Význam fyziologických vitálních funkcí jako indikátorů lidského zdraví lékaři již dlouho chápou, ale současná pandemie COVID-19 také zvýšila povědomí veřejnosti o jeho důležitosti.
Bohužel, většina lidí, kteří se ocitnou pod neustálým monitorováním životních funkcí, se již může nacházet v klinickém prostředí, kde jsou léčeni pro akutní onemocnění. zdravotnictví bude využívat nepřetržité a vzdálené monitorování vitálních funkcí jako nástroj k identifikaci potenciálních indikátorů nástupu onemocnění, což lékařům umožní zasahovat do rozvoje závažného onemocnění.Nejbližší příležitost předtím.
Předpokládá se, že rostoucí integrace senzorů klinické úrovně nakonec umožní vývoj jednorázových nositelných náplastí pro zdraví vitálních funkcí, které lze pravidelně likvidovat a nahrazovat, jako jsou kontaktní čočky.
Zatímco mnoho nositelných zařízení pro zdraví a kondici zahrnuje možnosti měření vitálních funkcí, integrita jejich naměřených hodnot může být zpochybněna z mnoha důvodů, včetně kvality použitých senzorů (většina z nich nemá klinickou kvalitu), kde jsou instalovány a kde jsou senzory kvalita. Fyzický kontakt při nošení.
I když jsou tato zařízení dostačující pro touhu nezdravotnických profesionálů po příležitostném sebepozorování pomocí pohodlného a pohodlného nositelného zařízení, nejsou vhodná pro vyškolené lékařské odborníky, aby správně zhodnotili individuální zdravotní stav a provedli informované diagnózy.
Na druhou stranu zařízení, která se v současnosti používají k poskytování pozorování vitálních funkcí klinického stupně po delší časové intervaly, mohou být objemná a nepohodlná a mají různý stupeň přenosnosti. V tomto konstrukčním řešení přezkoumáme klinický význam čtyř měření vitálních funkcí – krve saturace kyslíkem (SpO2), srdeční frekvence (HR), elektrokardiogram (EKG) a frekvence dýchání (RR) – a zvažte poskytnutí klinického nejlepšího typu senzoru – naměřené hodnoty pro každý stupeň.
Hladiny saturace krve kyslíkem u zdravých jedinců jsou obvykle kolem 95–100 %. Hladina SpO2 93 % nebo nižší však může znamenat, že jedinec pociťuje respirační tíseň – jako je běžný příznak u pacientů s COVID-19 – což z ní činí důležité vitální funkce pro pravidelné sledování lékařskými profesionály. Fotopletysmografie (PPG) je optická měřicí technika, která využívá více LED zářičů k osvětlení krevních cév pod povrchem kůže a fotodiodový přijímač k detekci signálu odraženého světla pro výpočet SpO2. společným znakem mnoha nositelných zařízení na zápěstí je světelný signál PPG náchylný k rušení pohybovými artefakty a přechodnými změnami okolního osvětlení, což může vést k falešným hodnotám, což znamená, že tato zařízení neposkytují měření na klinické úrovni. V klinickém prostředí , SpO2 se měří pomocí prstového pulzního oxymetru (obrázek 2), který je obvykle kontinuálně připevněn k pacientovu prstu. I když existují přenosné verze napájené bateriemi, jsou vhodné pouze pro provádění přerušovaných měření.
Za zdravou tepovou frekvenci (HR) se obecně považuje rozmezí 60-100 tepů za minutu, časový interval mezi jednotlivými tepy však není konstantní. Běžně označovaný jako variabilita srdeční frekvence (HRV) znamená, že srdeční frekvence je průměr naměřený během několika srdečních cyklů. U zdravých jedinců jsou srdeční frekvence a tepová frekvence téměř stejné, protože při každé kontrakci srdečního svalu je krev pumpována do celého těla. Některé závažné srdeční stavy však mohou způsobit srdeční a tepová frekvence se liší.
Například u arytmií, jako je fibrilace síní (Afib), ne každá svalová kontrakce v srdci pumpuje krev do celého těla - místo toho se krev hromadí v komorách samotného srdce, což může být život ohrožující. Fibrilace síní může být obtížná detekovat, protože se někdy vyskytuje přerušovaně a pouze v krátkých krátkých intervalech.
Podle Světové zdravotnické organizace Afib způsobuje jednu ze čtyř mozkových příhod u lidí starších 40 let, což je skutečnost, která dokazuje důležitost schopnosti detekovat a léčit onemocnění. Protože senzory PPG provádějí optická měření za stejných předpokladů jako HR a tepovou frekvenci, nelze se na ně spolehnout při detekci AF. To vyžaduje nepřetržité záznamy elektrické aktivity srdce – grafické znázornění elektrických signálů srdce nazývané elektrokardiogram (EKG) – v dlouhých časových intervalech.
Holter monitory jsou nejběžnější přenosná zařízení klinické kvality používaná pro tento účel. I když používají méně elektrod než statické monitory EKG používané v klinických podmínkách, mohou být objemné a nepohodlné při nošení, zejména při spánku.
12–20 dechů za minutu je očekávaná dechová frekvence (RR) pro většinu zdravých jedinců. Frekvence RR nad 30 dechů za minutu může být indikátorem respirační tísně v důsledku horečky nebo jiných příčin. Zatímco některá řešení nositelných zařízení používají akcelerometr nebo PPG technologie k odvození RR, měření RR klinického stupně se provádějí pomocí informací obsažených v signálu EKG nebo pomocí bioimpedančního (BioZ) senzoru, který používá dva senzory k charakterizaci elektrické impedance kůže. Jedna nebo více elektrod připojených k tělu pacienta.
