रोग का पता लगाने के लिए क्लिनिकल ग्रेड वाइटल साइन्स एएफई

मानव स्वास्थ्य के संकेतक के रूप में शारीरिक महत्वपूर्ण संकेतों के महत्व को चिकित्सा पेशेवरों द्वारा लंबे समय से समझा गया है, लेकिन वर्तमान सीओवीआईडी ​​​​-19 महामारी ने इसके महत्व के बारे में सार्वजनिक जागरूकता भी बढ़ा दी है।
दुर्भाग्य से, अधिकांश लोग जो खुद को निरंतर महत्वपूर्ण संकेतों की निगरानी से गुजर रहे हैं, वे पहले से ही एक नैदानिक ​​​​सेटिंग में हैं जहां उनका गंभीर बीमारी के लिए इलाज किया जा रहा है। रोग उपचार और रोगी की वसूली की प्रभावशीलता के संकेतक के रूप में महत्वपूर्ण संकेतों का उपयोग करने के बजाय, भविष्य का मॉडल स्वास्थ्य सेवा रोग की शुरुआत के संभावित संकेतकों की पहचान करने के लिए एक उपकरण के रूप में निरंतर और दूरस्थ महत्वपूर्ण संकेत निगरानी का उपयोग करेगी, जिससे चिकित्सकों को गंभीर बीमारी के विकास में हस्तक्षेप करने की अनुमति मिलेगी।पहले सबसे पहला अवसर.
यह कल्पना की गई है कि क्लिनिकल-ग्रेड सेंसर का बढ़ता एकीकरण अंततः डिस्पोजेबल, पहनने योग्य महत्वपूर्ण संकेत स्वास्थ्य पैच के विकास को सक्षम करेगा जिन्हें नियमित रूप से निपटाया जा सकता है और संपर्क लेंस जैसे प्रतिस्थापित किया जा सकता है।
जबकि कई स्वास्थ्य और फिटनेस पहनने योग्य उपकरणों में महत्वपूर्ण संकेत माप क्षमताएं शामिल हैं, उनकी रीडिंग की अखंडता पर कई कारणों से सवाल उठाया जा सकता है, जिसमें उपयोग किए गए सेंसर की गुणवत्ता (अधिकांश क्लिनिकल ग्रेड नहीं हैं), वे कहां स्थापित हैं, और सेंसर कहां हैं पहनने के दौरान शारीरिक संपर्क की गुणवत्ता।
हालांकि ये उपकरण एक सुविधाजनक और आरामदायक पहनने योग्य उपकरण का उपयोग करके आकस्मिक आत्म-अवलोकन के लिए गैर-स्वास्थ्य पेशेवरों की इच्छा के लिए पर्याप्त हैं, लेकिन ये प्रशिक्षित चिकित्सा पेशेवरों के लिए व्यक्तिगत स्वास्थ्य का उचित आकलन करने और सूचित निदान करने के लिए उपयुक्त नहीं हैं।
दूसरी ओर, लंबे समय के अंतराल पर क्लिनिकल-ग्रेड महत्वपूर्ण संकेत अवलोकन प्रदान करने के लिए वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले उपकरण भारी और असुविधाजनक हो सकते हैं, और पोर्टेबिलिटी की अलग-अलग डिग्री हो सकती है। इस डिज़ाइन समाधान में, हम चार महत्वपूर्ण संकेत मापों के नैदानिक ​​महत्व की समीक्षा करते हैं - रक्त ऑक्सीजन संतृप्ति (SpO2), हृदय गति (HR), इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ECG), और श्वसन दर (RR) - और प्रत्येक ग्रेड के लिए नैदानिक ​​​​सर्वश्रेष्ठ सेंसर प्रकार - रीडिंग प्रदान करने पर विचार करें।
