Važnost fizioloških vitalnih znakova kao pokazatelja ljudskog zdravlja odavno je razumjela medicinski profesionalac, ali je trenutna pandemija COVID-19 također podigla svijest javnosti o njenom značaju.
Nažalost, većina ljudi koji su podvrgnuti kontinuiranom praćenju vitalnih znakova možda se već nalaze u kliničkom okruženju gdje se liječe od akutne bolesti. Umjesto korištenja vitalnih znakova kao pokazatelja učinkovitosti liječenja bolesti i oporavka pacijenata, budući model zdravstvena zaštita će koristiti kontinuirano i daljinsko praćenje vitalnih znakova kao alat za identifikaciju potencijalnih pokazatelja početka bolesti, omogućavajući kliničarima da intervenišu u razvoju teške bolesti.Najranija prilika prije.
Predviđeno je da će sve veća integracija kliničkih senzora na kraju omogućiti razvoj jednokratnih, nosivih zdravstvenih flastera vitalnih znakova koji se mogu redovno odlagati i mijenjati, kao što su kontaktna sočiva.
Dok mnogi nosivi uređaji za zdravlje i fitnes uključuju sposobnost mjerenja vitalnih znakova, integritet njihovih očitavanja može biti doveden u pitanje iz više razloga, uključujući kvalitetu korištenih senzora (većina nije kliničke kvalitete), gdje su instalirani i gdje su senzori kvaliteta.Fizički kontakt tokom nošenja.
Iako su ovi uređaji adekvatni za želju nezdravstvenih profesionalaca za povremenim samopromatranjem koristeći prikladan i udoban uređaj za nošenje, oni nisu prikladni za obučene medicinske stručnjake da pravilno procijene zdravlje pojedinca i postavljaju informirane dijagnoze.
S druge strane, uređaji koji se trenutno koriste za pružanje kliničkih opservacija vitalnih znakova u dužim vremenskim intervalima mogu biti glomazni i neudobni, te imaju različite stepene prenosivosti. U ovom dizajnerskom rješenju, razmatramo klinički značaj četiri mjerenja vitalnih znakova – krvi zasićenje kiseonikom (SpO2), broj otkucaja srca (HR), elektrokardiogram (EKG) i brzinu disanja (RR)—i razmislite o pružanju kliničkih očitanja najboljeg tipa senzora za svaki stepen.
Nivoi zasićenosti krvi kiseonikom kod zdravih osoba obično su oko 95-100%. Međutim, nivo SpO2 od 93% ili niži može ukazivati na to da pojedinac doživljava respiratorni distres – kao što je uobičajeni simptom kod pacijenata sa COVID-19 – što ga čini važan vitalni znak za redovno praćenje od strane medicinskih stručnjaka. Fotopletizmografija (PPG) je optička mjerna tehnika koja koristi više LED emitera za osvjetljavanje krvnih sudova ispod površine kože i fotodiodni prijemnik za detekciju reflektiranog svjetlosnog signala za izračunavanje SpO2. Dok je postao zajednička karakteristika mnogih nosivih uređaja, PPG svjetlosni signal je osjetljiv na smetnje zbog artefakata pokreta i prolaznih promjena u ambijentalnom osvjetljenju, što može dovesti do lažnih očitavanja, što znači da ovi uređaji ne pružaju mjerenja kliničkog kvaliteta. U kliničkom okruženju , SpO2 se mjeri pomoću pulsnog oksimetra koji se nosi na prstima (slika 2), obično kontinuirano pričvršćenog na prst nepokretnog pacijenta. Iako postoje prijenosne verzije na baterije, one su prikladne samo za povremena mjerenja.
