Die Bedeutung physiologischer Vitalfunktionen als Indikatoren für die menschliche Gesundheit ist Medizinern seit langem bekannt, doch die aktuelle COVID-19-Pandemie hat auch das öffentliche Bewusstsein für ihre Bedeutung geschärft.
Leider befinden sich die meisten Menschen, die sich einer kontinuierlichen Vitalparameterüberwachung unterziehen, möglicherweise bereits in einem klinischen Umfeld, in dem sie wegen einer akuten Krankheit behandelt werden. Anstatt Vitalparameter als Indikator für die Wirksamkeit der Krankheitsbehandlung und die Genesung des Patienten zu verwenden, ist das Zukunftsmodell von Das Gesundheitswesen wird die kontinuierliche und ferngesteuerte Überwachung der Vitalfunktionen als Instrument einsetzen, um potenzielle Indikatoren für den Ausbruch einer Krankheit zu identifizieren und es Ärzten zu ermöglichen, in die Entwicklung schwerer Krankheiten einzugreifen.Die frühestmögliche Gelegenheit zuvor.
Man geht davon aus, dass die zunehmende Integration von Sensoren in klinischer Qualität letztendlich die Entwicklung tragbarer Einweg-Patches für die Vitalparameter-Gesundheit ermöglichen wird, die regelmäßig entsorgt und ersetzt werden können, wie zum Beispiel Kontaktlinsen.
Während viele Gesundheits- und Fitness-Wearables über Funktionen zur Messung von Vitalfunktionen verfügen, kann die Integrität ihrer Messwerte aus einer Reihe von Gründen in Frage gestellt werden, einschließlich der Qualität der verwendeten Sensoren (die meisten sind nicht von klinischer Qualität), dem Ort ihrer Installation und dem Ort der Sensoren die Qualität von.Körperlicher Kontakt beim Tragen.
Während diese Geräte dem Wunsch von Nicht-Gesundheitsfachkräften nach gelegentlicher Selbstbeobachtung mithilfe eines bequemen und komfortablen tragbaren Geräts gerecht werden, sind sie für ausgebildete medizinische Fachkräfte nicht geeignet, den individuellen Gesundheitszustand richtig zu beurteilen und fundierte Diagnosen zu stellen.
Andererseits können Geräte, die derzeit für die Beobachtung klinischer Vitalparameter über längere Zeiträume verwendet werden, sperrig und unbequem sein und unterschiedlich gut tragbar sein. In dieser Designlösung untersuchen wir die klinische Bedeutung von vier Vitalparametermessungen – Blut Sauerstoffsättigung (SpO2), Herzfrequenz (HF), Elektrokardiogramm (EKG) und Atemfrequenz (RR) – und erwägen Sie die Bereitstellung der klinisch besten Sensortyp-Messwerte für jeden Grad.
Die Sauerstoffsättigung im Blut liegt bei gesunden Personen normalerweise bei etwa 95–100 %. Ein SpO2-Wert von 93 % oder weniger kann jedoch darauf hindeuten, dass eine Person unter Atemnot leidet – wie ein häufiges Symptom bei Patienten mit COVID-19 wichtiges Vitalzeichen für die regelmäßige Überwachung durch medizinisches Fachpersonal. Die Photoplethysmographie (PPG) ist eine optische Messtechnik, bei der mehrere LED-Strahler zur Beleuchtung von Blutgefäßen unter der Hautoberfläche und ein Fotodiodenempfänger zum Erkennen des reflektierten Lichtsignals zur Berechnung von SpO2 verwendet werden Als gemeinsames Merkmal vieler am Handgelenk getragener Wearables ist das PPG-Lichtsignal anfällig für Störungen durch Bewegungsartefakte und vorübergehende Änderungen der Umgebungsbeleuchtung, die zu falschen Messwerten führen können, was bedeutet, dass diese Geräte keine Messungen in klinischer Qualität liefern. In einer klinischen Umgebung , SpO2 wird mit einem am Finger getragenen Pulsoximeter gemessen (Abbildung 2), das normalerweise kontinuierlich am Finger eines stationären Patienten befestigt wird. Es gibt zwar batteriebetriebene tragbare Versionen, diese eignen sich jedoch nur für intermittierende Messungen.
