L’importance des signes vitaux physiologiques en tant qu’indicateurs de la santé humaine est comprise depuis longtemps par les professionnels de la santé, mais la pandémie actuelle de COVID-19 a également sensibilisé le public à son importance.
Malheureusement, la plupart des personnes soumises à une surveillance continue de leurs signes vitaux se trouvent peut-être déjà dans un environnement clinique où elles sont traitées pour une maladie aiguë. Au lieu d'utiliser les signes vitaux comme indicateur de l'efficacité du traitement de la maladie et du rétablissement du patient, le futur modèle de les soins de santé utiliseront la surveillance continue et à distance des signes vitaux comme outil pour identifier les indicateurs potentiels de l'apparition de la maladie, permettant ainsi aux cliniciens d'intervenir dans le développement d'une maladie grave.La première opportunité avant.
Il est prévu que l'intégration croissante de capteurs de qualité clinique permettra à terme le développement de patchs de santé pour les signes vitaux jetables et portables qui peuvent être régulièrement jetés et remplacés, comme les lentilles de contact.
Bien que de nombreux appareils portables de santé et de remise en forme incluent des capacités de mesure des signes vitaux, l'intégrité de leurs lectures peut être remise en question pour un certain nombre de raisons, notamment la qualité des capteurs utilisés (la plupart ne sont pas de qualité clinique), l'endroit où ils sont installés et l'emplacement des capteurs. la qualité du contact physique lors du port.
Bien que ces appareils soient adaptés au désir des non-professionnels de la santé de s'auto-observer occasionnellement à l'aide d'un appareil portable pratique et confortable, ils ne conviennent pas aux professionnels de la santé formés pour évaluer correctement l'état de santé individuel et poser des diagnostics éclairés.
D'un autre côté, les appareils actuellement utilisés pour fournir des observations de signes vitaux de qualité clinique sur des intervalles de temps plus longs peuvent être encombrants et inconfortables, et avoir différents degrés de portabilité. Dans cette solution de conception, nous examinons la signification clinique de quatre mesures de signes vitaux : le sang saturation en oxygène (SpO2), fréquence cardiaque (FC), électrocardiogramme (ECG) et fréquence respiratoire (RR) et envisagez de fournir le meilleur type de capteur clinique - Lectures pour chaque grade.
Les niveaux de saturation en oxygène du sang chez les individus en bonne santé se situent généralement autour de 95 à 100 %. Cependant, un niveau de SpO2 de 93 % ou moins peut indiquer qu'un individu souffre de détresse respiratoire, comme un symptôme courant chez les patients atteints de COVID-19, ce qui en fait un problème. signe vital important pour une surveillance régulière par des professionnels de la santé. La photopléthysmographie (PPG) est une technique de mesure optique qui utilise plusieurs émetteurs LED pour éclairer les vaisseaux sanguins sous la surface de la peau et un récepteur à photodiode pour détecter le signal lumineux réfléchi afin de calculer la SpO2. caractéristique commune à de nombreux appareils portables portés au poignet, le signal lumineux PPG est sensible aux interférences dues aux artefacts de mouvement et aux changements transitoires de l'éclairage ambiant, ce qui peut conduire à de fausses lectures, ce qui signifie que ces appareils ne fournissent pas de mesures de qualité clinique. , la SpO2 est mesurée à l'aide d'un oxymètre de pouls porté au doigt (Figure 2), généralement fixé en continu au doigt d'un patient stationnaire. Bien qu'il existe des versions portables alimentées par batterie, elles ne conviennent que pour effectuer des mesures intermittentes.
Une fréquence cardiaque (FC) saine est généralement comprise entre 60 et 100 battements par minute. Cependant, l'intervalle de temps entre les battements cardiaques individuels n'est pas constant. Communément appelé variabilité de la fréquence cardiaque (VRC), cela signifie que la la fréquence cardiaque est une moyenne mesurée sur plusieurs cycles de battement cardiaque. Chez les individus en bonne santé, la fréquence cardiaque et le pouls sont presque les mêmes, car à chaque contraction du muscle cardiaque, le sang est pompé dans tout le corps. Cependant, certaines maladies cardiaques graves peuvent provoquer la fréquence cardiaque et le pouls diffèrent.
