Betydningen af fysiologiske vitale tegn som indikatorer for menneskers sundhed har længe været forstået af læger, men den nuværende COVID-19-pandemi har også øget offentlighedens bevidsthed om dens betydning.
Desværre kan de fleste mennesker, der gennemgår kontinuerlig overvågning af vitale tegn, allerede være i et klinisk miljø, hvor de bliver behandlet for akut sygdom. I stedet for at bruge vitale tegn som en indikator for effektiviteten af sygdomsbehandling og patientens helbredelse, vil den fremtidige model af sundhedsvæsenet vil anvende kontinuerlig og fjernovervågning af vitale tegn som et værktøj til at identificere potentielle indikatorer for sygdomsdebut, hvilket giver klinikere mulighed for at gribe ind i udviklingen af alvorlig sygdom.Den tidligste mulighed før.
Det er forudset, at den stigende integration af sensorer af klinisk kvalitet på sigt vil muliggøre udviklingen af engangs, bærbare vitale tegn sundhedsplastre, der regelmæssigt kan bortskaffes og erstattes, såsom kontaktlinser.
Mens mange wearables til sundhed og fitness inkluderer måling af vitale tegn, kan integriteten af deres aflæsninger stilles spørgsmålstegn ved af en række årsager, herunder kvaliteten af de anvendte sensorer (de fleste er ikke af klinisk kvalitet), hvor de er installeret, og hvor sensorerne kvaliteten af.Fysisk kontakt under iført.
Selvom disse enheder er tilstrækkelige til ikke-sundhedsprofessionelles ønske om tilfældig selvobservation ved hjælp af en praktisk og komfortabel bærbar enhed, er de ikke egnede til uddannede medicinske fagfolk til korrekt at vurdere individuelt helbred og stille informerede diagnoser.
På den anden side kan enheder, der i øjeblikket bruges til at give observationer af vitale tegn i klinisk kvalitet over længere tidsintervaller, være omfangsrige og ubehagelige og have varierende grader af bærbarhed. I denne designløsning gennemgår vi den kliniske betydning af fire målinger af vitale tegn – blod iltmætning (SpO2), hjertefrekvens (HR), elektrokardiogram (EKG) og respirationsfrekvens (RR) – og overvej at give klinisk bedste sensortype - aflæsninger for hver klasse.
Blodets iltmætningsniveauer hos raske individer er normalt omkring 95-100%. Et SpO2-niveau på 93 % eller lavere kan dog indikere, at en person oplever åndedrætsbesvær – såsom et almindeligt symptom hos patienter med COVID-19 – hvilket gør det til en vigtigt vitalt tegn for regelmæssig overvågning af læger. Fotoplethysmografi (PPG) er en optisk måleteknik, der bruger flere LED-emittere til at belyse blodkar under hudens overflade og en fotodiodemodtager til at detektere det reflekterede lyssignal for at beregne SpO2. Mens det er blevet et fælles træk ved mange håndledsbårne wearables er PPG-lyssignalet modtageligt for interferens fra bevægelsesartefakter og forbigående ændringer i omgivende belysning, hvilket kan føre til falske aflæsninger, hvilket betyder, at disse enheder ikke giver kliniske målinger. I kliniske omgivelser SpO2 måles ved hjælp af et fingerbåret pulsoximeter (Figur 2), som normalt er uafbrudt fastgjort til en stationær patients finger. Selvom der findes batteridrevne bærbare versioner, er de kun egnede til at foretage intermitterende målinger.
En sund puls (HR) anses generelt for at være i området 60-100 slag i minuttet, men tidsintervallet mellem individuelle hjerteslag er ikke konstant. Almindeligvis omtalt som hjertefrekvensvariabilitet (HRV), betyder det, at puls er et gennemsnit målt over flere hjerteslagscyklusser. Hos raske personer er pulsen og pulsen næsten ens, fordi der ved hver sammentrækning af hjertemusklen pumpes blod gennem hele kroppen. Nogle alvorlige hjertesygdomme kan dog forårsage hjerte og puls varierer.
For eksempel ved arytmier som atrieflimren (Afib) er det ikke alle muskelsammentrækninger i hjertet, der pumper blod gennem hele kroppen - i stedet ophobes blod i selve hjertets kamre, hvilket kan være livstruende. Atrieflimren kan være svært at opdage, fordi det nogle gange forekommer med mellemrum og kun i korte korte intervaller.
Ifølge Verdenssundhedsorganisationen forårsager Afib hvert fjerde slagtilfælde hos personer over 40 år, et faktum, der viser vigtigheden af at kunne opdage og behandle sygdommen. Da PPG-sensorer foretager optiske målinger under samme antagelse som HR og pulsfrekvens, kan de ikke stole på til at detektere AF. Dette kræver kontinuerlige optagelser af hjertets elektriske aktivitet - en grafisk repræsentation af hjertets elektriske signaler kaldet et elektrokardiogram (EKG) - over lange tidsintervaller.
Holter-monitorer er de mest almindelige bærbare enheder af klinisk kvalitet, der bruges til dette formål. Selvom de bruger færre elektroder end statiske EKG-monitorer, der bruges i kliniske omgivelser, kan de være omfangsrige og ubehagelige at have på, især mens de sover.
