Η σημασία των φυσιολογικών ζωτικών σημείων ως δεικτών της ανθρώπινης υγείας έχει γίνει κατανοητή από τους επαγγελματίες του ιατρικού τομέα, αλλά η τρέχουσα πανδημία COVID-19 έχει επίσης ευαισθητοποιήσει το κοινό για τη σημασία της.
Δυστυχώς, οι περισσότεροι άνθρωποι που βρίσκονται υπό συνεχή παρακολούθηση ζωτικών σημείων μπορεί ήδη να βρίσκονται σε κλινικό περιβάλλον όπου λαμβάνουν θεραπεία για οξεία νόσο. Αντί να χρησιμοποιούν τα ζωτικά σημεία ως δείκτη της αποτελεσματικότητας της θεραπείας της νόσου και της ανάρρωσης των ασθενών, το μελλοντικό μοντέλο Η υγειονομική περίθαλψη θα χρησιμοποιεί τη συνεχή και εξ αποστάσεως παρακολούθηση ζωτικών σημείων ως εργαλείο για τον εντοπισμό πιθανών δεικτών έναρξης της νόσου, επιτρέποντας στους κλινικούς ιατρούς να παρεμβαίνουν στην ανάπτυξη σοβαρής νόσου.Η πρώτη ευκαιρία πριν.
Οραματίζεται ότι η αυξανόμενη ενσωμάτωση αισθητήρων κλινικής ποιότητας θα επιτρέψει τελικά την ανάπτυξη μιας χρήσης, φορητά επιθέματα υγείας ζωτικών σημείων που μπορούν να απορρίπτονται και να αντικαθίστανται τακτικά, όπως οι φακοί επαφής.
Ενώ πολλά φορητά προϊόντα υγείας και φυσικής κατάστασης περιλαμβάνουν δυνατότητες μέτρησης ζωτικών σημείων, η ακεραιότητα των μετρήσεών τους μπορεί να αμφισβητηθεί για διάφορους λόγους, συμπεριλαμβανομένης της ποιότητας των αισθητήρων που χρησιμοποιούνται (οι περισσότεροι δεν είναι κλινικής ποιότητας), πού είναι εγκατεστημένοι και πού είναι οι αισθητήρες η ποιότητα του.Σωματική επαφή ενώ φοράτε.
Αν και αυτές οι συσκευές είναι επαρκείς για την επιθυμία των επαγγελματιών που δεν είναι επαγγελματίες υγείας για περιστασιακή αυτοπαρατήρηση χρησιμοποιώντας μια βολική και άνετη φορητή συσκευή, δεν είναι κατάλληλες για εκπαιδευμένους επαγγελματίες γιατρούς να αξιολογούν σωστά την ατομική υγεία και να κάνουν ενημερωμένες διαγνώσεις.
Από την άλλη πλευρά, οι συσκευές που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για την παροχή κλινικού βαθμού παρατήρησης ζωτικών σημείων σε μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα μπορεί να είναι ογκώδεις και άβολες και να έχουν διαφορετικούς βαθμούς φορητότητας. Σε αυτήν τη σχεδιαστική λύση, εξετάζουμε την κλινική σημασία τεσσάρων μετρήσεων ζωτικών σημείων - αίματος Κορεσμός οξυγόνου (SpO2), καρδιακός ρυθμός (HR), ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) και ρυθμός αναπνοής (RR)—και εξετάστε το ενδεχόμενο να παρέχετε κλινικό Βέλτιστο Τύπο αισθητήρα - Ενδείξεις για κάθε βαθμό.