Općenito se smatra da je zdrav otkucaj srca (HR) u rasponu od 60-100 otkucaja u minuti, međutim, vremenski interval između pojedinačnih otkucaja srca nije konstantan. Obično se naziva varijabilnost otkucaja srca (HRV), to znači da broj otkucaja srca je prosjek izmjeren u nekoliko ciklusa otkucaja srca. Kod zdravih osoba, broj otkucaja srca i puls su skoro isti, jer se sa svakom kontrakcijom srčanog mišića, krv pumpa kroz tijelo. Međutim, neka ozbiljna srčana stanja mogu uzrokovati otkucaji srca i puls da se razlikuju.
Na primjer, kod aritmija kao što je atrijalna fibrilacija (Afib), ne pumpa svaka mišićna kontrakcija u srcu krv po cijelom tijelu - umjesto toga, krv se nakuplja u komorama samog srca, što može biti opasno po život. Fibrilacija atrija može biti teška otkriti jer se ponekad javlja povremeno i samo u kratkim kratkim intervalima.
Prema Svjetskoj zdravstvenoj organizaciji, Afib uzrokuje jedan od četiri moždani udar kod ljudi starijih od 40 godina, činjenica koja pokazuje važnost mogućnosti otkrivanja i liječenja bolesti. Budući da PPG senzori vrše optička mjerenja pod istim pretpostavkama kao i HR i puls, na njih se ne može osloniti da bi otkrili AF. Ovo zahtijeva kontinuirano snimanje električne aktivnosti srca -- grafički prikaz električnih signala srca koji se naziva elektrokardiogram (EKG) -- u dugim vremenskim intervalima.
Holter monitori su najčešći prenosivi uređaji kliničkog kvaliteta koji se koriste u ovu svrhu. Iako koriste manje elektroda od statičkih EKG monitora koji se koriste u kliničkim okruženjima, mogu biti glomazni i neudobni za nošenje, posebno dok spavaju.
12-20 udisaja u minuti je očekivana brzina disanja (RR) za većinu zdravih osoba. Brzina RR iznad 30 udisaja u minuti može biti pokazatelj respiratornog distresa zbog groznice ili drugih uzroka. Dok neka rješenja za nosive uređaje koriste akcelerometar ili PPG Tehnologija za zaključivanje RR, mjerenja RR kliničkog stupnja se izvode korištenjem informacija sadržanih u EKG signalu ili korištenjem bioimpedansnog (BioZ) senzora koji koristi dva senzora za karakterizaciju električne impedanse kože. Jedna ili više elektroda pričvršćenih na tijelo pacijenta.
Dok je funkcija EKG odobrena od strane FDA dostupna u nekim vrhunskim nosivim uređajima za zdravlje i fitnes, bioimpedansni senzor je funkcija koja obično nije dostupna jer zahtijeva uključivanje zasebnog BioZ senzora IC. Pored RR, BioZ senzor podržava Bioelektrični Analiza impedance (BIA) i spektroskopija bioelektrične impedancije (BIS), obje se koriste za mjerenje kompozicionih nivoa tjelesnih mišića, masti i vode. BioZ senzor također podržava elektrokardiografiju impedancije (ICG) i koristi se za mjerenje galvanskog odgovora kože ( GSR), što može biti koristan pokazatelj stresa.
Slika 1 prikazuje funkcionalni blok dijagram AFE IC vitalnih znakova kliničkog kvaliteta koji integriše funkcionalnost tri odvojena senzora (PPG, EKG i BioZ) u jedan paket.
Slika 1 MAX86178 ultra-niske snage, 3-u-1 vitalni znakovi kliničkog kvaliteta AFE (Izvor: Analog Devices)
Njegov dvokanalni PPG optički sistem za prikupljanje podataka podržava do 6 LED dioda i 4 ulaza za fotodiode, sa LED diodama koje se mogu programirati kroz dva visokostrujna, 8-bitna LED drajvera. Putanja prijema ima dva kanala za očitavanje niske razine šuma i visoke rezolucije, svaki uključuje nezavisne 20-bitne ADC-e i kola za poništavanje ambijentalnog svjetla, pružajući preko 90dB ambijentalnog odbijanja na 120Hz. SNR PPG kanala je čak 113dB, podržava mjerenje SpO2 od samo 16µA.
