A fiziológiás életjelek fontosságát az emberi egészség indikátoraként az egészségügyi szakemberek régóta megértették, de a jelenlegi COVID-19 világjárvány is felhívta a közvélemény figyelmét ennek fontosságára.
Sajnálatos módon a legtöbb ember, aki folyamatos életjel-monitorozáson esik át, már olyan klinikai környezetben tartózkodik, ahol akut betegség miatt kezelik őket. Ahelyett, hogy az életjeleket a betegség kezelésének és a beteg gyógyulásának hatékonyságának mutatójaként használnák, a jövőbeli Az egészségügyi ellátás folyamatos és távoli életjel-monitoringot alkalmaz a betegség kialakulásának lehetséges mutatóinak azonosítására, lehetővé téve a klinikusok számára, hogy beavatkozhassanak a súlyos betegségek kialakulásába.A legkorábbi lehetőség előtt.
Az elképzelések szerint a klinikai minőségű érzékelők növekvő integrációja idővel lehetővé teszi olyan eldobható, hordható életjelekre vonatkozó egészségügyi tapaszok kifejlesztését, amelyek rendszeresen eldobhatók és cserélhetők, például kontaktlencsék.
Míg sok egészségügyi és fitnesz hordható eszköz rendelkezik életjelek mérési képességével, leolvasásaik sértetlensége számos okból megkérdőjelezhető, beleértve a használt érzékelők minőségét (a legtöbb nem klinikai minőségű), telepítési helyét és az érzékelők helyét. a minősége.Fizikai érintkezés viselés közben.
Noha ezek az eszközök megfelelnek a nem egészségügyi szakemberek azon vágyának, hogy alkalmi önmegfigyelést végezzenek kényelmes és kényelmes viselhető eszközzel, képzett egészségügyi szakemberek számára nem alkalmasak az egyéni egészségi állapot megfelelő felmérésére és megalapozott diagnózis felállítására.
Másrészt a jelenleg klinikai szintű életjel-megfigyelésre használt eszközök hosszabb időintervallumon keresztül terjedelmesek és kényelmetlenek lehetnek, és különböző fokú hordozhatóságuk van. Ebben a tervezési megoldásban négy életjelmérés – a vér – klinikai jelentőségét tekintjük át. oxigénszaturáció (SpO2), pulzusszám (HR), elektrokardiogram (EKG) és légzésfrekvencia (RR) – és fontolja meg a klinikai Legjobb Érzékelőtípus – Leolvasási értékek megadását minden fokozathoz.
Az egészséges egyének vér oxigéntelítettségi szintje általában 95-100%. A 93%-os vagy alacsonyabb SpO2-szint azonban azt jelezheti, hogy az egyén légzési nehézséget tapasztal – például a COVID-19-ben szenvedő betegeknél ez gyakori tünet –, ezért ez fontos létfontosságú jele az egészségügyi szakemberek általi rendszeres megfigyelésnek.A fotopletizmográfia (PPG) egy optikai mérési technika, amely több LED-sugárzót használ a bőr felszíne alatti erek megvilágítására, valamint egy fotodióda-vevőt a visszavert fényjel érzékelésére az SpO2 kiszámításához. sok csuklón hordható eszköz közös jellemzője, hogy a PPG fényjel érzékeny a mozgási műtermékek és a környezeti világítás átmeneti változásai által okozott interferenciára, ami téves leolvasásokhoz vezethet, ami azt jelenti, hogy ezek az eszközök nem biztosítanak klinikai minőségű méréseket. Klinikai környezetben , az SpO2 mérése ujjon viselhető pulzoximéterrel történik (2. ábra), amely általában folyamatosan egy álló beteg ujjához van rögzítve. Bár léteznek akkumulátoros hordozható változatok, ezek csak időszakos mérésekre alkalmasak.
Az egészséges pulzusszám (HR) általában 60-100 ütés/perc tartományba esik, azonban az egyes szívverések közötti időintervallum nem állandó. Szokásos szívritmus-variabilitásnak (HRV) nevezik, ez azt jelenti, hogy a pulzusszám több szívverési ciklus alatt mért átlag.Egészséges egyéneknél a pulzusszám és a pulzusszám közel azonos, mivel a szívizom minden egyes összehúzódásával vér pumpálódik az egész testben. Néhány súlyos szívbetegség azonban okozhat szív- és pulzusszám különbözik.
