L’importanza dei segni vitali fisiologici come indicatori della salute umana è stata compresa da tempo dai professionisti medici, ma l’attuale pandemia di COVID-19 ha anche aumentato la consapevolezza pubblica della sua importanza.
Sfortunatamente, la maggior parte delle persone che si trovano sottoposte a monitoraggio continuo dei segni vitali potrebbero già trovarsi in un contesto clinico in cui sono in cura per una malattia acuta. Invece di utilizzare i segni vitali come indicatore dell’efficacia del trattamento della malattia e del recupero del paziente, il modello futuro di l’assistenza sanitaria utilizzerà il monitoraggio continuo e remoto dei segni vitali come strumento per identificare potenziali indicatori di insorgenza della malattia, consentendo ai medici di intervenire nello sviluppo di malattie gravi.La prima occasione prima.
Si prevede che la crescente integrazione di sensori di livello clinico consentirà alla fine lo sviluppo di cerotti sanitari monouso e indossabili per la salute dei segni vitali che possono essere regolarmente smaltiti e sostituiti, come le lenti a contatto.
Sebbene molti dispositivi indossabili per la salute e il fitness includano funzionalità di misurazione dei segni vitali, l'integrità delle loro letture può essere messa in dubbio per una serie di motivi, tra cui la qualità dei sensori utilizzati (la maggior parte non sono di grado clinico), dove sono installati e dove i sensori la qualità del contatto fisico mentre si indossa.
Sebbene questi dispositivi siano adeguati al desiderio degli operatori non sanitari di auto-osservazione casuale utilizzando un dispositivo indossabile comodo e confortevole, non sono adatti a professionisti medici qualificati per valutare adeguatamente la salute individuale ed effettuare diagnosi informate.
D'altra parte, i dispositivi attualmente utilizzati per fornire osservazioni dei segni vitali di livello clinico su intervalli di tempo più lunghi possono essere ingombranti e scomodi e avere vari gradi di portabilità. In questa soluzione progettuale, esaminiamo il significato clinico di quattro misurazioni dei segni vitali: sangue saturazione di ossigeno (SpO2), frequenza cardiaca (FC), elettrocardiogramma (ECG) e frequenza respiratoria (RR) e prendere in considerazione la possibilità di fornire letture cliniche del miglior tipo di sensore - Letture per ciascun grado.
I livelli di saturazione di ossigeno nel sangue negli individui sani sono generalmente intorno al 95-100%. Tuttavia, un livello di SpO2 pari al 93% o inferiore può indicare che un individuo sta vivendo distress respiratorio, come un sintomo comune nei pazienti con COVID-19, rendendolo un problema importante segno vitale per il monitoraggio regolare da parte dei professionisti medici. La fotopletismografia (PPG) è una tecnica di misurazione ottica che utilizza più emettitori LED per illuminare i vasi sanguigni sotto la superficie della pelle e un ricevitore fotodiodo per rilevare il segnale di luce riflessa per calcolare SpO2. Mentre è diventato una caratteristica comune di molti dispositivi indossabili da polso, il segnale luminoso PPG è suscettibile alle interferenze dovute ad artefatti di movimento e cambiamenti transitori nell'illuminazione ambientale, che possono portare a letture errate, il che significa che questi dispositivi non forniscono misurazioni di livello clinico. In un contesto clinico , la SpO2 viene misurata utilizzando un pulsossimetro da dito (Figura 2), solitamente collegato in modo continuo al dito di un paziente fermo. Sebbene esistano versioni portatili alimentate a batteria, sono adatte solo per effettuare misurazioni intermittenti.