स्वस्थ व्यक्तियों में रक्त ऑक्सीजन संतृप्ति स्तर आमतौर पर लगभग 95-100% होता है। हालाँकि, 93% या उससे कम का SpO2 स्तर यह संकेत दे सकता है कि कोई व्यक्ति श्वसन संबंधी परेशानी का अनुभव कर रहा है - जैसे कि COVID-19 के रोगियों में एक सामान्य लक्षण - जिससे यह एक गंभीर समस्या बन जाता है। चिकित्सा पेशेवरों द्वारा नियमित निगरानी के लिए महत्वपूर्ण महत्वपूर्ण संकेत। फोटोप्लेथिस्मोग्राफी (पीपीजी) एक ऑप्टिकल माप तकनीक है जो त्वचा की सतह के नीचे रक्त वाहिकाओं को रोशन करने के लिए कई एलईडी उत्सर्जकों का उपयोग करती है और SpO2 की गणना करने के लिए परावर्तित प्रकाश संकेत का पता लगाने के लिए एक फोटोडायोड रिसीवर का उपयोग करती है। जबकि यह बन गया है कलाई में पहने जाने वाले कई पहनने योग्य उपकरणों की एक सामान्य विशेषता, पीपीजी लाइट सिग्नल गति कलाकृतियों और परिवेश प्रकाश में क्षणिक परिवर्तनों के हस्तक्षेप के प्रति संवेदनशील है, जिससे गलत रीडिंग हो सकती है, जिसका अर्थ है कि ये उपकरण क्लिनिकल-ग्रेड माप प्रदान नहीं करते हैं। क्लिनिकल सेटिंग में , SpO2 को उंगली में पहने जाने वाले पल्स ऑक्सीमीटर (चित्र 2) का उपयोग करके मापा जाता है, जो आमतौर पर स्थिर रोगी की उंगली से लगातार जुड़ा रहता है। जबकि बैटरी चालित पोर्टेबल संस्करण मौजूद हैं, वे केवल रुक-रुक कर माप करने के लिए उपयुक्त हैं।
एक स्वस्थ हृदय गति (एचआर) को आम तौर पर 60-100 बीट प्रति मिनट की सीमा में माना जाता है, हालांकि, व्यक्तिगत दिल की धड़कन के बीच का समय अंतराल स्थिर नहीं होता है। आमतौर पर इसे हृदय गति परिवर्तनशीलता (एचआरवी) के रूप में जाना जाता है, इसका मतलब है कि हृदय गति कई हृदय गति चक्रों में मापी गई औसत है। स्वस्थ व्यक्तियों में, हृदय गति और नाड़ी की दर लगभग समान होती है, क्योंकि हृदय की मांसपेशियों के प्रत्येक संकुचन के साथ, रक्त पूरे शरीर में पंप होता है। हालांकि, कुछ गंभीर हृदय स्थितियां पैदा कर सकती हैं हृदय और नाड़ी की गति भिन्न होना।
उदाहरण के लिए, एट्रियल फ़िब्रिलेशन (एफ़िब) जैसे अतालता में, हृदय में प्रत्येक मांसपेशी संकुचन पूरे शरीर में रक्त पंप नहीं करता है - इसके बजाय, रक्त हृदय के कक्षों में ही जमा हो जाता है, जो जीवन के लिए खतरा हो सकता है। एट्रियल फ़िब्रिलेशन मुश्किल हो सकता है पता लगाने के लिए क्योंकि यह कभी-कभी रुक-रुक कर और केवल थोड़े संक्षिप्त अंतराल के लिए होता है।
विश्व स्वास्थ्य संगठन के अनुसार, अफीब 40 वर्ष से अधिक उम्र के लोगों में चार में से एक स्ट्रोक का कारण बनता है, एक तथ्य जो बीमारी का पता लगाने और उसका इलाज करने में सक्षम होने के महत्व को दर्शाता है। चूंकि पीपीजी सेंसर एचआर और के समान धारणा के तहत ऑप्टिकल माप करते हैं। पल्स दर, एएफ का पता लगाने के लिए उन पर भरोसा नहीं किया जा सकता है। इसके लिए हृदय की विद्युत गतिविधि की निरंतर रिकॉर्डिंग की आवश्यकता होती है - हृदय के विद्युत संकेतों का एक ग्राफिकल प्रतिनिधित्व जिसे इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ईसीजी) कहा जाता है - लंबे समय के अंतराल पर।
होल्टर मॉनिटर इस उद्देश्य के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे आम क्लिनिकल ग्रेड पोर्टेबल डिवाइस हैं। हालांकि वे क्लिनिकल सेटिंग्स में उपयोग किए जाने वाले स्थिर ईसीजी मॉनिटर की तुलना में कम इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं, लेकिन वे भारी और पहनने में असुविधाजनक हो सकते हैं, खासकर सोते समय।
