаточность”. При некоторых первичных симптомах (например, отека легких) сразу же возникает угроза летального исхода. В течение 3-5 лет от сердечной недостаточности умирает 50% больных, а через 9 лет в живых остается лишь 2 человека из 1000 заболевших — конечно, при условии, что при этом не проводилось соответствующее лечение. Есть радикальный способ помощи — пересадка нового сердца. Но ограничения — возрастной лимит, дорогая операция, мало донорских сердец — делают его нереальным для большинства.

В последние годы медицинская наука, фармакология и врачебный опыт помогают достичь удивительных успехов в лечении даже тяжелых форм сердечной недостаточности. Больным можно не только сохранить жизнь, но и вернуть ее качество. Причем лечение может проходить в амбулаторных условиях, без пребывания в стационаре.

Лечение людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями требует сил, времени и большого педантизма. Огромную роль играет быстрота и точность диагностики основного заболевания, которое стало причиной сердечной недостаточности. В 50% случаев — это ишемическая болезнь сердца, выявить и вылечить которую можно с помощью коронарографии и ангиопластики . Лечить самые ранние, их называют доклиническими (то есть до проявления жалоб), формы сердечной недостаточности, можно только при применении инструментальных методов исследования: эхокардиографии, Холтер-мониторирования, нагрузочных проб.

Наука марафонца или как бег влияет на сердечно-сосудистую систему

Во время бега усиливается сердцебиение и повышается артериальное давление. Сердце работает с повышенной нагрузкой. Поэтому при нагрузках средней интенсивности отмечают положительный, тренирующий эффект на сердечно-сосудистую систему. Но при слишком интенсивных и частых нагрузках появляется отрицательное влияние на сердечно-сосудистую систему. А если в сосудах имеются выраженные атеросклеротические бляшки, то такие нагрузки могут привести к недостаточному расширению сосудов и ишемии (снижению кровоснабжения) в органах и тканях или даже к разрыву бляшек с последующим тромбообразованием.

Поэтому, прежде чем интенсивно заниматься бегом, особенно после 40 лет, если вы курите или раньше курили (даже 15 лет назад), если у вас повышенное давление или глюкоза крови, надо предварительно пройти обследование у кардиолога, который проведет нагрузочные пробы.

То, что нужно или бегать регулярно или лучше вообще не заниматься физической активностью, потому что резкие нагрузки вредны для сердца, — миф. Всегда лучше практиковать какую-то физическую активность, чем не заниматься вообще. Например, в клинических рекомендациях европейского общества кардиологов по профилактике ишемической болезни сердца (сентябрь 2016 года) рекомендуют аэробные (динамические) нагрузки 150 минут в неделю (30 минут в день 5 дней в неделю). Лучше всего: ходьба до легкой усталости или 75 минут в неделю энергичной аэробной нагрузки (15 минут 5 раз в неделю — например, бег трусцой или комбинация этих активностей) и аэробные нагрузки, насыщающие кислородом (это может быть велосипед, плавание или теннис). В любом возрасте полезны прогулки 2 раза в неделю по 1,5-2 часа (8-10 км), но только не при сильном ветре и холоде. Не нужно внезапно начинать заниматься очень интенсивно, нагрузки обычно увеличивают постепенно.

Кардиология нужна всем

У многих есть устойчивое мнение, что кардиология — это область науки для тех, “кому за 50”. Но по оценкам Национального исследовательского центра “Здоровое питание”, в России у 59% женщин и 54% мужчин старше 20 лет есть лишний вес, а 15% и 28,5% страдают ожирением. То есть у каждого третьего россиянина трудоспособного возраста есть избыточный вес или ожирение — факторы риска сердечно-сосудистых заболеваний. Нездоровый образ жизни, который приводит к развитию заболеваний кардиологического профиля, чаще всего формируется в детском и подростковом возрасте, а со временем риск сердечно-сосудистых заболеваний только повышается. Поэтому профилактику следует начинать с детства.

В сосудах нет нервных окончаний, они не болят. Поэтому их поражение происходит постепенно и симптомы проявляются, только тогда, когда развиваются осложнения: ишемия или инфаркты органов, чаще после 50 лет у мужчин и после 60 лет у женщин. Но процессы, которые вызывают необратимые изменения, начинаются намного раньше и их проще предотвратить. Поэтому всем мужчинам после 40 лет и женщинам после 50 лет нужно проходить профилактические обследования у кардиолога с проведением ультразвуковых исследований , биохимических маркеров и нагрузочных проб.

Если есть семейная история ранних инфарктов или инсультов, если пациент курильщик или страдает сахарным диабетом, если у него повышенное артериальное давление или хроническая болезнь почек, если человек просто плохо переносит физические нагрузки, то обязательно нужно прийти к кардиологу в возрасте более раннем, чем 50 или 40 лет. И, чем раньше, тем лучше.

Доказательная медицина и мифы кардиологии

До 90-х годов российские кардиологи лечили, опираясь на мнения или взгляды разных медицинских школ, которые часто не согласовывались между собой по научным исследованиям. Когда массовое появление компьютеров помогло повсеместно внедрить принципы доказательной медицины, были сформулированы единые требования к проведению научных исследований. При оценке лекарств стали применять двойные слепые рандомизированные исследования, которые отличаются высокой точностью и беспристрастностью. Создали единую базу знаний и оценки всех проводимых в мире исследований, соответствующих высокому научному и техническому уровню. В результате резко повысилась эффективность и безопасность диагностики и лечения пациентов.

Миф, с которым сталкиваются все врачи, но который особенно опасен в кардиологии, можно выразить одной расхожей фразой: “Не пейте лекарства, разрушите печень”. Лекарства метаболизируются в печени и выводятся через печень или почки, но они не разрушают их. Отмена подобранной терапии может привести к резкому повышению артериального давления, уровня холестерина и других показателей. Это обостряет заболевания от инфаркта и инсульта до диабетической комы. Удивительно, но принимать БАДы (биологически активные добавки) или алкоголь в любом количестве пациенты не боятся.

Второй частый миф в практике кардиолога — это ошибочное мнение о вреде препаратов для снижения холестерина — статинов. Большое число исследований по принципам доказательной медицины подтверждают высокую эффективность этой группы лекарств в предотвращении развития атеросклероза и его последствий (инфаркта, инсульта, поражения артерий ног, кишечника), эти препараты включены во все общепринятые рекомендации. Статины требуют постоянного несложного лабораторного контроля для того, чтобы избежать довольно редких побочных эффектов. Индивидуальная непереносимость бывает при применении любого лекарства или даже продукта питания. При использовании статинов тоже, но редко.

О диспансеризации

Диспансеризация в области кардиологии — одна из основных мер для уменьшения смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. Есть четко очерченное понятие факторов риска, которые надо контролировать и лечить для длительной и полноценной жизни. Поэтому диспансеризация с включением кардиологического обследования показана всем мужчинам старше 40 лет и женщинам старше 50 лет.

“Умные” гаджеты — помощник в контроле сердца

Мне очень нравятся современные устройства, которые позволяют оценить, какую нагрузку выполнил человек в течение дня, сколько прошел шагов и километров, какая при этом была частота пульса. Это полезно, так как часто уровень нагрузки рассчитывается именно по пульсу. Еще нравятся устройства, которые позволяют оценить длительность и качество сна (по фазам сна). Это очень полезная функция для людей, живущих в современном мире, когда и удовольствия, и работа продлеваются за счет сна. Между тем, только во сне организм восстанавливается, вылечивается и усваивает дневную информацию. “Умные” гаджеты — мой любимый подарок всем, кто мне дорог.