Például olyan szívritmuszavarok esetén, mint a pitvarfibrilláció (Afib), a szívben nem minden izomösszehúzódás pumpálja a vért az egész testben – ehelyett a vér magában a szív kamráiban halmozódik fel, ami életveszélyes lehet .A pitvarfibrilláció nehéz lehet. észlelni, mert néha időszakosan és csak rövid, rövid időközönként fordul elő.
Az Egészségügyi Világszervezet szerint az Afib minden negyedik agyvérzést okoz 40 év felettieknél, ami bizonyítja a betegség észlelésének és kezelésének fontosságát. Mivel a PPG érzékelők optikai méréseket végeznek ugyanazon a feltételezés alapján, mint a HR és pulzusszám, nem lehet rájuk támaszkodni az AF kimutatásában. Ehhez a szív elektromos aktivitásának folyamatos rögzítésére van szükség – a szív elektromos jeleinek grafikus ábrázolására, amelyet elektrokardiogramnak (EKG) neveznek – hosszú időintervallumon keresztül.
A Holter-monitorok a leggyakoribb klinikai minőségű hordozható eszközök, amelyeket erre a célra használnak. Noha kevesebb elektródát használnak, mint a klinikai környezetben használt statikus EKG-monitorok, terjedelmesek lehetnek, és kényelmetlenek lehetnek viselni, különösen alvás közben.
A legtöbb egészséges egyén esetében a 12-20 légzés/perc az elvárt légzésszám (RR). A percenkénti 30 légzésszám feletti légzési ráta a láz vagy más okok miatti légzési nehézség jelzése lehet. Míg egyes hordható eszközök megoldásai gyorsulásmérőt vagy PPG-t használnak technológia az RR kikövetkeztetésére, a klinikai minőségű RR méréseket az EKG-jelben található információk felhasználásával vagy egy bioimpedancia (BioZ) érzékelő segítségével végezzük, amely két érzékelőt használ a bőr elektromos impedanciájának jellemzésére.Egy vagy több elektróda a páciens testére erősítve.
Míg az FDA által jóváhagyott EKG funkciók elérhetők egyes csúcskategóriás egészségügyi és fitnesz-hordható eszközökben, a bioimpedancia érzékelés általában nem elérhető, mert külön BioZ érzékelő IC beépítését igényli. Az RR mellett a BioZ érzékelő támogatja a Bioelectrical technológiát is. Az impedanciaanalízis (BIA) és a bioelektromos impedancia spektroszkópia (BIS), mindkettő a test izomzatának, a zsírnak és a víznek a összetételi szintjének mérésére szolgál. A BioZ érzékelő támogatja az impedancia elektrokardiográfiát (ICG) is, és galvanikus bőrreakció mérésére szolgál ( GSR), amely a stressz hasznos indikátora lehet.
Az 1. ábra egy klinikai szintű vitális jelek AFE IC funkcionális blokkdiagramját mutatja, amely három különálló érzékelő (PPG, EKG és BioZ) funkcióit egyetlen csomagba integrálja.
1. ábra MAX86178 ultra-alacsony fogyasztású, 3 az 1-ben klinikai szintű életjelek AFE (Forrás: Analog Devices)
Kétcsatornás PPG optikai adatgyűjtő rendszere legfeljebb 6 LED-et és 4 fotodióda bemenetet támogat, a LED-ek pedig két nagyáramú, 8 bites LED-meghajtón keresztül programozhatók. A vételi útvonalon két alacsony zajszintű, nagy felbontású kiolvasási csatorna található, mindegyik független 20 bites ADC-ket és környezeti fényt kioltó áramkört tartalmaz, amely több mint 90 dB környezeti visszautasítást biztosít 120 Hz-en. A PPG csatorna SNR-je eléri a 113 dB-t, ami csak 16 µA SpO2 mérést tesz lehetővé.