अधिकांश स्वस्थ व्यक्तियों के लिए प्रति मिनट 12-20 सांसें अपेक्षित श्वसन दर (आरआर) है। प्रति मिनट 30 सांसों से ऊपर की आरआर दर बुखार या अन्य कारणों से श्वसन संकट का संकेतक हो सकती है। जबकि कुछ पहनने योग्य डिवाइस समाधान एक्सेलेरोमीटर या पीपीजी का उपयोग करते हैं आरआर का अनुमान लगाने की तकनीक, क्लिनिकल-ग्रेड आरआर माप ईसीजी सिग्नल में निहित जानकारी का उपयोग करके या बायोइम्पेडेंस (बायोजेड) सेंसर का उपयोग करके किया जाता है जो त्वचा की विद्युत प्रतिबाधा को चिह्नित करने के लिए दो सेंसर का उपयोग करता है। रोगी के शरीर से जुड़े एक या अधिक इलेक्ट्रोड।
जबकि एफडीए-स्वीकृत ईसीजी कार्यक्षमता कुछ उच्च-स्तरीय स्वास्थ्य और फिटनेस पहनने योग्य उपकरणों में उपलब्ध है, बायोइम्पेडेंस सेंसिंग एक ऐसी सुविधा है जो आम तौर पर उपलब्ध नहीं है क्योंकि इसमें एक अलग बायोज़ेड सेंसर आईसी को शामिल करने की आवश्यकता होती है। आरआर के अलावा, बायोज़ेड सेंसर बायोइलेक्ट्रिकल का समर्थन करता है प्रतिबाधा विश्लेषण (बीआईए) और बायोइलेक्ट्रिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (बीआईएस), दोनों का उपयोग शरीर की मांसपेशियों, वसा और पानी के संरचनात्मक स्तर को मापने के लिए किया जाता है। बायोज़ सेंसर प्रतिबाधा इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफी (आईसीजी) का भी समर्थन करता है और गैल्वेनिक त्वचा प्रतिक्रिया को मापने के लिए उपयोग किया जाता है ( जीएसआर), जो तनाव का एक उपयोगी संकेतक हो सकता है।
चित्र 1 क्लिनिकल-ग्रेड महत्वपूर्ण संकेत एएफई आईसी का एक कार्यात्मक ब्लॉक आरेख दिखाता है जो तीन अलग-अलग सेंसर (पीपीजी, ईसीजी और बायोजेड) की कार्यक्षमता को एक ही पैकेज में एकीकृत करता है।
चित्र 1 MAX86178 अल्ट्रा-लो-पावर, 3-इन-1 क्लिनिकल-ग्रेड महत्वपूर्ण संकेत AFE (स्रोत: एनालॉग डिवाइसेस)
इसका डुअल-चैनल पीपीजी ऑप्टिकल डेटा अधिग्रहण सिस्टम 6 एलईडी और 4 फोटोडायोड इनपुट का समर्थन करता है, जिसमें एलईडी दो उच्च-वर्तमान, 8-बिट एलईडी ड्राइवरों के माध्यम से प्रोग्राम करने योग्य हैं। प्राप्त पथ में दो कम-शोर, उच्च-रिज़ॉल्यूशन रीडआउट चैनल हैं, प्रत्येक में स्वतंत्र 20-बिट एडीसी और परिवेश प्रकाश रद्दीकरण सर्किटरी शामिल है, जो 120 हर्ट्ज पर 90 डीबी से अधिक परिवेश अस्वीकृति प्रदान करता है। पीपीजी चैनल का एसएनआर 113 डीबी तक है, जो केवल 16μA के SpO2 माप का समर्थन करता है।
ईसीजी चैनल एक पूर्ण सिग्नल श्रृंखला है जो उच्च गुणवत्ता वाले ईसीजी डेटा को इकट्ठा करने के लिए आवश्यक सभी प्रमुख विशेषताएं प्रदान करता है, जैसे कि लचीला लाभ, महत्वपूर्ण फ़िल्टरिंग, कम शोर, उच्च इनपुट प्रतिबाधा और एकाधिक लीड पूर्वाग्रह विकल्प। अतिरिक्त सुविधाएं जैसे तेज़ रिकवरी , एसी और डीसी लीड डिटेक्शन, अल्ट्रा-लो पावर लीड डिटेक्शन और राइट लेग ड्राइव सूखी इलेक्ट्रोड के साथ कलाई में पहने जाने वाले उपकरणों जैसे मांग वाले अनुप्रयोगों में मजबूत संचालन को सक्षम बनाता है। एनालॉग सिग्नल श्रृंखला एक विस्तृत श्रृंखला के साथ 18-बिट सिग्मा-डेल्टा एडीसी चलाती है उपयोगकर्ता-चयन योग्य आउटपुट नमूना दरें।