Una frequenza cardiaca (HR) sana è generalmente considerata compresa tra 60 e 100 battiti al minuto, tuttavia, l'intervallo di tempo tra i singoli battiti cardiaci non è costante. Comunemente definita variabilità della frequenza cardiaca (HRV), ciò significa che la frequenza cardiaca è una media misurata su diversi cicli di battito cardiaco. Negli individui sani, la frequenza cardiaca e la frequenza del polso sono quasi le stesse, perché con ogni contrazione del muscolo cardiaco, il sangue viene pompato in tutto il corpo. Tuttavia, alcune gravi patologie cardiache possono causare la frequenza cardiaca e quella del polso differiscono.
Ad esempio, nelle aritmie come la fibrillazione atriale (Afib), non tutte le contrazioni muscolari del cuore pompano il sangue in tutto il corpo, ma il sangue si accumula nelle camere del cuore stesso, il che può essere pericoloso per la vita. La fibrillazione atriale può essere difficile da rilevare perché a volte si verifica in modo intermittente e solo per brevi intervalli.
Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità, la fibrillazione atriale provoca un ictus su quattro nelle persone di età superiore ai 40 anni, un fatto che dimostra l'importanza di essere in grado di rilevare e curare la malattia. Poiché i sensori PPG effettuano misurazioni ottiche con lo stesso presupposto di HR e frequenza del polso, non si può fare affidamento su di essi per rilevare la fibrillazione atriale. Ciò richiede registrazioni continue dell'attività elettrica del cuore - una rappresentazione grafica dei segnali elettrici del cuore chiamata elettrocardiogramma (ECG) - su lunghi intervalli di tempo.
I monitor Holter sono i dispositivi portatili di grado clinico più comuni utilizzati a questo scopo. Sebbene utilizzino meno elettrodi rispetto ai monitor ECG statici utilizzati in ambienti clinici, possono essere ingombranti e scomodi da indossare, soprattutto durante il sonno.
12-20 respiri al minuto è la frequenza respiratoria (RR) prevista per la maggior parte degli individui sani. Una frequenza RR superiore a 30 respiri al minuto può essere un indicatore di difficoltà respiratoria dovuta a febbre o altre cause. Mentre alcune soluzioni di dispositivi indossabili utilizzano accelerometro o PPG tecnologia per dedurre RR, le misurazioni RR di livello clinico vengono eseguite utilizzando le informazioni contenute nel segnale ECG o utilizzando un sensore di bioimpedenza (BioZ) che utilizza due sensori per caratterizzare l'impedenza elettrica della pelle. Uno o più elettrodi collegati al corpo del paziente.
Sebbene la funzionalità ECG approvata dalla FDA sia disponibile in alcuni dispositivi indossabili per salute e fitness di fascia alta, il rilevamento della bioimpedenza è una funzionalità che in genere non è disponibile perché richiede l'inclusione di un sensore IC BioZ separato. Oltre a RR, il sensore BioZ supporta la tecnologia bioelettrica Analisi di impedenza (BIA) e spettroscopia di impedenza bioelettrica (BIS), entrambe utilizzate per misurare i livelli compositivi di muscoli, grasso e acqua del corpo. Il sensore BioZ supporta anche l'elettrocardiografia di impedenza (ICG) e viene utilizzato per misurare la risposta galvanica della pelle ( GSR), che può essere un utile indicatore di stress.
La Figura 1 mostra un diagramma a blocchi funzionale di un IC AFE per segni vitali di livello clinico che integra la funzionalità di tre sensori separati (PPG, ECG e BioZ) in un unico pacchetto.
Figura 1 AFE per segni vitali di grado clinico 3 in 1 a bassissimo consumo MAX86178 (fonte: Analog Devices)
Il suo sistema di acquisizione dati ottico PPG a doppio canale supporta fino a 6 LED e 4 ingressi fotodiodi, con i LED programmabili tramite due driver LED a 8 bit ad alta corrente. Il percorso di ricezione ha due canali di lettura ad alta risoluzione e a basso rumore, ciascuno comprende ADC indipendenti a 20 bit e circuiti di cancellazione della luce ambientale, che forniscono oltre 90 dB di reiezione ambientale a 120 Hz. L'SNR del canale PPG arriva fino a 113 dB, supportando la misurazione SpO2 di soli 16 µA.
