Lääkärit ovat jo pitkään ymmärtäneet fysiologisten elintoimintojen merkityksen ihmisten terveyden indikaattoreina, mutta nykyinen COVID-19-pandemia on myös lisännyt yleisön tietoisuutta sen merkityksestä.
Valitettavasti useimmat ihmiset, jotka joutuvat jatkuvaan elintoimintojen seurantaan, saattavat olla jo kliinisessä ympäristössä, jossa heitä hoidetaan akuutin sairauden vuoksi. Sen sijaan, että elintoimintoja käytettäisiin indikaattoreina sairauden hoidon ja potilaan toipumisen tehokkuudesta, tulevaisuuden malli terveydenhuollossa käytetään jatkuvaa ja etänä tapahtuvaa elintoimintojen seurantaa työkaluna tunnistaa mahdolliset indikaattorit taudin alkamisesta, jolloin lääkärit voivat puuttua vakavan sairauden kehittymiseen.Aikaisin mahdollisuus ennen.
On ajateltu, että kliinisen luokan antureiden lisääntyvä integrointi mahdollistaa kertakäyttöisten, puettavien elintoimintojen terveyslaastarien, kuten piilolinssien, kehittämisen, jotka voidaan säännöllisesti hävittää ja vaihtaa.
Vaikka monet puettavat terveys- ja kuntoiluvaatteet sisältävät elintoimintojen mittausominaisuudet, niiden lukemien eheys voidaan kyseenalaistaa useista syistä, kuten käytettyjen antureiden laadusta (useimmat eivät ole kliinisiä), mihin ne on asennettu ja missä anturit fyysinen kosketus päällä.
Vaikka nämä laitteet sopivat muiden kuin terveydenhuollon ammattilaisten toiveeseen satunnaiseen itsehavainnointiin käyttämällä kätevää ja mukavaa puettavaa laitetta, ne eivät sovellu koulutetuille lääketieteen ammattilaisille arvioimaan asianmukaisesti yksilön terveyttä ja tekemään tietoisia diagnooseja.
Toisaalta laitteet, joita tällä hetkellä käytetään kliinisen tason elintoimintojen havainnointiin pidemmillä aikaväleillä, voivat olla tilaa vieviä ja epämukavia, ja niiden siirrettävyys vaihtelee. Tässä suunnitteluratkaisussa tarkastelemme neljän elintoimintojen mittauksen – veren – kliinistä merkitystä. happisaturaatio (SpO2), syke (HR), EKG (EKG) ja hengitystaajuus (RR) – ja harkitse kliinisen parhaan anturityypin -lukemien antamista kullekin arvosanalle.
Veren happisaturaatiotasot terveillä yksilöillä ovat yleensä noin 95-100%. Kuitenkin SpO2-taso 93 % tai sitä alhaisempi voi viitata siihen, että henkilöllä on hengitysvaikeuksia – kuten yleinen oire COVID-19-potilailla –, mikä tekee siitä tärkeä elintärkeä merkki lääketieteen ammattilaisten säännölliselle valvonnalle.Photoplethysmography (PPG) on optinen mittaustekniikka, joka käyttää useita LED-säteilijöitä valaisemaan verisuonia ihon pinnan alla ja valodiodivastaanotinta tunnistamaan heijastuneen valosignaalin SpO2:n laskemiseksi. Vaikka siitä on tullut PPG-valosignaali on monien ranteessa käytettävien vaatteiden yhteinen piirre, ja se on herkkä liikkeen aiheuttamien artefaktien ja ympäristön valaistuksen ohimenevien muutosten aiheuttamille häiriöille, mikä voi johtaa vääriin lukemiin, mikä tarkoittaa, että nämä laitteet eivät tarjoa kliinisiä mittauksia. , SpO2 mitataan sormella pidettävällä pulssioksimetrillä (Kuva 2), joka on yleensä jatkuvasti kiinni paikallaan potilaan sormeen. Vaikka akkukäyttöisiä kannettavia versioita on olemassa, ne soveltuvat vain ajoittaiseen mittaukseen.
Terveen sykkeen (HR) katsotaan olevan yleensä välillä 60-100 lyöntiä minuutissa, mutta yksittäisten sykkeiden välinen aika ei ole vakio. Tätä kutsutaan yleisesti sykevaihteluksi (HRV), mikä tarkoittaa, että syke on useiden sykejaksojen keskiarvo. Terveillä yksilöillä syke ja pulssi ovat lähes samat, koska jokaisen sydänlihaksen supistumisen yhteydessä verta pumpataan koko kehoon. Jotkut vakavat sydänsairaudet voivat kuitenkin aiheuttaa syke ja syke vaihtelevat.
