Medicinski stručnjaci odavno shvaćaju važnost fizioloških vitalnih znakova kao pokazatelja ljudskog zdravlja, no trenutna pandemija COVID-19 također je podigla svijest javnosti o njihovoj važnosti.
Nažalost, većina ljudi koji se nađu podvrgnuti kontinuiranom praćenju vitalnih znakova možda su već u kliničkom okruženju gdje se liječe od akutne bolesti. Umjesto korištenja vitalnih znakova kao pokazatelja učinkovitosti liječenja bolesti i oporavka pacijenta, budući model zdravstvo će koristiti kontinuirano i daljinsko praćenje vitalnih znakova kao alat za prepoznavanje potencijalnih pokazatelja početka bolesti, omogućujući kliničarima da interveniraju u razvoju teške bolesti.Najranija prilika prije.
Zamišljeno je da će sve veća integracija kliničkih senzora na kraju omogućiti razvoj jednokratnih, nosivih flastera za zdravlje vitalnih znakova koji se mogu redovito odlagati i mijenjati, poput kontaktnih leća.
Iako mnogi nosivi proizvodi za zdravlje i fitness uključuju mogućnosti mjerenja vitalnih znakova, integritet njihovih očitanja može se dovesti u pitanje iz niza razloga, uključujući kvalitetu upotrijebljenih senzora (većina nije kliničke kvalitete), gdje su ugrađeni i gdje senzori kvaliteta.Fizički kontakt tijekom nošenja.
Dok su ovi uređaji prikladni za želju nezdravstvenih stručnjaka za povremenim samopromatranjem pomoću prikladnog i udobnog nosivog uređaja, nisu prikladni za obučene medicinske stručnjake za pravilnu procjenu zdravlja pojedinca i postavljanje informiranih dijagnoza.
S druge strane, uređaji koji se trenutačno koriste za pružanje kliničkih promatranja vitalnih znakova tijekom duljih vremenskih intervala mogu biti glomazni i neudobni te imaju različite stupnjeve prenosivosti. U ovom dizajnerskom rješenju pregledavamo kliničku važnost četiriju mjerenja vitalnih znakova — krvi zasićenje kisikom (SpO2), broj otkucaja srca (HR), elektrokardiogram (EKG) i brzina disanja (RR)—i razmislite o pružanju kliničke najbolje vrste senzora - očitanja za svaki stupanj.
Razine zasićenosti krvi kisikom u zdravih osoba obično su oko 95-100%. Međutim, razina SpO2 od 93% ili niža može značiti da osoba doživljava respiratorni distres — kao što je uobičajeni simptom kod pacijenata s COVID-19 — što ga čini važan vitalni znak za redovito praćenje od strane medicinskih stručnjaka. Fotopletizmografija (PPG) je tehnika optičkog mjerenja koja koristi višestruke LED emitere za osvjetljavanje krvnih žila ispod površine kože i fotodiodni prijemnik za otkrivanje reflektiranog svjetlosnog signala za izračunavanje SpO2. Dok je postalo uobičajena značajka mnogih nosivih uređaja koji se nose na zapešću, svjetlosni signal PPG osjetljiv je na smetnje uzrokovane artefaktima kretanja i prolaznim promjenama u ambijentalnom osvjetljenju, što može dovesti do lažnih očitanja, što znači da ovi uređaji ne pružaju klinička mjerenja. U kliničkom okruženju , SpO2 se mjeri pomoću pulsnog oksimetra koji se nosi na prstu (Slika 2), obično stalno pričvršćenog za nepomični pacijentov prst. Iako postoje prijenosne verzije s baterijskim napajanjem, one su prikladne samo za povremena mjerenja.