Par exemple, dans les arythmies telles que la fibrillation auriculaire (Afib), toutes les contractions musculaires du cœur ne pompent pas le sang dans tout le corps. Au lieu de cela, le sang s'accumule dans les cavités du cœur lui-même, ce qui peut mettre la vie en danger. La fibrillation auriculaire peut être difficile. à détecter car cela se produit parfois par intermittence et seulement pendant de courts intervalles.
Selon l'Organisation Mondiale de la Santé, l'Afib est à l'origine d'un accident vasculaire cérébral sur quatre chez les personnes de plus de 40 ans, ce qui démontre l'importance de pouvoir détecter et traiter la maladie. Étant donné que les capteurs PPG effectuent des mesures optiques selon la même hypothèse que la FC et fréquence du pouls, on ne peut pas s'y fier pour détecter la FA. Cela nécessite des enregistrements continus de l'activité électrique du cœur - une représentation graphique des signaux électriques du cœur appelée électrocardiogramme (ECG) - sur de longs intervalles de temps.
Les moniteurs Holter sont les appareils portables de qualité clinique les plus couramment utilisés à cette fin. Bien qu'ils utilisent moins d'électrodes que les moniteurs ECG statiques utilisés en milieu clinique, ils peuvent être encombrants et inconfortables à porter, en particulier pendant le sommeil.
12 à 20 respirations par minute est la fréquence respiratoire (RR) attendue pour la plupart des individus en bonne santé. Un taux de FR supérieur à 30 respirations par minute peut être un indicateur de détresse respiratoire due à la fièvre ou à d'autres causes. Bien que certaines solutions d'appareils portables utilisent un accéléromètre ou un PPG technologie pour déduire la RR, les mesures RR de qualité clinique sont effectuées à l'aide des informations contenues dans le signal ECG ou à l'aide d'un capteur de bioimpédance (BioZ) qui utilise deux capteurs pour caractériser l'impédance électrique de la peau. Une ou plusieurs électrodes fixées au corps du patient.
Bien que la fonctionnalité ECG approuvée par la FDA soit disponible dans certains appareils portables haut de gamme de santé et de remise en forme, la détection de bioimpédance est une fonctionnalité qui n'est généralement pas disponible car elle nécessite l'inclusion d'un circuit intégré de capteur BioZ séparé. En plus du RR, le capteur BioZ prend en charge les technologies bioélectriques. Analyse d'impédance (BIA) et spectroscopie d'impédance bioélectrique (BIS), toutes deux utilisées pour mesurer les niveaux de composition des muscles, de la graisse et de l'eau du corps. Le capteur BioZ prend également en charge l'électrocardiographie d'impédance (ICG) et est utilisé pour mesurer la réponse galvanique de la peau ( GSR), qui peut être un indicateur utile de stress.
La figure 1 montre un schéma fonctionnel d'un circuit intégré AFE de signes vitaux de qualité clinique qui intègre les fonctionnalités de trois capteurs distincts (PPG, ECG et BioZ) dans un seul boîtier.
Figure 1 MAX86178 AFE de signes vitaux 3-en-1 à très faible consommation d'énergie de qualité clinique (Source : Analog Devices)
Son système d'acquisition de données optiques PPG à double canal prend en charge jusqu'à 6 LED et 4 entrées de photodiode, les LED étant programmables via deux pilotes de LED 8 bits à courant élevé. Le chemin de réception dispose de deux canaux de lecture à faible bruit et haute résolution, chacun comprenant des CAN 20 bits indépendants et un circuit d'annulation de la lumière ambiante, fournissant plus de 90 dB de rejet ambiant à 120 Hz. Le SNR du canal PPG atteint 113 dB, prenant en charge la mesure de SpO2 de seulement 16 µA.
