لقد فهم المتخصصون الطبيون منذ فترة طويلة أهمية العلامات الحيوية الفسيولوجية كمؤشرات لصحة الإنسان، لكن جائحة كوفيد-19 الحالية أدت أيضًا إلى زيادة الوعي العام بأهميتها.
لسوء الحظ، فإن معظم الأشخاص الذين يجدون أنفسهم يخضعون لمراقبة مستمرة للعلامات الحيوية قد يكونون بالفعل في بيئة سريرية حيث يتم علاجهم من مرض حاد. وبدلاً من استخدام العلامات الحيوية كمؤشر على فعالية علاج المرض وتعافي المريض، فإن النموذج المستقبلي لـ ستستخدم الرعاية الصحية مراقبة العلامات الحيوية بشكل مستمر وعن بعد كأداة لتحديد المؤشرات المحتملة لبداية المرض، مما يسمح للأطباء بالتدخل في تطور المرض الشديد.أقرب فرصة من قبل.
ومن المتصور أن التكامل المتزايد لأجهزة الاستشعار ذات المستوى السريري سيمكن في نهاية المطاف من تطوير بقع صحية للعلامات الحيوية يمكن التخلص منها ويمكن ارتداؤها ويمكن التخلص منها واستبدالها بانتظام، مثل العدسات اللاصقة.
في حين أن العديد من الأجهزة القابلة للارتداء الخاصة بالصحة واللياقة البدنية تتضمن إمكانات قياس العلامات الحيوية، إلا أن سلامة قراءاتها يمكن التشكيك فيها لعدد من الأسباب، بما في ذلك جودة أجهزة الاستشعار المستخدمة (معظمها ليس من الدرجة السريرية)، ومكان تركيبها، ومكان أجهزة الاستشعار جودة الاتصال الجسدي أثناء الارتداء.
في حين أن هذه الأجهزة كافية لرغبة غير المتخصصين في مجال الصحة في المراقبة الذاتية غير الرسمية باستخدام جهاز مناسب ومريح يمكن ارتداؤه، إلا أنها ليست مناسبة للمهنيين الطبيين المدربين لتقييم صحة الأفراد بشكل صحيح وإجراء تشخيصات مستنيرة.
من ناحية أخرى، فإن الأجهزة المستخدمة حاليًا لتوفير ملاحظات العلامات الحيوية على المستوى السريري على فترات زمنية أطول يمكن أن تكون ضخمة وغير مريحة، ولها درجات متفاوتة من قابلية النقل. في حل التصميم هذا، نراجع الأهمية السريرية لأربعة قياسات للعلامات الحيوية - الدم تشبع الأكسجين (SpO2)، ومعدل ضربات القلب (HR)، ومخطط كهربية القلب (ECG)، ومعدل التنفس (RR) - وفكر في توفير أفضل نوع مستشعر سريري - قراءات لكل درجة.
عادة ما تكون مستويات تشبع الأكسجين في الدم لدى الأفراد الأصحاء حوالي 95-100%. ومع ذلك، قد يشير مستوى SpO2 الذي يبلغ 93% أو أقل إلى أن الفرد يعاني من ضائقة تنفسية - مثل الأعراض الشائعة لدى مرضى كوفيد-19 - مما يجعله مشكلة خطيرة. علامة حيوية مهمة للمراقبة المنتظمة من قبل المتخصصين الطبيين. تصوير التحجم الضوئي (PPG) هو تقنية قياس بصري تستخدم بواعث LED متعددة لإضاءة الأوعية الدموية تحت سطح الجلد وجهاز استقبال الثنائي الضوئي للكشف عن إشارة الضوء المنعكسة لحساب SpO2. من السمات الشائعة للعديد من الأجهزة القابلة للارتداء على المعصم، أن إشارة PPG الضوئية تكون عرضة للتداخل من تأثيرات الحركة والتغيرات العابرة في الإضاءة المحيطة، مما قد يؤدي إلى قراءات خاطئة، مما يعني أن هذه الأجهزة لا توفر قياسات على المستوى السريري. ، يتم قياس SpO2 باستخدام مقياس التأكسج النبضي الذي يتم ارتداؤه على الإصبع (الشكل 2)، وعادةً ما يتم ربطه بشكل مستمر بإصبع المريض الثابت. على الرغم من وجود إصدارات محمولة تعمل بالبطارية، إلا أنها مناسبة فقط لإجراء قياسات متقطعة.
يعتبر معدل ضربات القلب الصحي (HR) بشكل عام في حدود 60-100 نبضة في الدقيقة، ومع ذلك، فإن الفاصل الزمني بين نبضات القلب الفردية ليس ثابتًا. ويشار إليه عادة باسم تقلب معدل ضربات القلب (HRV)، وهذا يعني أن معدل ضربات القلب معدل ضربات القلب هو متوسط يتم قياسه على مدار عدة دورات من ضربات القلب. في الأشخاص الأصحاء، يكون معدل ضربات القلب ومعدل النبض متماثلين تقريبًا، لأنه مع كل انقباض لعضلة القلب، يتم ضخ الدم في جميع أنحاء الجسم. ومع ذلك، يمكن أن تسبب بعض أمراض القلب الخطيرة اختلاف معدلات ضربات القلب والنبض.