बायोज़ प्राप्त चैनलों में ईएमआई फ़िल्टरिंग और व्यापक अंशांकन की सुविधा है। बायोज़ प्राप्त चैनलों में उच्च इनपुट प्रतिबाधा, कम शोर, प्रोग्रामयोग्य लाभ, कम-पास और उच्च-पास फ़िल्टर विकल्प और उच्च-रिज़ॉल्यूशन एडीसी भी शामिल हैं। इनपुट उत्तेजना उत्पन्न करने के लिए कई तरीके हैं: संतुलित वर्ग तरंग स्रोत/सिंक धारा, साइन तरंग धारा, और साइन तरंग और वर्ग तरंग वोल्टेज उत्तेजना। विभिन्न प्रकार के उत्तेजना आयाम और आवृत्तियाँ उपलब्ध हैं। यह बीआईए, बीआईएस, आईसीजी और जीएसआर अनुप्रयोगों का भी समर्थन करता है।
फीफो टाइमिंग डेटा सभी तीन सेंसर चैनलों को सिंक्रनाइज़ करने की अनुमति देता है। 7 x 7 49-बंप वेफर-लेवल पैकेज (डब्ल्यूएलपी) में स्थित, एएफई आईसी केवल 2.6 मिमी x 2.8 मिमी मापता है, जो इसे क्लिनिकल-ग्रेड के रूप में डिजाइन के लिए आदर्श बनाता है। पहनने योग्य छाती पैच (चित्रा 2)।
चित्र 2 दो गीले इलेक्ट्रोड के साथ चेस्ट पैच, BIA और निरंतर RR/ICG, ECG, SpO2 AFE को सपोर्ट करता है (स्रोत: एनालॉग डिवाइस)
चित्र 3 दिखाता है कि कैसे इस एएफई को कलाई पर पहनने योग्य पहनने योग्य के रूप में डिज़ाइन किया जा सकता है ताकि निरंतर एचआर, एसपीओ2 और ईडीए/जीएसआर के साथ ऑन-डिमांड बीआईए और ईसीजी प्रदान किया जा सके।
चित्र 3: चार सूखे इलेक्ट्रोड के साथ कलाई में पहना जाने वाला उपकरण, निरंतर एचआर, एसपीओ2 और जीएसआर एएफई के साथ बीआईए और ईसीजी का समर्थन करता है (स्रोत: एनालॉग डिवाइस)
SpO2, HR, ECG और RR नैदानिक ​​उद्देश्यों के लिए स्वास्थ्य देखभाल पेशेवरों द्वारा उपयोग किए जाने वाले महत्वपूर्ण महत्वपूर्ण संकेत माप हैं। पहनने योग्य उपकरणों का उपयोग करके निरंतर महत्वपूर्ण संकेतों की निगरानी भविष्य के स्वास्थ्य देखभाल मॉडल का एक प्रमुख घटक होगा, जो लक्षण प्रकट होने से पहले बीमारी की शुरुआत की भविष्यवाणी करेगा।
वर्तमान में उपलब्ध कई महत्वपूर्ण संकेत मॉनिटर ऐसे माप उत्पन्न करते हैं जिनका उपयोग स्वास्थ्य देखभाल पेशेवरों द्वारा नहीं किया जा सकता है क्योंकि वे जिन सेंसर का उपयोग करते हैं वे क्लिनिकल ग्रेड नहीं हैं, जबकि अन्य में आरआर को सटीक रूप से मापने की क्षमता नहीं है क्योंकि उनमें बायोज़ सेंसर शामिल नहीं हैं।
इस डिज़ाइन समाधान में, हम एक आईसी प्रदर्शित करते हैं जो तीन क्लिनिकल-ग्रेड सेंसर - पीपीजी, ईसीजी और बायोज़ को एक ही पैकेज में एकीकृत करता है और दिखाता है कि इसे एसपीओ2, एचआर, ईसीजी और आरआर को मापने के लिए छाती और कलाई में पहनने योग्य उपकरणों में कैसे डिज़ाइन किया जा सकता है। , जबकि बीआईए, बीआईएस, जीएसआर और आईसीजी सहित अन्य उपयोगी स्वास्थ्य-संबंधी कार्य भी प्रदान करता है। क्लिनिकल-ग्रेड पहनने योग्य वस्तुओं में उपयोग किए जाने के अलावा, आईसी उच्च प्रकार की जानकारी प्रदान करने के लिए स्मार्ट कपड़ों में एकीकरण के लिए आदर्श है- प्रदर्शन एथलीटों की जरूरत है।
एंड्रयू बर्ट औद्योगिक और हेल्थकेयर बिजनेस यूनिट, एनालॉग डिवाइसेस के कार्यकारी बिजनेस मैनेजर हैं