Il canale ECG è una catena di segnali completa che fornisce tutte le funzionalità chiave necessarie per raccogliere dati ECG di alta qualità, come guadagno flessibile, filtraggio critico, basso rumore, elevata impedenza di ingresso e opzioni multiple di polarizzazione delle derivazioni. Funzionalità aggiuntive come il recupero rapido , il rilevamento dei cavi CA e CC, il rilevamento dei cavi a potenza ultrabassa e l'azionamento della gamba destra consentono un funzionamento affidabile in applicazioni impegnative come i dispositivi indossati al polso con elettrodi asciutti. La catena del segnale analogico guida un ADC sigma-delta a 18 bit con un'ampia gamma di frequenze di campionamento in uscita selezionabili dall'utente.
I canali di ricezione BioZ sono dotati di filtraggio EMI e calibrazione estesa. I canali di ricezione BioZ sono inoltre dotati di elevata impedenza di ingresso, basso rumore, guadagno programmabile, opzioni di filtro passa-basso e passa-alto e ADC ad alta risoluzione. Esistono diverse modalità per generare stimoli di ingresso: corrente sorgente/sink bilanciata a onda quadra, corrente a onda sinusoidale e stimolazione di tensione a onda sinusoidale e a onda quadra. Sono disponibili diverse ampiezze e frequenze di stimolazione. Supporta anche applicazioni BIA, BIS, ICG e GSR.
I dati di temporizzazione FIFO consentono la sincronizzazione di tutti e tre i canali del sensore. Ospitato in un pacchetto wafer-level (WLP) 7 x 7 a 49 bump, l'IC AFE misura solo 2,6 mm x 2,8 mm, rendendolo ideale per la progettazione come dispositivo di livello clinico toppa indossabile sul petto (Figura 2).
Figura 2 Cerotto toracico con due elettrodi bagnati, che supporta BIA e RR/ICG continuo, ECG, SpO2 AFE (fonte: Analog Devices)
La Figura 3 illustra come questo AFE può essere progettato come dispositivo indossabile da polso per fornire BIA ed ECG su richiesta con HR, SpO2 ed EDA/GSR continui.
Figura 3: Dispositivo da polso con quattro elettrodi asciutti, che supporta BIA ed ECG, con HR, SpO2 e GSR AFE continui (fonte: Analog Devices)
SpO2, HR, ECG e RR sono importanti misurazioni dei segni vitali utilizzate dagli operatori sanitari a fini diagnostici. Il monitoraggio continuo dei segni vitali tramite dispositivi indossabili sarà una componente chiave dei futuri modelli sanitari, prevedendo l'insorgenza della malattia prima che compaiano i sintomi.
Molti dei monitor dei segni vitali attualmente disponibili producono misurazioni che non possono essere utilizzate dagli operatori sanitari perché i sensori che utilizzano non sono di grado clinico, mentre altri semplicemente non hanno la capacità di misurare accuratamente l’RR perché non includono sensori BioZ.
In questa soluzione di progettazione, mostriamo un IC che integra tre sensori di grado clinico: PPG, ECG e BioZ in un unico pacchetto e mostriamo come può essere progettato in dispositivi indossabili per torace e polso, per misurare SpO2, HR, ECG e RR , fornendo anche altre utili funzioni relative alla salute, tra cui BIA, BIS, GSR e ICG. Oltre a essere utilizzato in dispositivi indossabili di livello clinico, l'IC è ideale per l'integrazione nell'abbigliamento intelligente per fornire il tipo di informazioni che ad alta- le prestazioni di cui gli atleti hanno bisogno.
Andrew Burt è Direttore aziendale esecutivo, Business Unit industriale e sanitaria, Analog Devices
Orario di pubblicazione: 05-ago-2022