على سبيل المثال، في حالات عدم انتظام ضربات القلب مثل الرجفان الأذيني (AFib)، لا تقوم كل انقباضات عضلية في القلب بضخ الدم إلى جميع أنحاء الجسم - بدلاً من ذلك، يتراكم الدم في غرف القلب نفسه، الأمر الذي يمكن أن يهدد الحياة. يمكن أن يكون الرجفان الأذيني صعبًا لاكتشافه لأنه يحدث أحيانًا بشكل متقطع ولفترات زمنية قصيرة فقط.
وفقًا لمنظمة الصحة العالمية، يتسبب الرجفان الأذيني في واحدة من كل أربع سكتات دماغية لدى الأشخاص الذين تزيد أعمارهم عن 40 عامًا، وهي حقيقة توضح أهمية القدرة على اكتشاف المرض وعلاجه. نظرًا لأن مستشعرات PPG تقوم بإجراء قياسات بصرية تحت نفس الافتراض مثل HR و معدل النبض، لا يمكن الاعتماد عليها للكشف عن الرجفان الأذيني. ويتطلب ذلك تسجيلات مستمرة للنشاط الكهربائي للقلب - تمثيل رسومي للإشارات الكهربائية للقلب يسمى مخطط كهربية القلب (ECG) - على مدى فترات زمنية طويلة.
تعد أجهزة مراقبة هولتر من أكثر الأجهزة المحمولة المستخدمة لهذا الغرض من الدرجة السريرية شيوعًا. على الرغم من أنها تستخدم أقطابًا كهربائية أقل من أجهزة مراقبة تخطيط القلب الثابتة المستخدمة في الإعدادات السريرية، إلا أنها يمكن أن تكون كبيرة الحجم وغير مريحة للارتداء، خاصة أثناء النوم.
12-20 نفسًا في الدقيقة هو معدل التنفس المتوقع (RR) لمعظم الأفراد الأصحاء. وقد يكون معدل التنفس المتوقع الذي يزيد عن 30 نفسًا في الدقيقة مؤشرًا على ضيق التنفس بسبب الحمى أو أسباب أخرى. بينما تستخدم بعض حلول الأجهزة القابلة للارتداء مقياس التسارع أو PPG تقنية لاستنتاج RR، يتم إجراء قياسات RR السريرية باستخدام المعلومات الموجودة في إشارة تخطيط القلب أو باستخدام مستشعر المعاوقة الحيوية (BioZ) الذي يستخدم مستشعرين لتوصيف المعاوقة الكهربائية للجلد. واحد أو أكثر من الأقطاب الكهربائية المتصلة بجسم المريض.
في حين أن وظيفة تخطيط القلب (ECG) التي تمت الموافقة عليها من قبل إدارة الغذاء والدواء (FDA) متاحة في بعض الأجهزة القابلة للارتداء الخاصة بالصحة واللياقة البدنية، فإن استشعار المعاوقة الحيوية هو ميزة غير متوفرة عادةً لأنها تتطلب تضمين مستشعر BioZ منفصل IC. بالإضافة إلى RR، يدعم مستشعر BioZ الكهرباء الحيوية تحليل المعاوقة (BIA) ومطياف المعاوقة الكهربائية الحيوية (BIS)، وكلاهما يستخدم لقياس المستويات التركيبية لعضلات الجسم والدهون والماء. كما يدعم مستشعر BioZ أيضًا تخطيط كهربية المعاوقة (ICG) ويستخدم لقياس استجابة الجلد الكلفانية ( GSR)، والذي يمكن أن يكون مؤشرا مفيدا للإجهاد.
يوضح الشكل 1 مخططًا وظيفيًا للعلامات الحيوية من الدرجة السريرية AFE IC الذي يدمج وظائف ثلاثة أجهزة استشعار منفصلة (PPG وECG وBioZ) في حزمة واحدة.
الشكل 1 MAX86178 علامات حيوية ذات طاقة منخفضة للغاية 3 في 1 من الدرجة السريرية AFE (المصدر: الأجهزة التناظرية)
يدعم نظام الحصول على البيانات البصرية PPG ثنائي القناة ما يصل إلى 6 مصابيح LED و4 مدخلات صمام ثنائي ضوئي، مع إمكانية برمجة مصابيح LED من خلال اثنين من برامج تشغيل LED عالية التيار و8 بت. يحتوي مسار الاستقبال على قناتين للقراءة منخفضة الضوضاء وعالية الدقة، يتضمن كل منها محولات ADC مستقلة 20 بت ودوائر إلغاء الضوء المحيط، مما يوفر أكثر من 90 ديسيبل من الرفض المحيط عند 120 هرتز. يصل معدل الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لقناة PPG إلى 113 ديسيبل، مما يدعم قياس SpO2 بمقدار 16 ميكرو أمبير فقط.