12-20 vejrtrækninger i minuttet er den forventede respirationsfrekvens (RR) for de fleste raske individer. En RR-rate over 30 vejrtrækninger i minuttet kan være en indikator for åndedrætsbesvær på grund af feber eller andre årsager. Mens nogle løsninger til bærbare enheder bruger accelerometer eller PPG teknologi til at udlede RR, RR-målinger af klinisk kvalitet udføres ved hjælp af information indeholdt i EKG-signalet eller ved hjælp af en bioimpedans (BioZ) sensor, der bruger to sensorer til at karakterisere hudens elektriske impedans.En eller flere elektroder fastgjort til patientens krop.
Mens FDA-godkendt EKG-funktionalitet er tilgængelig i nogle avancerede wearables til sundhed og fitness, er bioimpedansføling en funktion, der typisk ikke er tilgængelig, fordi den kræver inkludering af en separat BioZ-sensor IC. Ud over RR understøtter BioZ-sensoren Bioelektrisk Impedansanalyse (BIA) og bioelektrisk impedansspektroskopi (BIS), som begge bruges til at måle sammensætningsniveauerne af kropsmuskler, fedt og vand. BioZ-sensoren understøtter også impedanselektrokardiografi (ICG) og bruges til at måle galvanisk hudrespons ( GSR), som kan være en nyttig indikator for stress.
Figur 1 viser et funktionelt blokdiagram af en AFE IC for vitale tegn af klinisk kvalitet, der integrerer funktionaliteten af tre separate sensorer (PPG, EKG og BioZ) i en enkelt pakke.
Figur 1 MAX86178 ultra-lav-effekt, 3-i-1 klinisk kvalitet vitale tegn AFE (Kilde: Analog Devices)
Dens to-kanals PPG optiske dataindsamlingssystem understøtter op til 6 LED'er og 4 fotodiodeindgange, hvor LED'erne kan programmeres gennem to højstrøms 8-bit LED-drivere. Modtagestien har to lavstøjs- og højopløsningsudlæsningskanaler, hver inklusiv uafhængige 20-bit ADC'er og kredsløb til annullering af omgivende lys, der giver over 90 dB omgivende afvisning ved 120 Hz. SNR for PPG-kanalen er så høj som 113 dB, hvilket understøtter SpO2-måling på kun 16µA.
EKG-kanalen er en komplet signalkæde, der giver alle de nøglefunktioner, der er nødvendige for at indsamle EKG-data af høj kvalitet, såsom fleksibel forstærkning, kritisk filtrering, lav støj, høj inputimpedans og flere ledningsforspændingsmuligheder.Yderligere funktioner såsom hurtig genopretning , AC- og DC-ledningsdetektion, ultra-lav strømledningsdetektion og højrebensdrev muliggør robust drift i krævende applikationer såsom håndledsbårne enheder med tørre elektroder. Den analoge signalkæde driver en 18-bit sigma-delta ADC med en bred rækkevidde af bruger-valgbare output sample rates.
BioZ-modtagelseskanaler har EMI-filtrering og omfattende kalibrering. BioZ-modtagelseskanaler har også høj inputimpedans, lav støj, programmerbar forstærkning, lavpas- og højpasfiltermuligheder og højopløselige ADC'er. Der er flere tilstande til at generere inputstimuli: balanceret firkantbølgekilde/synkstrøm, sinusbølgestrøm og sinusbølge- og firkantbølgespændingsstimulering. En række forskellige stimuleringsamplituder og frekvenser er tilgængelige. Den understøtter også BIA, BIS, ICG og GSR applikationer.
FIFO-timingdata gør det muligt at synkronisere alle tre sensorkanaler. AFE IC'en er placeret i en 7 x 7 49-bump wafer-level-pakke (WLP), og måler kun 2,6 mm x 2,8 mm, hvilket gør den ideel til design som klinisk kvalitet bærbart brystplaster (figur 2).
Figur 2 Brystplaster med to våde elektroder, der understøtter BIA og kontinuerlig RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (Kilde: Analog Devices)
Figur 3 illustrerer, hvordan denne AFE kan designes som en håndledsbåret wearable for at give on-demand BIA og EKG med kontinuerlig HR, SpO2 og EDA/GSR.
Figur 3: Håndledsbåret enhed med fire tørre elektroder, der understøtter BIA og EKG, med kontinuerlig HR, SpO2 og GSR AFE (Kilde: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG og RR er vigtige vitale tegnmålinger, der bruges af sundhedspersonale til diagnostiske formål. Kontinuerlig overvågning af vitale tegn ved hjælp af wearables vil være en nøglekomponent i fremtidige sundhedsmodeller, der forudsiger sygdomsdebut, før symptomer viser sig.
Mange af de aktuelt tilgængelige vitale tegnmonitorer producerer målinger, som ikke kan bruges af sundhedspersonale, fordi de sensorer, de bruger, ikke er kliniske, mens andre simpelthen ikke har mulighed for at måle RR nøjagtigt, fordi de ikke inkluderer BioZ-sensorer.
I denne designløsning demonstrerer vi en IC, der integrerer tre sensorer af klinisk kvalitet - PPG, EKG og BioZ i en enkelt pakke og viser, hvordan den kan designes i bryst- og håndledsbærbare tøj til måling af SpO2, HR, EKG og RR , mens den også leverer andre nyttige sundhedsrelaterede funktioner, herunder BIA, BIS, GSR og ICG. Ud over at blive brugt i wearables af klinisk kvalitet, er IC'en ideel til integration i smart beklædning for at give den type information, som høj- præstation atleter har brug for.
Andrew Burt er Executive Business Manager, Industrial and Healthcare Business Unit, Analog Devices
Indlægstid: Aug-05-2022