Općenito se smatra da je zdrava brzina otkucaja srca (HR) u rasponu od 60-100 otkucaja u minuti, međutim, vremenski interval između pojedinačnih otkucaja srca nije konstantan. Obično se naziva varijabilnošću otkucaja srca (HRV), to znači da broj otkucaja srca je prosjek mjeren tijekom nekoliko ciklusa otkucaja srca. U zdravih osoba, broj otkucaja srca i puls gotovo su isti, jer sa svakom kontrakcijom srčanog mišića krv se pumpa cijelim tijelom. Međutim, neka ozbiljna srčana oboljenja mogu uzrokovati otkucaji srca i pulsa se razlikuju.
Na primjer, kod aritmija kao što je fibrilacija atrija (Afib), svaka mišićna kontrakcija u srcu ne pumpa krv po cijelom tijelu - umjesto toga, krv se nakuplja u komorama samog srca, što može biti opasno po život. Fibrilacija atrija može biti teška otkriti jer se ponekad javlja povremeno i samo u kratkim kratkim intervalima.
Prema Svjetskoj zdravstvenoj organizaciji, Afib uzrokuje jedan od četiri moždana udara kod osoba starijih od 40 godina, što je činjenica koja pokazuje važnost mogućnosti otkrivanja i liječenja bolesti. Budući da PPG senzori vrše optička mjerenja pod istom pretpostavkom kao HR i brzine pulsa, na njih se ne može pouzdati u otkrivanju AF-a. To zahtijeva kontinuirano snimanje električne aktivnosti srca -- grafički prikaz električnih signala srca koji se naziva elektrokardiogram (EKG) -- u dugim vremenskim intervalima.
Holterovi monitori najčešći su prijenosni uređaji kliničke razine koji se koriste u tu svrhu. Iako koriste manje elektroda nego statični EKG monitori koji se koriste u kliničkim okruženjima, mogu biti glomazni i neudobni za nošenje, osobito tijekom spavanja.
12-20 udisaja u minuti očekivana je respiratorna stopa (RR) za većinu zdravih pojedinaca. RR stopa iznad 30 udisaja u minuti može biti pokazatelj respiratornog distresa zbog vrućice ili drugih uzroka. Dok neka rješenja nosivih uređaja koriste akcelerometar ili PPG tehnologija za zaključivanje RR-a, mjerenja RR-a kliničkog stupnja provode se korištenjem informacija sadržanih u EKG signalu ili pomoću senzora bioimpedancije (BioZ) koji koristi dva senzora za karakterizaciju električne impedancije kože. Jedna ili više elektroda pričvršćenih na tijelo pacijenta.
Iako je funkcija EKG-a s odobrenjem FDA dostupna u nekim vrhunskim nosivim uređajima za zdravlje i fitness, senzor bioimpedancije je značajka koja obično nije dostupna jer zahtijeva uključivanje zasebnog BioZ senzora IC. Osim RR-a, BioZ senzor podržava bioelektrični Analiza impedancije (BIA) i spektroskopija bioelektrične impedancije (BIS), a obje se koriste za mjerenje sastavnih razina tjelesnih mišića, masti i vode. Senzor BioZ također podržava elektrokardiografiju impedancije (ICG) i koristi se za mjerenje galvanskog odgovora kože ( GSR), što može biti koristan pokazatelj stresa.
Slika 1 prikazuje funkcionalni blok dijagram AFE IC za vitalne znakove kliničke razine koji integrira funkcionalnost tri odvojena senzora (PPG, EKG i BioZ) u jedan paket.
Slika 1 MAX86178 ultra-niske snage, 3-u-1 kliničke razine vitalnih znakova AFE (Izvor: Analog Devices)
Njegov dvokanalni PPG optički sustav prikupljanja podataka podržava do 6 LED dioda i 4 ulaza za fotodiode, s LED diodama koje se mogu programirati kroz dva 8-bitna LED drajvera velike struje. Prijemni put ima dva kanala za očitavanje niske razine šuma i visoke razlučivosti, svaki uključuje neovisne 20-bitne ADC-ove i strujni krug za poništavanje ambijentalnog svjetla, pružajući preko 90 dB ambijentalnog odbijanja na 120 Hz. SNR PPG kanala je čak 113 dB, podržavajući mjerenje SpO2 od samo 16 µA.
