病気検出のための臨床グレードのバイタルサイン AFE

人間の健康の指標としての生理学的バイタルサインの重要性は、医療専門家によって長い間理解されてきましたが、現在の新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより、その重要性に対する一般の認識も高まっています。
残念ながら、バイタルサインの継続的なモニタリングを受けている人のほとんどは、すでに急性疾患の治療を受けている臨床現場にいる可能性があります。病気の治療や患者の回復の有効性の指標としてバイタルサインを使用するのではなく、将来の医療モデルは、医療機関は、病気発症の潜在的な指標を特定するツールとして継続的かつ遠隔からのバイタルサインモニタリングを採用し、臨床医が重篤な病気の発症に介入できるようになります。一番早い機会です。
臨床グレードのセンサーの統合が進むことで、最終的にはコンタクトレンズなど、定期的に廃棄および交換できる使い捨てのウェアラブルバイタルサイン健康パッチの開発が可能になることが想定されています。
多くの健康およびフィットネスウェアラブルにはバイタルサイン測定機能が含まれていますが、使用されるセンサーの品質（ほとんどが臨床グレードではありません）、センサーの設置場所、センサーの場所など、さまざまな理由から測定値の完全性が疑問視される可能性があります。の品質。着用中の物理的接触。
これらのデバイスは、便利で快適なウェアラブルデバイスを使用して、医療専門家以外の人々が気軽に自己観察したいという欲求には十分対応できますが、訓練を受けた医療専門家が個人の健康状態を適切に評価し、情報に基づいた診断を行うには適していません。
一方で、臨床グレードのバイタルサイン観察を長期間にわたって提供するために現在使用されているデバイスは、かさばって不快であり、携帯性の程度もさまざまです。この設計ソリューションでは、血液という 4 つのバイタルサイン測定の臨床的重要性を検討しています。酸素飽和度 (SpO2)、心拍数 (HR)、心電図 (ECG)、呼吸数 (RR) を測定し、臨床的に最適なセンサー タイプ - 各グレードの測定値を提供することを検討してください。
健康な人の血中酸素飽和度は通常約 95 ～ 100% です。ただし、SpO2 レベルが 93% 以下の場合は、新型コロナウイルス感染症患者によく見られる症状などの呼吸困難を経験していることを示している可能性があります。医療専門家による定期的なモニタリングのための重要なバイタルサインです。光電容積脈波計 (PPG) は、複数の LED エミッターを使用して皮膚表面の下の血管を照射し、フォトダイオード レシーバーを使用して反射光信号を検出して SpO2 を計算する光学測定技術です。多くの手首装着型ウェアラブルの共通の特徴である PPG 光信号は、モーション アーティファクトや周囲照明の一時的な変化による干渉を受けやすく、誤った測定値につながる可能性があります。つまり、これらのデバイスは臨床グレードの測定を提供しません。 , SpO2 は、指に装着するパルスオキシメータ (図 2) を使用して測定され、通常は静止した患者の指に継続的に取り付けられます。バッテリ駆動のポータブル版も存在しますが、断続的な測定を行う場合にのみ適しています。
健康な心拍数 (HR) は、一般に 60 ～ 100 拍/分の範囲であると考えられていますが、個々の心拍間の時間間隔は一定ではありません。一般に心拍数変動 (HRV) と呼ばれ、これは、心拍数変動 (HRV) と呼ばれます。心拍数は、複数の心拍サイクルにわたって測定された平均です。健康な人では、心筋が収縮するたびに血液が全身に送り出されるため、心拍数と脈拍数はほぼ同じです。ただし、一部の重篤な心臓病によっては、心拍数と脈拍数が異なります。
たとえば、心房細動 (Afib) などの不整脈では、心臓のすべての筋肉の収縮が全身に血液を送り出すわけではありません。代わりに、血液が心臓自体の部屋に蓄積し、生命を脅かす可能性があります。心房細動は困難な場合があります。時々、断続的に、短い間隔でのみ発生するため、検出する必要があります。
世界保健機関によると、心房細動は 40 歳以上の人の 4 人に 1 人が脳卒中を引き起こしており、この事実はこの疾患を検出して治療できることが重要であることを示しています。PPG センサーは HR と同じ仮定に基づいて光学測定を行うため、そのためには、心臓の電気活動 (心電図 (ECG) と呼ばれる心臓の電気信号のグラフ表示) を長期間にわたって継続的に記録する必要があります。
ホルター心電計は、この目的で使用される最も一般的な臨床グレードのポータブル機器です。臨床現場で使用される静的 ECG モニターよりも使用する電極の数が少ない一方で、かさばり、特に睡眠中に着用するのが不快になる場合があります。
ほとんどの健康な人の予想される呼吸数 (RR) は、1 分あたり 12 ～ 20 呼吸です。RR 数が 1 分あたり 30 呼吸を超える場合は、発熱またはその他の原因による呼吸困難の指標である可能性があります。一部のウェアラブル デバイス ソリューションでは、加速度計または PPG が使用されています。 RR を推論する技術。臨床グレードの RR 測定は、ECG 信号に含まれる情報を使用するか、2 つのセンサーを使用して皮膚の電気インピーダンスを特徴付けるバイオインピーダンス (BioZ) センサーを使用して実行されます。患者の体に取り付けられた 1 つ以上の電極。