Eine gesunde Herzfrequenz (HR) liegt im Allgemeinen im Bereich von 60–100 Schlägen pro Minute, allerdings ist der Zeitabstand zwischen den einzelnen Herzschlägen nicht konstant. Im Allgemeinen wird dies als Herzfrequenzvariabilität (HRV) bezeichnet Die Herzfrequenz ist ein Durchschnitt, der über mehrere Herzschlagzyklen gemessen wird. Bei gesunden Personen sind Herzfrequenz und Pulsfrequenz nahezu gleich, da bei jeder Kontraktion des Herzmuskels Blut durch den Körper gepumpt wird. Es können jedoch einige schwerwiegende Herzerkrankungen auftreten Herz- und Pulsfrequenz können unterschiedlich sein.
Beispielsweise pumpt bei Herzrhythmusstörungen wie Vorhofflimmern (Afib) nicht jede Muskelkontraktion im Herzen Blut durch den Körper – stattdessen sammelt sich Blut in den Herzkammern selbst an, was lebensbedrohlich sein kann. Vorhofflimmern kann schwierig sein zu erkennen, da es manchmal intermittierend und nur für kurze Zeiträume auftritt.
Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation verursacht Vorhofflimmern jeden vierten Schlaganfall bei Menschen über 40 Jahren, eine Tatsache, die zeigt, wie wichtig es ist, die Krankheit erkennen und behandeln zu können. Da PPG-Sensoren optische Messungen unter der gleichen Annahme durchführen wie HR und B. der Pulsfrequenz, kann man sich nicht darauf verlassen, dass sie Vorhofflimmern erkennen. Dies erfordert kontinuierliche Aufzeichnungen der elektrischen Aktivität des Herzens – eine grafische Darstellung der elektrischen Signale des Herzens, die als Elektrokardiogramm (EKG) bezeichnet wird – über lange Zeitintervalle.
Holter-Monitore sind die am häufigsten für diesen Zweck verwendeten tragbaren Geräte in klinischer Qualität. Obwohl sie weniger Elektroden verwenden als statische EKG-Monitore, die in klinischen Umgebungen verwendet werden, können sie sperrig und unbequem zu tragen sein, insbesondere beim Schlafen.
12–20 Atemzüge pro Minute ist die erwartete Atemfrequenz (RR) für die meisten gesunden Personen. Eine RR-Rate über 30 Atemzüge pro Minute kann ein Hinweis auf Atemnot aufgrund von Fieber oder anderen Ursachen sein. Während einige tragbare Gerätelösungen Beschleunigungsmesser oder PPG verwenden Technologie zur Ableitung von RR. RR-Messungen in klinischer Qualität werden anhand der im EKG-Signal enthaltenen Informationen oder mithilfe eines Bioimpedanzsensors (BioZ) durchgeführt, der zwei Sensoren verwendet, um die elektrische Impedanz der Haut zu charakterisieren. Eine oder mehrere am Körper des Patienten angebrachte Elektroden.
Während die von der FDA zugelassene EKG-Funktionalität in einigen hochwertigen Gesundheits- und Fitness-Wearables verfügbar ist, ist die Bioimpedanzmessung eine Funktion, die normalerweise nicht verfügbar ist, da sie den Einbau eines separaten BioZ-Sensor-IC erfordert. Zusätzlich zu RR unterstützt der BioZ-Sensor Bioelektrik Impedanzanalyse (BIA) und bioelektrische Impedanzspektroskopie (BIS), die beide zur Messung der Zusammensetzung von Körpermuskeln, Fett und Wasser verwendet werden. Der BioZ-Sensor unterstützt auch die Impedanzelektrokardiographie (ICG) und wird zur Messung der galvanischen Hautreaktion verwendet ( GSR), was ein nützlicher Indikator für Stress sein kann.
Abbildung 1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines AFE-IC für Vitalparameter in klinischer Qualität, der die Funktionalität von drei separaten Sensoren (PPG, EKG und BioZ) in einem einzigen Paket integriert.
Abbildung 1 MAX86178, extrem energieeffizientes 3-in-1-Vitalparameter-AFE in klinischer Qualität (Quelle: Analog Devices)
Sein zweikanaliges optisches PPG-Datenerfassungssystem unterstützt bis zu 6 LEDs und 4 Fotodiodeneingänge, wobei die LEDs über zwei Hochstrom-8-Bit-LED-Treiber programmierbar sind. Der Empfangspfad verfügt über zwei rauscharme, hochauflösende Auslesekanäle, jeweils mit unabhängigen 20-Bit-ADCs und Umgebungslichtunterdrückungsschaltungen, die eine Umgebungsunterdrückung von über 90 dB bei 120 Hz bieten. Das SNR des PPG-Kanals beträgt bis zu 113 dB und unterstützt eine SpO2-Messung von nur 16 µA.