EKG kanal je potpuni lanac signala koji pruža sve ključne značajke potrebne za prikupljanje visokokvalitetnih EKG podataka, kao što je fleksibilno pojačanje, kritično filtriranje, nizak šum, visoka ulazna impedancija i višestruke mogućnosti pristranosti odvoda. Dodatne značajke kao što je brzi oporavak , otkrivanje izmjeničnog i istosmjernog vodova, otkrivanje vodova ultra niske snage i pogon desne noge omogućuju robustan rad u zahtjevnim primjenama kao što su uređaji koji se nose na zapešću sa suhim elektrodama. Analogni signalni lanac pokreće 18-bitni sigma-delta ADC sa širokim rasponom izlaznih brzina uzorkovanja koje može odabrati korisnik.
BioZ prijemni kanali imaju EMI filtriranje i opsežnu kalibraciju. BioZ prijemni kanali također imaju visoku ulaznu impedanciju, nisku buku, programabilno pojačanje, opcije niskopropusnog i visokopropusnog filtera i ADC-ove visoke rezolucije. Postoji nekoliko načina za generiranje ulaznih podražaja: uravnotežena stimulacija pravokutnog vala izvora/ponora, struje sinusnog vala i naponske stimulacije sinusnog i kvadratnog vala. Dostupne su različite amplitude i frekvencije stimulacije. Također podržava BIA, BIS, ICG i GSR aplikacije.
FIFO vremenski podaci omogućuju sinkronizaciju sva tri senzorska kanala. Smješten u 7 x 7 49-bump wafer-level paketu (WLP), AFE IC ima samo 2,6 mm x 2,8 mm, što ga čini idealnim za dizajn kliničke razine nosivi flaster za prsa (slika 2).
Slika 2 Flaster na prsima s dvije mokre elektrode, podržava BIA i kontinuirani RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (Izvor: Analog Devices)
Slika 3 ilustrira kako se ovaj AFE može dizajnirati kao nosivi uređaj za nošenje na zapešću za pružanje BIA i EKG-a na zahtjev s kontinuiranim HR-om, SpO2 i EDA/GSR-om.
Slika 3: Uređaj koji se nosi na zapešću s četiri suhe elektrode, podržava BIA i EKG, s kontinuiranim HR, SpO2 i GSR AFE (Izvor: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG i RR važna su mjerenja vitalnih znakova koje koriste zdravstveni radnici u dijagnostičke svrhe. Kontinuirano praćenje vitalnih znakova pomoću nosivih uređaja bit će ključna komponenta budućih modela zdravstvene skrbi, predviđajući početak bolesti prije pojave simptoma.
Mnogi trenutno dostupni monitori vitalnih znakova proizvode mjerenja koja zdravstveni radnici ne mogu koristiti jer senzori koje koriste nisu kliničke razine, dok drugi jednostavno nemaju mogućnost preciznog mjerenja RR jer ne uključuju BioZ senzore.
U ovom dizajnerskom rješenju demonstriramo IC koji integrira tri klinička senzora - PPG, EKG i BioZ u jednom paketu i pokazujemo kako se može dizajnirati u nosivim uređajima za prsa i zapešće za mjerenje SpO2, HR, EKG i RR , dok također pruža druge korisne funkcije povezane sa zdravljem, uključujući BIA, BIS, GSR i ICG. Osim što se koristi u kliničkim nosivim uređajima, IC je idealan za integraciju u pametnu odjeću kako bi pružio vrstu informacija koje visoko- performanse koje sportaši trebaju.
Andrew Burt je izvršni poslovni direktor, poslovna jedinica za industriju i zdravstvo, Analog Devices
Vrijeme objave: 5. kolovoza 2022