Esimerkiksi rytmihäiriöissä, kuten eteisvärinässä (Afib), jokainen sydämen lihassupistus ei pumppaa verta koko kehoon - sen sijaan veri kerääntyy itse sydämen kammioihin, mikä voi olla hengenvaarallista. Eteisvärinä voi olla vaikeaa. havaita, koska se tapahtuu joskus ajoittain ja vain lyhyinä lyhyinä väliajoina.
Maailman terveysjärjestön mukaan Afib aiheuttaa joka neljäs aivohalvaus yli 40-vuotiailla ihmisillä, mikä osoittaa taudin havaitsemisen ja hoitamisen tärkeyden. Koska PPG-anturit tekevät optisia mittauksia samalla oletuksella kuin HR- ja pulssitaajuutta, niihin ei voida luottaa AF:n havaitsemiseen. Tämä edellyttää jatkuvaa tallentamista sydämen sähköisistä aktiviteeteista – sydämen sähköisten signaalien graafisesta esityksestä, jota kutsutaan elektrokardiogrammiksi (EKG) – pitkien aikavälein.
Holterimonitorit ovat yleisimpiä tähän tarkoitukseen käytettäviä kliinisiä kannettavia laitteita. Vaikka ne käyttävät vähemmän elektrodeja kuin kliinisissä olosuhteissa käytetyt staattiset EKG-monitorit, ne voivat olla tilaa vieviä ja epämukavia käyttää erityisesti nukkuessa.
12–20 hengitystä minuutissa on odotettu hengitystiheys (RR) useimmille terveille henkilöille. Yli 30 hengitystä minuutissa voi olla osoitus kuumeesta tai muista syistä johtuvasta hengitysvaikeudesta. Vaikka joissakin puettavissa laiteratkaisuissa käytetään kiihtyvyysmittaria tai PPG:tä RR, kliinisen asteen RR-mittaukset suoritetaan käyttämällä EKG-signaalin sisältämiä tietoja tai käyttämällä bioimpedanssin (BioZ) anturia, joka käyttää kahta sensoria ihon sähköisen impedanssin karakterisointiin.Yksi tai useampi elektrodi kiinnitetty potilaan kehoon.
Vaikka FDA:n hyväksymä EKG-toiminto on saatavilla joissakin huippuluokan terveys- ja kuntolaitteissa, bioimpedanssin tunnistus ei ole tyypillisesti käytettävissä, koska se edellyttää erillisen BioZ-anturin IC:n sisällyttämistä. RR:n lisäksi BioZ-anturi tukee Bioelectricalia. Impedanssianalyysi (BIA) ja biosähköinen impedanssispektroskopia (BIS), joita molempia käytetään mittaamaan kehon lihasten, rasvan ja veden koostumustasoja. BioZ-anturi tukee myös impedanssisähkökardiografiaa (ICG) ja sitä käytetään galvaanisen ihovasteen mittaamiseen ( GSR), joka voi olla hyödyllinen stressin indikaattori.
Kuvassa 1 on toiminnallinen lohkokaavio kliinisen asteen elintoimintojen AFE IC:stä, joka yhdistää kolmen erillisen anturin (PPG, EKG ja BioZ) toiminnot yhdeksi paketiksi.
Kuva 1 MAX86178 erittäin pienitehoinen, 3-in-1 kliinisen asteen elintoimintojen AFE (lähde: Analog Devices)
Sen kaksikanavainen PPG-optinen tiedonkeruujärjestelmä tukee jopa 6 LEDiä ja 4 valodiodituloa, ja LEDit voidaan ohjelmoida kahdella suurvirtaisella 8-bittisellä LED-ohjaimella. Vastaanottoreitillä on kaksi hiljaista, korkearesoluutioista lukukanavaa, jokainen sisältää itsenäiset 20-bittiset ADC:t ja ympäristön valon vaimennuspiirit, jotka tarjoavat yli 90 dB ympäristön vaimennusta 120 Hz:llä. PPG-kanavan SNR on jopa 113 dB, mikä tukee vain 16 µA:n SpO2-mittausta.