Der EKG-Kanal ist eine vollständige Signalkette, die alle wichtigen Funktionen bietet, die zur Erfassung hochwertiger EKG-Daten erforderlich sind, wie z. B. flexible Verstärkung, kritische Filterung, geringes Rauschen, hohe Eingangsimpedanz und mehrere Optionen für die Ableitungsvorspannung. Zusätzliche Funktionen wie schnelle Wiederherstellung , AC- und DC-Leitungserkennung, extrem stromsparende Leitungserkennung und Rechtsbeinantrieb ermöglichen einen robusten Betrieb in anspruchsvollen Anwendungen wie am Handgelenk getragenen Geräten mit Trockenelektroden. Die analoge Signalkette treibt einen 18-Bit-Sigma-Delta-ADC mit großem Bereich an vom Benutzer wählbaren Ausgabe-Abtastraten.
BioZ-Empfangskanäle verfügen über EMI-Filterung und umfassende Kalibrierung. BioZ-Empfangskanäle verfügen außerdem über eine hohe Eingangsimpedanz, geringes Rauschen, programmierbare Verstärkung, Tiefpass- und Hochpassfilteroptionen sowie hochauflösende ADCs. Es gibt mehrere Modi zur Erzeugung von Eingangsreizen: symmetrischer Rechteckwellen-Quelle/Senke-Strom, Sinuswellenstrom sowie Sinuswellen- und Rechteckwellenspannungsstimulation. Es stehen verschiedene Stimulationsamplituden und -frequenzen zur Verfügung. Es werden auch BIA-, BIS-, ICG- und GSR-Anwendungen unterstützt.
FIFO-Timing-Daten ermöglichen die Synchronisierung aller drei Sensorkanäle. Der AFE-IC ist in einem 7 x 7 49-Bump-Wafer-Level-Gehäuse (WLP) untergebracht und misst nur 2,6 mm x 2,8 mm, was ihn ideal für ein Design in klinischer Qualität macht tragbares Brustpflaster (Abbildung 2).
Abbildung 2 Brustpflaster mit zwei Nasselektroden, das BIA und kontinuierliches RR/ICG, EKG, SpO2 AFE unterstützt (Quelle: Analog Devices)
Abbildung 3 zeigt, wie dieses AFE als am Handgelenk getragenes Gerät konzipiert werden kann, um BIA und EKG auf Abruf mit kontinuierlicher Herzfrequenz, SpO2 und EDA/GSR bereitzustellen.
Abbildung 3: Am Handgelenk getragenes Gerät mit vier Trockenelektroden, das BIA und EKG unterstützt, mit kontinuierlicher HR-, SpO2- und GSR-AFE (Quelle: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG und RR sind wichtige Vitalparametermessungen, die von medizinischem Fachpersonal zu Diagnosezwecken verwendet werden. Die kontinuierliche Überwachung der Vitalparameter mithilfe von Wearables wird eine Schlüsselkomponente zukünftiger Gesundheitsmodelle sein und den Ausbruch einer Krankheit vorhersagen, bevor Symptome auftreten.
Viele der derzeit verfügbaren Vitalzeichenmonitore liefern Messungen, die von medizinischem Fachpersonal nicht verwendet werden können, da die von ihnen verwendeten Sensoren nicht von klinischer Qualität sind, während andere einfach nicht in der Lage sind, RR genau zu messen, weil sie keine BioZ-Sensoren enthalten.
In dieser Designlösung demonstrieren wir einen IC, der drei klinische Sensoren – PPG, EKG und BioZ – in einem einzigen Paket integriert und zeigen, wie er in Brust- und Handgelenk-Wearables integriert werden kann, um SpO2, HR, EKG und RR zu messen , und bietet darüber hinaus auch andere nützliche gesundheitsbezogene Funktionen, einschließlich BIA, BIS, GSR und ICG. Zusätzlich zur Verwendung in tragbaren Geräten für den klinischen Einsatz eignet sich der IC ideal für die Integration in intelligente Kleidung, um die Art von Informationen bereitzustellen, die hochentwickelte Geräte benötigen. Leistungssportler brauchen.
Andrew Burt ist Executive Business Manager, Industrie- und Gesundheitsgeschäftseinheit, Analog Devices
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 05.08.2022