FDA の認可を受けた ECG 機能は、一部のハイエンドの健康およびフィットネス ウェアラブルで利用できますが、生体インピーダンス センシングは、別個の BioZ センサー IC を組み込む必要があるため、通常は利用できない機能です。BioZ センサーは、RR に加えて、生体電気信号をサポートしています。インピーダンス分析 (BIA) と生体電気インピーダンス分光法 (BIS) は、どちらも体の筋肉、脂肪、水分の組成レベルを測定するために使用されます。BioZ センサーはインピーダンス心電図 (ICG) もサポートしており、電気皮膚反応の測定に使用されます ( GSR)、これはストレスの有用な指標となる可能性があります。
図 1 は、3 つの個別のセンサー (PPG、ECG、および BioZ) の機能を 1 つのパッケージに統合した臨床グレードのバイタル サイン AFE IC の機能ブロック図を示しています。
図 1 MAX86178 超低電力、3-in-1 臨床グレードのバイタルサイン AFE (出典: Analog Devices)
デュアルチャネル PPG 光データ収集システムは、最大 6 つの LED と 4 つのフォトダイオード入力をサポートし、LED は 2 つの高電流 8 ビット LED ドライバを通じてプログラム可能です。受信パスには 2 つの低ノイズ、高解像度の読み出しチャネルがあり、それぞれに独立した 20 ビット ADC と周囲光キャンセル回路が含まれており、120Hz で 90dB 以上の周囲除去を実現します。PPG チャネルの SNR は 113dB と高く、わずか 16µA の SpO2 測定をサポートします。
ECG チャネルは、柔軟なゲイン、クリティカル フィルタリング、低ノイズ、高入力インピーダンス、複数のリード バイアス オプションなど、高品質の ECG データを収集するために必要なすべての主要な機能を提供する完全な信号チェーンです。高速リカバリなどの追加機能も備えています。 、AC および DC リード線検出、超低電力リード線検出、および右脚駆動により、ドライ電極を備えた手首装着型デバイスなどの要求の厳しいアプリケーションで堅牢な動作が可能になります。アナログ信号チェーンは、18 ビット シグマデルタ ADC を広範囲で駆動します。ユーザーが選択可能な出力サンプルレート。
BioZ 受信チャンネルは、EMI フィルタリングと広範なキャリブレーションを備えています。BioZ 受信チャンネルは、高入力インピーダンス、低ノイズ、プログラマブル ゲイン、ローパスおよびハイパス フィルター オプション、および高分解能 ADC も備えています。入力刺激を生成するには、いくつかのモードがあります。バランスの取れた方形波ソース/シンク電流、正弦波電流、正弦波と方形波の電圧刺激が可能です。さまざまな刺激振幅と周波数が利用可能です。また、BIA、BIS、ICG、GSR アプリケーションもサポートしています。
FIFO タイミング データにより、3 つのセンサー チャネルすべてを同期できます。7 x 7 49 バンプのウェーハレベル パッケージ (WLP) に収められた AFE IC の寸法はわずか 2.6 mm x 2.8 mm で、臨床グレードとしての設計に最適です。ウェアラブル胸パッチ (図 2)。
図 2 2 つの湿式電極を備えた胸部パッチ、BIA および連続 RR/ICG、ECG、SpO2 AFE をサポート (出典: Analog Devices)
図 3 は、この AFE が手首に装着するウェアラブルとしてどのように設計され、継続的な HR、SpO2、EDA/GSR によるオンデマンドの BIA および ECG を提供できるかを示しています。
図 3: 4 つのドライ電極を備えた手首装着型デバイス。BIA と ECG をサポートし、継続的な HR、SpO2、GSR AFE を実行します (出典: Analog Devices)
SpO2、HR、ECG、RR は、医療専門家が診断目的で使用する重要なバイタル サイン測定値です。ウェアラブルを使用した継続的なバイタル サイン モニタリングは、将来のヘルスケア モデルの重要な要素となり、症状が現れる前に病気の発症を予測します。
現在利用可能なバイタルサインモニターの多くは、使用するセンサーが臨床グレードではないため、医療専門家が使用できない測定値を生成します。また、BioZ センサーが含まれていないために単純に RR を正確に測定する機能を持たないものもあります。
この設計ソリューションでは、PPG、ECG、BioZ の 3 つの臨床グレードのセンサーを 1 つのパッケージに統合する IC を実証し、それを胸部および手首のウェアラブルに設計して SpO2、HR、ECG、および RR を測定する方法を示します。 、BIA、BIS、GSR、ICG などの他の便利な健康関連機能も提供します。IC は、臨床グレードのウェアラブルでの使用に加えて、スマート衣類に統合して高度な情報を提供するのに最適です。アスリートが必要とするパフォーマンス。
Andrew Burt 氏は、アナログ・デバイセズの産業およびヘルスケア ビジネス ユニットのエグゼクティブ ビジネス マネージャーです。