Az EKG-csatorna egy teljes jellánc, amely biztosítja a kiváló minőségű EKG-adatok gyűjtéséhez szükséges összes kulcsfontosságú funkciót, mint például a rugalmas erősítést, a kritikus szűrést, az alacsony zajszintet, a nagy bemeneti impedanciát és a többszörös elvezetési előfeszítési lehetőségeket. További funkciók, mint például a gyors helyreállítás , AC és egyenáramú vezetékérzékelés, az ultraalacsony teljesítményű vezeték érzékelés és a jobb láb meghajtás robusztus működést tesz lehetővé olyan igényes alkalmazásokban, mint például a száraz elektródákkal ellátott csuklón hordható eszközök. Az analóg jellánc egy 18 bites szigma-delta ADC-t hajt meg széles tartományban a felhasználó által megválasztható kimeneti mintavételi frekvenciák.
A BioZ vevőcsatornák EMI-szűréssel és kiterjedt kalibrációval rendelkeznek. A BioZ vevőcsatornák magas bemeneti impedanciával, alacsony zajszinttel, programozható erősítéssel, aluláteresztő- és felüláteresztő szűrőkkel, valamint nagy felbontású ADC-kkel is rendelkeznek. Számos mód létezik a bemeneti ingerek generálására: kiegyensúlyozott négyzethullámú forrás/nyelő áram, szinuszos áram, valamint szinusz- és négyszöghullámú feszültségstimuláció. Számos stimulációs amplitúdó és frekvencia áll rendelkezésre. Támogatja a BIA, BIS, ICG és GSR alkalmazásokat is.
A FIFO időzítési adatok lehetővé teszik mindhárom szenzorcsatorna szinkronizálását. A 7 x 7-es 49 bump wafer-level-csomagban (WLP) található AFE IC mindössze 2,6 mm x 2,8 mm-es, így ideális klinikai szintű tervezéshez. hordható melltapasz (2. ábra).
2. ábra Mellkasi tapasz két nedves elektródával, amely támogatja a BIA-t és a folyamatos RR/ICG-t, EKG-t, SpO2 AFE-t (Forrás: Analog Devices)
A 3. ábra szemlélteti, hogyan tervezhető ez az AFE csuklón hordható eszközként, hogy igény szerinti BIA-t és EKG-t biztosítson folyamatos HR-rel, SpO2-vel és EDA/GSR-rel.
3. ábra: Csuklón hordható eszköz négy száraz elektródával, amely támogatja a BIA-t és az EKG-t, folyamatos HR-rel, SpO2-vel és GSR AFE-vel (Forrás: Analog Devices)
Az SpO2, a HR, az EKG és az RR fontos életjelmérések, amelyeket az egészségügyi szakemberek diagnosztikai célokra használnak. A hordható eszközökkel végzett folyamatos életjel-monitoring kulcsfontosságú eleme lesz a jövő egészségügyi modelljének, amely előre jelzi a betegség megjelenését a tünetek megjelenése előtt.
A jelenleg rendelkezésre álló életjel-monitorok közül sok olyan méréseket ad, amelyeket az egészségügyi szakemberek nem használhatnak, mivel az általuk használt érzékelők nem klinikai minőségűek, míg mások egyszerűen nem képesek pontosan mérni az RR-t, mivel nem tartalmaznak BioZ-érzékelőket.
Ebben a tervezési megoldásban bemutatunk egy olyan IC-t, amely három klinikai minőségű érzékelőt - PPG, EKG és BioZ - egyetlen csomagba integrál, és bemutatjuk, hogyan lehet mellkason és csuklón hordható eszközökké tervezni az SpO2, HR, EKG és RR mérésére. , miközben egyéb hasznos, egészséggel kapcsolatos funkciókat is biztosít, beleértve a BIA-t, a BIS-t, a GSR-t és az ICG-t. Amellett, hogy klinikai minőségű viselhető eszközökben használják, az IC ideális az intelligens ruházatba való integráláshoz, hogy olyan információkat biztosítson, amelyek teljesítmény sportolóknak szüksége van.
Andrew Burt az Analog Devices Ipari és Egészségügyi Üzletágának ügyvezető igazgatója
Feladás időpontja: 2022-05-05