Zatímco funkce EKG s povolením FDA je k dispozici u některých špičkových nositelných zařízení pro zdraví a fitness, snímání bioimpedance je funkce, která není obvykle dostupná, protože vyžaduje zahrnutí samostatného IC senzoru BioZ. Kromě RR senzor BioZ podporuje bioelektrické Impedanční analýza (BIA) a bioelektrická impedanční spektroskopie (BIS), které se používají k měření úrovní složení tělesného svalstva, tuku a vody. Snímač BioZ také podporuje impedanční elektrokardiografii (ICG) a používá se k měření galvanické odezvy kůže ( GSR), což může být užitečným indikátorem stresu.
Obrázek 1 ukazuje funkční blokové schéma vitálních funkcí AFE IC klinického stupně, které integruje funkčnost tří samostatných senzorů (PPG, EKG a BioZ) do jednoho balíčku.
Obrázek 1 MAX86178 vitální funkce klinického stupně 3 v 1 s velmi nízkou spotřebou energie AFE (Zdroj: Analog Devices)
Jeho dvoukanálový systém optického sběru dat PPG podporuje až 6 LED a 4 fotodiodové vstupy, přičemž LED jsou programovatelné pomocí dvou vysokoproudých 8bitových LED ovladačů. Přijímací cesta má dva nízkošumové čtecí kanály s vysokým rozlišením, každý z nich obsahuje nezávislé 20bitové ADC a obvody pro potlačení okolního světla, které poskytují více než 90 dB potlačení okolního prostředí při 120 Hz. SNR kanálu PPG je až 113 dB a podporuje měření SpO2 pouze 16 µA.
Kanál EKG je kompletní signálový řetězec, který poskytuje všechny klíčové funkce potřebné pro shromažďování vysoce kvalitních dat EKG, jako je flexibilní zisk, kritické filtrování, nízký šum, vysoká vstupní impedance a možnosti zkreslení více svodů. Další funkce, jako je rychlá obnova , detekce svodů střídavého a stejnosměrného proudu, detekce svodů s extrémně nízkým výkonem a pohon pravé nohy umožňují robustní provoz v náročných aplikacích, jako jsou zařízení se suchými elektrodami nošená na zápěstí. Analogový signálový řetězec pohání 18bitový sigma-delta ADC s širokým rozsahem uživatelsky volitelných výstupních vzorkovacích frekvencí.
Přijímací kanály BioZ jsou vybaveny filtrováním EMI a rozsáhlou kalibrací. Přijímací kanály BioZ se také vyznačují vysokou vstupní impedancí, nízkým šumem, programovatelným zesílením, možnostmi filtru dolní a horní propusti a ADC s vysokým rozlišením. Existuje několik režimů pro generování vstupních podnětů: vyvážený obdélníkový zdroj/spotřebičový proud, sinusový proud a sinusová a obdélníková napěťová stimulace. K dispozici jsou různé amplitudy a frekvence stimulace. Podporuje také aplikace BIA, BIS, ICG a GSR.
Časovací data FIFO umožňují synchronizaci všech tří senzorových kanálů. AFE IC je umístěn v 7 x 7 49násobném wafer-level balíčku (WLP) a měří pouze 2,6 mm x 2,8 mm, takže je ideální pro design jako klinická kvalita nositelná hrudní náplast (obrázek 2).
Obrázek 2 Hrudní náplast se dvěma vlhkými elektrodami, podporující BIA a kontinuální RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (Zdroj: Analog Devices)
Obrázek 3 ilustruje, jak může být tento AFE navržen jako nositelný na zápěstí, aby poskytoval na vyžádání BIA a EKG s nepřetržitou HR, SpO2 a EDA/GSR.
Obrázek 3: Zařízení nošené na zápěstí se čtyřmi suchými elektrodami, podporujícími BIA a EKG, s kontinuální HR, SpO2 a GSR AFE (zdroj: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG a RR jsou důležitá měření vitálních funkcí používaná zdravotnickými pracovníky pro diagnostické účely. Nepřetržité monitorování vitálních funkcí pomocí nositelných zařízení bude klíčovou součástí budoucích modelů zdravotní péče, které předpovídají nástup onemocnění dříve, než se objeví příznaky.
Mnohé z aktuálně dostupných monitorů vitálních funkcí produkují měření, která nemohou být použita zdravotnickými pracovníky, protože senzory, které používají, nejsou klinické kvality, zatímco jiné jednoduše nemají schopnost přesně měřit RR, protože neobsahují senzory BioZ.
V tomto konstrukčním řešení předvádíme IC, které integruje tři senzory klinické úrovně – PPG, EKG a BioZ do jednoho balení, a ukazujeme, jak jej lze navrhnout do nositelných zařízení na hrudi a zápěstí, aby bylo možné měřit SpO2, HR, EKG a RR. a zároveň poskytuje další užitečné funkce související se zdravím, včetně BIA, BIS, GSR a ICG. Kromě použití v nositelných zařízeních klinické kvality je IC ideální pro integraci do chytrého oblečení a poskytuje typ informací, které výkonnostní sportovci potřebují.
Andrew Burt je výkonným obchodním ředitelem obchodní jednotky pro průmysl a zdravotnictví, Analog Devices
Čas odeslání: srpen-05-2022