قناة ECG عبارة عن سلسلة إشارة كاملة توفر جميع الميزات الأساسية اللازمة لجمع بيانات تخطيط القلب عالية الجودة، مثل الكسب المرن، والتصفية الحرجة، والضوضاء المنخفضة، ومقاومة الإدخال العالية، وخيارات انحياز الرصاص المتعددة. ميزات إضافية مثل الاسترداد السريع ، يتيح اكتشاف سلك التيار المتردد والتيار المستمر، واكتشاف سلك الطاقة المنخفض للغاية ومحرك الساق اليمنى التشغيل القوي في التطبيقات الصعبة مثل الأجهزة التي يتم ارتداؤها على المعصم ذات الأقطاب الكهربائية الجافة. تعمل سلسلة الإشارة التناظرية على تشغيل ADC سيجما دلتا 18 بت مع نطاق واسع لمعدلات عينة الإخراج التي يمكن للمستخدم تحديدها.
تتميز قنوات استقبال BioZ بتصفية EMI ومعايرة واسعة النطاق. تتميز قنوات استقبال BioZ أيضًا بمقاومة إدخال عالية، وضوضاء منخفضة، وكسب قابل للبرمجة، وخيارات مرشح تمرير منخفض ومرتفع، وADCs عالية الدقة. هناك عدة أوضاع لتوليد محفزات الإدخال: مصدر موجة مربعة متوازنة / تيار بالوعة، تيار موجة جيبية، وتحفيز الجهد الكهربي للموجة الجيبية والموجة المربعة. تتوفر مجموعة متنوعة من سعات التحفيز والترددات. كما أنه يدعم تطبيقات BIA وBIS وICG وGSR.
تسمح بيانات توقيت FIFO بمزامنة جميع قنوات المستشعر الثلاثة. يوجد في حزمة على مستوى الرقاقة 7 × 7 49 نتوء (WLP)، يبلغ قياس AFE IC 2.6 مم × 2.8 مم فقط، مما يجعله مثاليًا للتصميم كدرجة سريرية رقعة صدر يمكن ارتداؤها (الشكل 2).
الشكل 2: رقعة صدر تحتوي على قطبين كهربائيين مبللين، تدعم BIA وRR/ICG المستمر، وECG، وSpO2 AFE (المصدر: الأجهزة التناظرية)
يوضح الشكل 3 كيف يمكن تصميم AFE كجهاز يمكن ارتداؤه على المعصم لتوفير BIA وECG عند الطلب مع معدل ضربات القلب المستمر وSpO2 وEDA/GSR.
الشكل 3: جهاز يمكن ارتداؤه على المعصم مزود بأربعة أقطاب كهربائية جافة، يدعم BIA وECG، مع معدل ضربات القلب المستمر وSpO2 وGSR AFE (المصدر: الأجهزة التناظرية)
تعد SpO2 وHR وECG وRR من قياسات العلامات الحيوية المهمة التي يستخدمها متخصصو الرعاية الصحية لأغراض التشخيص. وستكون المراقبة المستمرة للعلامات الحيوية باستخدام الأجهزة القابلة للارتداء عنصرًا أساسيًا في نماذج الرعاية الصحية المستقبلية، والتنبؤ بظهور المرض قبل ظهور الأعراض.
تنتج العديد من أجهزة مراقبة العلامات الحيوية المتوفرة حاليًا قياسات لا يمكن لمتخصصي الرعاية الصحية استخدامها لأن أجهزة الاستشعار التي يستخدمونها ليست من الدرجة السريرية، في حين أن أجهزة أخرى ببساطة لا تملك القدرة على قياس RR بدقة لأنها لا تتضمن أجهزة استشعار BioZ.
في حل التصميم هذا، نعرض دائرة متكاملة تدمج ثلاثة أجهزة استشعار من الدرجة السريرية - PPG وECG وBioZ في حزمة واحدة ونوضح كيف يمكن تصميمها في أجهزة يمكن ارتداؤها على الصدر والمعصم، لقياس SpO2 وHR وECG وRR ، مع توفير وظائف أخرى مفيدة تتعلق بالصحة، بما في ذلك BIA وBIS وGSR وICG. بالإضافة إلى استخدامها في الأجهزة القابلة للارتداء من الدرجة السريرية، تعد IC مثالية للتكامل في الملابس الذكية لتوفير نوع المعلومات التي عالية- يحتاج الرياضيون إلى الأداء.
أندرو بيرت هو مدير الأعمال التنفيذي، وحدة الأعمال الصناعية والرعاية الصحية، الأجهزة التناظرية
وقت النشر: 05 أغسطس 2022