Значението на физиологичните жизнени показатели като индикатори за човешкото здраве отдавна е разбрано от медицинските специалисти, но настоящата пандемия от COVID-19 също повиши обществената осведоменост за нейното значение.
За съжаление, повечето хора, които се оказват подложени на непрекъснат мониторинг на жизнените показатели, може вече да са в клинична среда, където се лекуват за остро заболяване. Вместо да използват жизнените показатели като индикатор за ефективността на лечението на заболяването и възстановяването на пациента, бъдещият модел на здравеопазването ще използва непрекъснато и дистанционно наблюдение на жизнените показатели като инструмент за идентифициране на потенциални индикатори за начало на заболяването, позволявайки на клиницистите да се намесят в развитието на тежко заболяване.Най-ранната възможност преди.
Предвижда се нарастващата интеграция на сензори от клиничен клас в крайна сметка да даде възможност за разработване на здравни лепенки за жизнени показатели за еднократна употреба, които могат да се изхвърлят и подменят редовно, като контактни лещи.
Въпреки че много носими устройства за здраве и фитнес включват възможности за измерване на жизнените показатели, целостта на техните показания може да бъде поставена под въпрос поради редица причини, включително качеството на използваните сензори (повечето не са клинични), къде са инсталирани и къде са сензорите качеството на.Физически контакт при носене.
Въпреки че тези устройства са подходящи за желанието на нездравни специалисти за небрежно самонаблюдение с помощта на удобно и удобно устройство за носене, те не са подходящи за обучени медицински специалисти за правилна оценка на индивидуалното здраве и поставяне на информирани диагнози.
От друга страна, устройствата, които понастоящем се използват за осигуряване на клинични наблюдения на жизнените показатели за по-дълги интервали от време, могат да бъдат обемисти и неудобни и да имат различна степен на преносимост. В това дизайнерско решение ние разглеждаме клиничното значение на четири измервания на жизнените показатели – кръв кислородна сатурация (SpO2), сърдечна честота (HR), електрокардиограма (ЕКГ) и честота на дишане (RR)—и помислете за осигуряване на клиничен най-добър тип сензор - показания за всяка степен.
Нивата на насищане с кислород в кръвта при здрави индивиди обикновено са около 95-100%. Въпреки това, ниво на SpO2 от 93% или по-ниско може да означава, че дадено лице изпитва респираторен дистрес – като често срещан симптом при пациенти с COVID-19 – което го прави важен жизненоважен признак за редовно наблюдение от медицински специалисти. Фотоплетизмографията (PPG) е оптична измервателна техника, която използва множество LED излъчватели за осветяване на кръвоносните съдове под повърхността на кожата и фотодиоден приемник за откриване на отразения светлинен сигнал за изчисляване на SpO2. Докато е станал обща характеристика на много носени на китката устройства, светлинният сигнал на PPG е податлив на смущения от артефакти на движение и преходни промени в околното осветление, което може да доведе до фалшиви показания, което означава, че тези устройства не предоставят измервания с клинична степен. В клинична среда , SpO2 се измерва с помощта на носен на пръста импулсен оксиметър (Фигура 2), обикновено непрекъснато прикрепен към неподвижен пръст на пациента. Въпреки че съществуват преносими версии, захранвани с батерии, те са подходящи само за извършване на периодични измервания.
Обикновено се счита, че здравословният сърдечен ритъм (HR) е в диапазона от 60-100 удара в минута, но интервалът от време между отделните сърдечни удари не е постоянен. Обикновено се нарича вариабилност на сърдечната честота (HRV), това означава, че сърдечната честота е средна стойност, измерена за няколко цикъла на сърдечен ритъм. При здрави индивиди сърдечната честота и пулсът са почти еднакви, тъй като при всяко свиване на сърдечния мускул кръвта се изпомпва в цялото тяло. Някои сериозни сърдечни заболявания обаче могат да причинят сърдечната честота и пулса да се различават.
Например, при аритмии като предсърдно мъждене (Afib), не всяка мускулна контракция в сърцето изпомпва кръв в цялото тяло - вместо това кръвта се натрупва в камерите на самото сърце, което може да бъде животозастрашаващо. Предсърдното мъждене може да бъде трудно за откриване, защото понякога се появява периодично и само за кратки интервали.
Според Световната здравна организация Afib причинява един на всеки четири инсулта при хора на възраст над 40 години, факт, който демонстрира важността на възможността за откриване и лечение на заболяването. Тъй като PPG сензорите правят оптични измервания при същото допускане като HR и честота на пулса, на тях не може да се разчита за откриване на ПМ. Това изисква непрекъснати записи на електрическата активност на сърцето - графично представяне на електрическите сигнали на сърцето, наречено електрокардиограма (ЕКГ) - за дълги интервали от време.
Холтер мониторите са най-разпространените преносими устройства от клиничен клас, използвани за тази цел. Въпреки че използват по-малко електроди от статичните ЕКГ монитори, използвани в клинични условия, те могат да бъдат обемисти и неудобни за носене, особено по време на сън.