EKG-kanava on täydellinen signaaliketju, joka tarjoaa kaikki keskeiset ominaisuudet, joita tarvitaan korkealaatuisten EKG-tietojen keräämiseen, kuten joustava vahvistus, kriittinen suodatus, pieni kohina, korkea tuloimpedanssi ja useita johtobias-vaihtoehtoja.Lisäominaisuudet, kuten nopea palautuminen , AC- ja DC-johdon tunnistus, erittäin pienitehoisen johdon tunnistus ja oikean jalan käyttö mahdollistavat kestävän toiminnan vaativissa sovelluksissa, kuten rannelaitteissa, joissa on kuivat elektrodit. Analoginen signaaliketju ohjaa 18-bittistä sigma-delta ADC:tä laajalla alueella käyttäjän valittavissa olevista näytetaajuuksista.
BioZ-vastaanottokanavissa on EMI-suodatus ja laaja kalibrointi. BioZ-vastaanottokanavissa on myös korkea tuloimpedanssi, alhainen kohina, ohjelmoitava vahvistus, ali- ja ylipäästösuodatinvaihtoehdot sekä korkearesoluutioiset ADC:t. Tuloärsykkeiden luomiseen on useita tiloja: tasapainotettu neliöaaltolähde/nieluvirta, siniaaltovirta sekä siniaalto- ja neliöaaltojännitestimulaatio. Saatavilla on useita erilaisia stimulaatioamplitudeja ja -taajuuksia. Se tukee myös BIA-, BIS-, ICG- ja GSR-sovelluksia.
FIFO-ajoitustiedot mahdollistavat kaikkien kolmen anturikanavan synkronoinnin. 7 x 7 49-bump wafer-level -pakkauksessa (WLP) sijaitseva AFE IC on kooltaan vain 2,6 mm x 2,8 mm, joten se sopii erinomaisesti kliinisen tason suunnitteluun. puettava rintalappu (kuva 2).
Kuva 2 Rintalappu, jossa on kaksi märkää elektrodia, jotka tukevat BIA:ta ja jatkuvaa RR/ICG:tä, EKG:tä, SpO2 AFE:ta (Lähde: Analog Devices)
Kuva 3 havainnollistaa, kuinka tämä AFE voidaan suunnitella ranteessa käytettäväksi, jotta se tarjoaa tarvittaessa BIA:n ja EKG:n jatkuvalla syke-, SpO2- ja EDA/GSR:llä.
Kuva 3: Ranteessa pidettävä laite, jossa on neljä kuivaa elektrodia, jotka tukevat BIA:ta ja EKG:tä, jatkuvalla HR:llä, SpO2:lla ja GSR AFE:llä (lähde: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG ja RR ovat tärkeitä elintoimintojen mittauksia, joita terveydenhuollon ammattilaiset käyttävät diagnostisiin tarkoituksiin. Jatkuva elintoimintojen seuranta puettavien laitteiden avulla on keskeinen osa tulevaisuuden terveydenhuollon malleja, jotka ennustavat sairauden alkamista ennen oireiden ilmaantumista.
Monet tällä hetkellä saatavilla olevista elintoimintomonitoreista tuottavat mittauksia, joita terveydenhuollon ammattilaiset eivät voi käyttää, koska heidän käyttämänsä anturit eivät ole kliinisiä, kun taas toisilla ei yksinkertaisesti ole kykyä mitata tarkasti RR:tä, koska ne eivät sisällä BioZ-antureita.
Tässä suunnitteluratkaisussa esittelemme IC:n, joka yhdistää kolme kliinisen anturia - PPG, EKG ja BioZ yhdeksi paketiksi ja näytämme, kuinka se voidaan suunnitella rintakehän ja ranteen puetettaviksi SpO2:n, HR:n, EKG:n ja RR:n mittaamiseksi. , mutta tarjoaa myös muita hyödyllisiä terveyteen liittyviä toimintoja, kuten BIA, BIS, GSR ja ICG. Sen lisäksi, että sitä käytetään kliinisissä puettavissa laitteissa, IC on ihanteellinen integroitavaksi älyvaatteisiin tarjoamaan sellaista tietoa, joka suorituskykyurheilijat tarvitsevat.
Andrew Burt on Analog Devices -liiketoimintayksikön teollisuus- ja terveydenhuollon liiketoimintayksikön johtaja
Postitusaika: 05.08.2022