EKG kanal je kompletan signalni lanac koji pruža sve ključne karakteristike potrebne za prikupljanje visokokvalitetnih EKG podataka, kao što su fleksibilno pojačanje, kritično filtriranje, nizak šum, visoka ulazna impedansa i višestruke opcije pristranosti elektrode. Dodatne karakteristike kao što je brzi oporavak , AC i DC detekcija elektroda, detekcija kabla ultra male snage i pogon desne noge omogućavaju robustan rad u zahtjevnim aplikacijama kao što su uređaji koji se nose na zapešću sa suhim elektrodama. Lanac analognog signala pokreće 18-bitni sigma-delta ADC sa širokim rasponom izlaznih stopa uzorkovanja koje bira korisnik.
BioZ kanali za prijem imaju EMI filtriranje i opsežnu kalibraciju. BioZ prijemni kanali također imaju visoku ulaznu impedanciju, nizak šum, programabilno pojačanje, opcije niskopropusnog i visokopropusnog filtera i ADC-ove visoke rezolucije. Postoji nekoliko načina za generiranje ulaznih stimulusa: balansirani pravokutni izvor/ponor struja, struja sinusnog vala i stimulacija napona sinusnog i pravokutnog talasa. Dostupne su različite amplitude i frekvencije stimulacije. Takođe podržava BIA, BIS, ICG i GSR aplikacije.
FIFO podaci o vremenu omogućavaju sinhronizaciju sva tri senzorska kanala. Smeštena u 7 x 7 49-bump paketu na nivou wafer-a (WLP), AFE IC ima samo 2,6 mm x 2,8 mm, što ga čini idealnim za dizajn kao klinički nivo nosivi flaster za grudi (slika 2).
Slika 2 Flaster za grudi sa dvije vlažne elektrode, podržava BIA i kontinuirani RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (Izvor: Analog Devices)
Slika 3 ilustruje kako se ovaj AFE može dizajnirati kao nosivi uređaj koji se nosi na zapešću kako bi na zahtjev pružio BIA i EKG s kontinuiranim HR, SpO2 i EDA/GSR.
Slika 3: Uređaj koji se nosi na zglobu sa četiri suhe elektrode, podržava BIA i EKG, sa kontinuiranim HR, SpO2 i GSR AFE (Izvor: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG i RR važna su mjerenja vitalnih znakova koje koriste zdravstveni radnici u dijagnostičke svrhe. Kontinuirano praćenje vitalnih znakova pomoću nosivih uređaja bit će ključna komponenta budućih modela zdravstvene zaštite, predviđajući početak bolesti prije nego što se pojave simptomi.
Mnogi od trenutno dostupnih monitora vitalnih znakova proizvode mjerenja koja ne mogu koristiti zdravstveni radnici jer senzori koje koriste nisu kliničke kvalitete, dok drugi jednostavno nemaju mogućnost preciznog mjerenja RR jer ne uključuju BioZ senzore.
U ovom dizajnerskom rješenju, demonstriramo IC koji integrira tri senzora kliničke kvalitete - PPG, EKG i BioZ u jedno pakovanje i pokazujemo kako se može dizajnirati u nosive uređaje za prsa i zglobove za mjerenje SpO2, HR, EKG i RR , a istovremeno pruža i druge korisne funkcije vezane za zdravlje, uključujući BIA, BIS, GSR i ICG. Osim što se koristi u nosivim uređajima kliničkog kvaliteta, IC je idealan za integraciju u pametnu odjeću kako bi pružio vrstu informacija koje su visoke. performanse potrebne sportistima.
Andrew Burt je izvršni poslovni menadžer, poslovna jedinica za industriju i zdravstvo, Analog Devices
Vrijeme objave: 05.08.2022