Le canal ECG est une chaîne de signaux complète qui fournit toutes les fonctionnalités clés nécessaires pour collecter des données ECG de haute qualité, telles qu'un gain flexible, un filtrage critique, un faible bruit, une impédance d'entrée élevée et plusieurs options de polarisation de dérivation. Des fonctionnalités supplémentaires telles qu'une récupération rapide , la détection des câbles AC et DC, la détection des câbles à très faible consommation et l'entraînement de la jambe droite permettent un fonctionnement robuste dans des applications exigeantes telles que les appareils portés au poignet avec des électrodes sèches. La chaîne de signaux analogiques pilote un CAN sigma-delta 18 bits avec une large plage. de fréquences d'échantillonnage de sortie sélectionnables par l'utilisateur.
Les canaux de réception BioZ disposent d'un filtrage EMI et d'un étalonnage approfondi. Les canaux de réception BioZ disposent également d'une impédance d'entrée élevée, d'un faible bruit, d'un gain programmable, d'options de filtre passe-bas et passe-haut et d'ADC haute résolution. Il existe plusieurs modes pour générer des stimuli d'entrée : Courant source/puits d'onde carrée équilibré, courant d'onde sinusoïdale et stimulation de tension d'onde sinusoïdale et d'onde carrée. Une variété d'amplitudes et de fréquences de stimulation sont disponibles. Il prend également en charge les applications BIA, BIS, ICG et GSR.
Les données de synchronisation FIFO permettent de synchroniser les trois canaux du capteur. Logé dans un boîtier WLP (wafer-level) 7 x 7 à 49 bosses, le circuit intégré AFE ne mesure que 2,6 mm x 2,8 mm, ce qui le rend idéal pour la conception en tant que circuit intégré de qualité clinique. patch thoracique portable (Figure 2).
Figure 2 Patch thoracique avec deux électrodes humides, prenant en charge BIA et RR/ICG continu, ECG, SpO2 AFE (Source : Analog Devices)
La figure 3 illustre comment cet AFE peut être conçu comme un appareil portable porté au poignet pour fournir un BIA et un ECG à la demande avec une fréquence cardiaque, une SpO2 et une EDA/GSR continues.
Figure 3 : Appareil porté au poignet avec quatre électrodes sèches, prenant en charge le BIA et l'ECG, avec FC, SpO2 et GSR AFE en continu (Source : Analog Devices)
La SpO2, la fréquence cardiaque, l'ECG et la RR sont des mesures importantes des signes vitaux utilisées par les professionnels de la santé à des fins de diagnostic. La surveillance continue des signes vitaux à l'aide de dispositifs portables sera un élément clé des futurs modèles de soins de santé, prédisant l'apparition de la maladie avant l'apparition des symptômes.
De nombreux moniteurs de signes vitaux actuellement disponibles produisent des mesures qui ne peuvent pas être utilisées par les professionnels de la santé car les capteurs qu'ils utilisent ne sont pas de qualité clinique, tandis que d'autres n'ont tout simplement pas la capacité de mesurer avec précision la RR car ils n'incluent pas de capteurs BioZ.
Dans cette solution de conception, nous démontrons un CI qui intègre trois capteurs de qualité clinique : PPG, ECG et BioZ dans un seul boîtier et montrons comment il peut être conçu dans des appareils portables sur la poitrine et le poignet, pour mesurer la SpO2, la FC, l'ECG et la RR. , tout en fournissant également d'autres fonctions utiles liées à la santé, notamment BIA, BIS, GSR et ICG. En plus d'être utilisé dans les appareils portables de qualité clinique, le CI est idéal pour être intégré dans des vêtements intelligents afin de fournir le type d'informations de haute qualité. les athlètes de performance ont besoin.
Andrew Burt est directeur commercial exécutif, unité commerciale industrielle et de santé, Analog Devices
Heure de publication : 05 août 2022