Τα επίπεδα κορεσμού οξυγόνου στο αίμα σε υγιή άτομα είναι συνήθως περίπου 95-100%. Ωστόσο, ένα επίπεδο SpO2 93% ή χαμηλότερο μπορεί να υποδηλώνει ότι ένα άτομο αντιμετωπίζει αναπνευστική δυσχέρεια—όπως ένα κοινό σύμπτωμα σε ασθενείς με COVID-19—καθιστώντας το σημαντικό ζωτικό σημάδι για τακτική παρακολούθηση από ιατρούς. Η φωτοπληθυσμογραφία (PPG) είναι μια τεχνική οπτικής μέτρησης που χρησιμοποιεί πολλαπλούς εκπομπούς LED για να φωτίζει τα αιμοφόρα αγγεία κάτω από την επιφάνεια του δέρματος και έναν δέκτη φωτοδιόδων για την ανίχνευση του ανακλώμενου σήματος φωτός για τον υπολογισμό του SpO2. Ενώ έχει γίνει κοινό χαρακτηριστικό πολλών φορητών συσκευών που φοριούνται στον καρπό, το φωτεινό σήμα PPG είναι ευαίσθητο σε παρεμβολές από τεχνουργήματα κίνησης και παροδικές αλλαγές στον φωτισμό του περιβάλλοντος, που μπορεί να οδηγήσουν σε ψευδείς ενδείξεις, πράγμα που σημαίνει ότι αυτές οι συσκευές δεν παρέχουν μετρήσεις κλινικού βαθμού . Σε κλινικό περιβάλλον , Το SpO2 μετριέται χρησιμοποιώντας ένα παλμικό οξύμετρο που φοριέται με το δάχτυλο (Εικόνα 2), που συνήθως συνδέεται συνεχώς με το δάχτυλο ενός ακίνητου ασθενούς. Ενώ υπάρχουν φορητές εκδόσεις με μπαταρία, είναι κατάλληλες μόνο για διακοπτόμενες μετρήσεις.
Ένας υγιής καρδιακός ρυθμός (HR) θεωρείται γενικά ότι κυμαίνεται από 60-100 παλμούς ανά λεπτό, ωστόσο, το χρονικό διάστημα μεταξύ των μεμονωμένων καρδιακών παλμών δεν είναι σταθερό. Συνήθως αναφέρεται ως μεταβλητότητα καρδιακού ρυθμού (HRV), αυτό σημαίνει ότι Ο καρδιακός ρυθμός είναι ένας μέσος όρος που μετράται σε αρκετούς κύκλους καρδιακών παλμών. Σε υγιή άτομα, ο καρδιακός ρυθμός και ο σφυγμός είναι σχεδόν ο ίδιος, επειδή με κάθε σύσπαση του καρδιακού μυός, το αίμα αντλείται σε όλο το σώμα. Ωστόσο, ορισμένες σοβαρές καρδιακές παθήσεις μπορεί να προκαλέσουν οι καρδιακοί και οι σφυγμοί να διαφέρουν.
Για παράδειγμα, σε αρρυθμίες όπως η κολπική μαρμαρυγή (Afib), δεν αντλεί αίμα από κάθε μυϊκή σύσπαση στην καρδιά - αντίθετα, το αίμα συσσωρεύεται στους θαλάμους της ίδιας της καρδιάς, κάτι που μπορεί να είναι απειλητικό για τη ζωή. Η κολπική μαρμαρυγή μπορεί να είναι δύσκολη για ανίχνευση γιατί μερικές φορές εμφανίζεται κατά διαστήματα και μόνο για μικρά σύντομα διαστήματα.
Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας, το Afib προκαλεί ένα στα τέσσερα εγκεφαλικά σε άτομα ηλικίας άνω των 40 ετών, γεγονός που καταδεικνύει τη σημασία της δυνατότητας εντοπισμού και θεραπείας της νόσου. Δεδομένου ότι οι αισθητήρες PPG κάνουν οπτικές μετρήσεις με την ίδια υπόθεση με το HR και τη θεραπεία της νόσου. Ο ρυθμός παλμού, δεν μπορούμε να βασιστούμε σε αυτούς για την ανίχνευση AF. Αυτό απαιτεί συνεχείς καταγραφές της ηλεκτρικής δραστηριότητας της καρδιάς -- μια γραφική αναπαράσταση των ηλεκτρικών σημάτων της καρδιάς που ονομάζεται ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) -- σε μεγάλα χρονικά διαστήματα.
Οι οθόνες Holter είναι οι πιο κοινές φορητές συσκευές κλινικής ποιότητας που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό. Αν και χρησιμοποιούν λιγότερα ηλεκτρόδια από τις στατικές οθόνες ΗΚΓ που χρησιμοποιούνται σε κλινικές εγκαταστάσεις, μπορεί να είναι ογκώδεις και άβολα να φορεθούν, ειδικά κατά τον ύπνο.