12-20 вдишвания в минута е очакваната дихателна честота (RR) за повечето здрави индивиди. RR честота над 30 вдишвания в минута може да е индикатор за респираторен дистрес, дължащ се на треска или други причини. Докато някои решения за носими устройства използват акселерометър или PPG технология за извеждане на RR, клинични измервания на RR се извършват с помощта на информация, съдържаща се в ЕКГ сигнала или с помощта на сензор за биоимпеданс (BioZ), който използва два сензора за характеризиране на електрическия импеданс на кожата. Един или повече електроди, прикрепени към тялото на пациента.
Докато разрешената от FDA ЕКГ функционалност е налична в някои здравни и фитнес носими устройства от висок клас, биоимпедансното отчитане е функция, която обикновено не е налична, тъй като изисква включването на отделен BioZ сензор IC. В допълнение към RR, BioZ сензорът поддържа Bioelectrical Импедансен анализ (BIA) и биоелектрична импедансна спектроскопия (BIS), като и двете се използват за измерване на съставните нива на телесните мускули, мазнини и вода. Сензорът BioZ също така поддържа импедансна електрокардиография (ICG) и се използва за измерване на галваничен кожен отговор ( GSR), което може да бъде полезен индикатор за стрес.
Фигура 1 показва функционална блокова диаграма на AFE IC за жизнени показатели от клиничен клас, която интегрира функционалността на три отделни сензора (PPG, ECG и BioZ) в един пакет.
Фигура 1 MAX86178 с ултра-ниска мощност, 3-в-1 клиничен клас на жизнените показатели AFE (Източник: Analog Devices)
Неговата двуканална PPG оптична система за събиране на данни поддържа до 6 светодиода и 4 фотодиодни входа, като светодиодите могат да се програмират чрез два силнотокови, 8-битови LED драйвера. Получаващият път има два канала за четене с нисък шум и висока разделителна способност, всеки включва независими 20-битови ADC и схема за анулиране на околната светлина, осигуряваща над 90dB отхвърляне на околната среда при 120Hz. SNR на PPG канала е висок до 113dB, поддържайки измерване на SpO2 от само 16µA.
ЕКГ каналът е цялостна сигнална верига, която предоставя всички ключови функции, необходими за събиране на висококачествени ЕКГ данни, като гъвкаво усилване, критично филтриране, нисък шум, висок входен импеданс и множество опции за отклонение на отвеждането. Допълнителни функции като бързо възстановяване , AC и DC откриване на проводници, откриване на проводници с ултра ниска мощност и задвижване на десния крак позволяват стабилна работа при взискателни приложения като устройства за носене на китката със сухи електроди. Аналоговата сигнална верига управлява 18-битов сигма-делта ADC с широк диапазон на избираеми от потребителя изходни честоти на дискретизация.
Каналите за приемане на BioZ разполагат с EMI филтриране и обширно калибриране. Каналите за приемане на BioZ също така разполагат с висок входен импеданс, нисък шум, програмируемо усилване, опции за нискочестотен и високочестотен филтър и ADC с висока разделителна способност. Има няколко режима за генериране на входни стимули: балансирана стимулация на източник/поглъщащ ток на правоъгълна вълна, ток на синусоида и напрежение на синусоида и правоъгълна вълна. Налични са различни амплитуди и честоти на стимулация. Той също така поддържа BIA, BIS, ICG и GSR приложения.
FIFO синхронизиращите данни позволяват и трите сензорни канала да бъдат синхронизирани. Поместен в 7 x 7 49-bump wafer-level package (WLP), AFE IC е с размери само 2,6 mm x 2,8 mm, което го прави идеален за проектиране като клиничен клас пластир за носене на гърдите (Фигура 2).
Фигура 2 Гръден пластир с два мокри електрода, поддържащи BIA и непрекъсната RR/ICG, ЕКГ, SpO2 AFE (Източник: Analog Devices)
Фигура 3 илюстрира как това AFE може да бъде проектирано като устройство за носене на китка, за да осигури BIA и ЕКГ при поискване с непрекъснати HR, SpO2 и EDA/GSR.
Фигура 3: Устройство за носене на китката с четири сухи електрода, поддържащо BIA и ЕКГ, с непрекъснат HR, SpO2 и GSR AFE (Източник: Analog Devices)
SpO2, HR, ЕКГ и RR са важни измервания на жизнените показатели, използвани от здравните специалисти за диагностични цели. Непрекъснатото наблюдение на жизнените показатели с помощта на носими устройства ще бъде ключов компонент на бъдещите модели на здравеопазване, предвиждайки началото на заболяването преди появата на симптомите.
Много от наличните в момента монитори за жизнени показатели произвеждат измервания, които не могат да се използват от здравни специалисти, тъй като сензорите, които използват, не са клинични, докато други просто нямат способността да измерват точно RR, защото не включват сензори BioZ.
В това дизайнерско решение ние демонстрираме IC, който интегрира три клинични сензора - PPG, ECG и BioZ в един пакет и показваме как може да бъде проектиран в устройства за носене на гърдите и китката, за измерване на SpO2, HR, ECG и RR , като същевременно предоставя и други полезни функции, свързани със здравето, включително BIA, BIS, GSR и ICG. Освен че се използва в носими устройства от клиничен клас, IC е идеален за интегриране в интелигентно облекло, за да предостави вида информация, която високо- производителност, от която се нуждаят спортистите.
Андрю Бърт е изпълнителен бизнес мениджър, бизнес звено за промишленост и здравеопазване, Analog Devices
Време на публикуване: 5 август 2022 г