12-20 αναπνοές ανά λεπτό είναι ο αναμενόμενος αναπνευστικός ρυθμός (RR) για τα περισσότερα υγιή άτομα. Ένας ρυθμός RR πάνω από 30 αναπνοές ανά λεπτό μπορεί να αποτελεί ένδειξη αναπνευστικής δυσχέρειας λόγω πυρετού ή άλλων αιτιών. Ενώ ορισμένες λύσεις φορητών συσκευών χρησιμοποιούν επιταχυνσιόμετρο ή PPG τεχνολογία για να συμπεράνουμε RR, οι μετρήσεις RR κλινικού βαθμού εκτελούνται χρησιμοποιώντας πληροφορίες που περιέχονται στο σήμα ΗΚΓ ή χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα βιοεμπέδησης (BioZ) που χρησιμοποιεί δύο αισθητήρες για να χαρακτηρίσει την ηλεκτρική αντίσταση του δέρματος. Ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια συνδέονται στο σώμα του ασθενούς.
Ενώ η λειτουργικότητα ΗΚΓ που έχει εκκαθαριστεί από το FDA είναι διαθέσιμη σε ορισμένα φορητά προϊόντα υγείας και φυσικής κατάστασης, η ανίχνευση βιοεμπέδησης είναι μια δυνατότητα που δεν είναι συνήθως διαθέσιμη επειδή απαιτεί τη συμπερίληψη ξεχωριστού IC αισθητήρα BioZ. Εκτός από το RR, ο αισθητήρας BioZ υποστηρίζει Βιοηλεκτρικό Ανάλυση σύνθετης αντίστασης (BIA) και φασματοσκοπία βιοηλεκτρικής σύνθετης αντίστασης (BIS), τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των επιπέδων σύνθεσης των μυών του σώματος, του λίπους και του νερού. Ο αισθητήρας BioZ υποστηρίζει επίσης ηλεκτροκαρδιογραφία σύνθετης αντίστασης (ICG) και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της γαλβανικής απόκρισης του δέρματος ( GSR), που μπορεί να είναι χρήσιμος δείκτης άγχους.
Το σχήμα 1 δείχνει ένα λειτουργικό μπλοκ διάγραμμα ενός κλινικού βαθμού ζωτικών σημείων AFE IC που ενσωματώνει τη λειτουργικότητα τριών ξεχωριστών αισθητήρων (PPG, ECG και BioZ) σε μια ενιαία συσκευασία.
Εικόνα 1 MAX86178 εξαιρετικά χαμηλής ισχύος, 3 σε 1 κλινικού βαθμού ζωτικά σημεία AFE (Πηγή: Αναλογικές συσκευές)
Το σύστημα λήψης οπτικών δεδομένων PPG δύο καναλιών υποστηρίζει έως και 6 LED και 4 εισόδους φωτοδιόδου, με τα LED να προγραμματίζονται μέσω δύο προγραμμάτων οδήγησης LED υψηλού ρεύματος, 8 bit. Η διαδρομή λήψης έχει δύο κανάλια ανάγνωσης χαμηλού θορύβου και υψηλής ανάλυσης. Το καθένα περιλαμβάνει ανεξάρτητους ADC 20-bit και κύκλωμα ακύρωσης φωτός περιβάλλοντος, παρέχοντας πάνω από 90dB απόρριψης περιβάλλοντος στα 120Hz. Το SNR του καναλιού PPG είναι τόσο υψηλό όσο 113dB, υποστηρίζοντας μέτρηση SpO2 μόνο 16μA.
Το κανάλι ΗΚΓ είναι μια πλήρης αλυσίδα σήματος που παρέχει όλα τα βασικά χαρακτηριστικά που απαιτούνται για τη συλλογή δεδομένων ΗΚΓ υψηλής ποιότητας, όπως ευέλικτο κέρδος, κρίσιμο φιλτράρισμα, χαμηλό θόρυβο, υψηλή αντίσταση εισόδου και πολλαπλές επιλογές μεροληψίας απαγωγών. Πρόσθετα χαρακτηριστικά, όπως γρήγορη ανάκτηση , η ανίχνευση ηλεκτροδίων εναλλασσόμενου ρεύματος και συνεχούς ρεύματος, η ανίχνευση ηλεκτροδίων εξαιρετικά χαμηλής ισχύος και η κίνηση στο δεξί πόδι επιτρέπουν τη στιβαρή λειτουργία σε απαιτητικές εφαρμογές, όπως συσκευές που φοριούνται στον καρπό με στεγνά ηλεκτρόδια. Η αλυσίδα αναλογικού σήματος οδηγεί ένα ADC σίγμα-δέλτα 18 bit με μεγάλη γκάμα ποσοστών δειγματοληψίας εξόδου που μπορεί να επιλέξει ο χρήστης.
Τα κανάλια λήψης BioZ διαθέτουν φιλτράρισμα EMI και εκτεταμένη βαθμονόμηση. Τα κανάλια λήψης BioZ διαθέτουν επίσης υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, χαμηλό θόρυβο, προγραμματιζόμενο κέρδος, επιλογές χαμηλοπερατού και υψιπερατού φίλτρου και ADC υψηλής ανάλυσης. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για τη δημιουργία ερεθισμάτων εισόδου: ισορροπημένο ρεύμα πηγής/βύθισης τετραγωνικού κύματος, ρεύμα ημιτονοειδούς κύματος και διέγερση τάσης ημιτονοειδούς και τετραγωνικού κύματος. Διατίθεται μια ποικιλία πλάτη και συχνότητες διέγερσης. Υποστηρίζει επίσης εφαρμογές BIA, BIS, ICG και GSR.
Τα δεδομένα χρονισμού FIFO επιτρέπουν τον συγχρονισμό και των τριών καναλιών αισθητήρων. Το IC AFE έχει διαστάσεις μόνο 2,6 χιλ. x 2,8 χλστ., το οποίο στεγάζεται σε ένα πακέτο 7 x 7 49 bump σε επίπεδο γκοφρέτας (WLP), καθιστώντας το ιδανικό για σχεδιασμό ως κλινικής ποιότητας φορέσιμο έμπλαστρο στήθους (Εικόνα 2).
Εικόνα 2 Έμπλαστρο στήθους με δύο υγρά ηλεκτρόδια, που υποστηρίζουν BIA και συνεχές RR/ICG, ECG, SpO2 AFE (Πηγή: Αναλογικές συσκευές)
Το σχήμα 3 δείχνει πώς αυτό το AFE μπορεί να σχεδιαστεί ως φορητό στον καρπό για να παρέχει BIA και ΗΚΓ κατά παραγγελία με συνεχή HR, SpO2 και EDA/GSR.
Εικόνα 3: Συσκευή που φοριέται στον καρπό με τέσσερα στεγνά ηλεκτρόδια, που υποστηρίζουν BIA και ECG, με συνεχή HR, SpO2 και GSR AFE (Πηγή: Αναλογικές συσκευές)
Το SpO2, το HR, το ECG και το RR είναι σημαντικές μετρήσεις ζωτικών σημείων που χρησιμοποιούνται από επαγγελματίες υγείας για διαγνωστικούς σκοπούς. Η συνεχής παρακολούθηση ζωτικών σημείων με χρήση φορητών συσκευών θα είναι βασικό συστατικό των μελλοντικών μοντέλων υγειονομικής περίθαλψης, προβλέποντας την έναρξη της νόσου πριν από την εμφάνιση των συμπτωμάτων.
Πολλές από τις επί του παρόντος διαθέσιμες οθόνες ζωτικών σημείων παράγουν μετρήσεις που δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν από επαγγελματίες υγείας επειδή οι αισθητήρες που χρησιμοποιούν δεν είναι κλινικού βαθμού, ενώ άλλοι απλώς δεν έχουν τη δυνατότητα να μετρήσουν με ακρίβεια το RR επειδή δεν περιλαμβάνουν αισθητήρες BioZ.
Σε αυτήν τη σχεδιαστική λύση, επιδεικνύουμε ένα IC που ενσωματώνει τρεις αισθητήρες κλινικής ποιότητας - PPG, ECG και BioZ σε μια ενιαία συσκευασία και δείχνουμε πώς μπορεί να σχεδιαστεί σε wearables στο στήθος και τον καρπό, για τη μέτρηση SpO2, HR, ECG και RR , ενώ παρέχει επίσης άλλες χρήσιμες λειτουργίες που σχετίζονται με την υγεία, όπως BIA, BIS, GSR και ICG. Εκτός από τη χρήση σε wearables κλινικής ποιότητας, το IC είναι ιδανικό για ενσωμάτωση σε έξυπνα ρούχα για να παρέχει τον τύπο πληροφοριών που απόδοση που χρειάζονται οι αθλητές.
Ο Andrew Burt είναι Executive Business Manager, Industrial and Healthcare Business Unit, Analog Devices
Ώρα δημοσίευσης: Αύγ-05-2022