질병 탐지를 위한 임상 등급 활력 징후 AFE

인체 건강의 지표로서 생리적 활력 징후의 중요성은 의료 전문가들에 의해 오랫동안 이해되어 왔지만, 현재의 코로나19 팬데믹으로 인해 그 중요성에 대한 대중의 인식도 높아졌습니다.
불행하게도 지속적인 활력 징후 모니터링을 받고 있는 대부분의 사람들은 이미 급성 질환 치료를 받고 있는 임상 환경에 있을 수 있습니다. 활력 징후를 질병 치료 및 환자 회복의 효과를 나타내는 지표로 사용하는 대신, 헬스케어에서는 질병 발병의 잠재적 지표를 식별하는 도구로 지속적이고 원격적인 생체 신호 모니터링을 사용하여 임상의가 심각한 질병의 발병에 개입할 수 있도록 할 것입니다.이전에 가장 빠른 기회입니다.
임상 등급 센서의 통합이 증가함에 따라 콘택트 렌즈와 같이 정기적으로 폐기 및 교체할 수 있는 일회용, 웨어러블 생체 신호 건강 패치의 개발이 가능해질 것으로 예상됩니다.
많은 건강 및 피트니스 웨어러블에는 생체 신호 측정 기능이 포함되어 있지만 사용된 센서의 품질(대부분 임상 등급이 아님), 센서가 설치된 위치, 센서가 설치된 위치 등 여러 가지 이유로 판독값의 무결성이 의문스러울 수 있습니다. 품질. 착용 중 신체 접촉.
이러한 장치는 편리하고 편안한 웨어러블 장치를 사용하여 일상적인 자가 관찰을 원하는 비의료 전문가의 욕구에는 적합하지만, 숙련된 의료 전문가가 개인의 건강을 적절하게 평가하고 정보에 입각한 진단을 내리는 데는 적합하지 않습니다.
반면, 현재 임상 수준의 활력징후 관찰을 더 긴 시간 간격으로 제공하는 데 사용되는 장치는 부피가 크고 불편할 수 있으며 휴대성도 다양합니다. 이 설계 솔루션에서 우리는 혈액의 4가지 활력징후 측정의 임상적 중요성을 검토합니다. 산소 포화도(SpO2), 심박수(HR), 심전도(ECG) 및 호흡수(RR)를 측정하고 각 등급에 대한 임상 최고의 센서 유형 - 판독값 제공을 고려합니다.
건강한 개인의 혈중 산소 포화도 수준은 일반적으로 약 95~100%입니다. 그러나 SpO2 수준이 93% 이하인 경우 개인이 호흡곤란(예: COVID-19 환자에게 흔히 나타나는 증상)을 겪고 있음을 나타낼 수 있습니다. 의료 전문가의 정기적인 모니터링을 위한 중요한 생체 신호입니다. 광용적맥파측정(PPG)은 여러 개의 LED 방출기를 사용하여 피부 표면 아래의 혈관을 조명하고 포토다이오드 수신기를 사용하여 반사된 빛 신호를 감지하여 SpO2를 계산하는 광학 측정 기술입니다. 손목에 착용하는 많은 웨어러블 기기의 일반적인 특징인 PPG 광 신호는 운동 인공물과 주변 조명의 일시적인 변화로 인한 간섭에 취약합니다. 이로 인해 판독 오류가 발생할 수 있습니다. 즉, 이러한 기기는 임상 등급 측정을 제공하지 않습니다. 임상 환경에서 , SpO2는 일반적으로 정지해 있는 환자의 손가락에 지속적으로 부착되는 손가락 착용 맥박 산소 측정기(그림 2)를 사용하여 측정됩니다. 배터리로 구동되는 휴대용 버전이 있지만 간헐적인 측정에만 적합합니다.
건강한 심박수(HR)는 일반적으로 분당 60~100회 범위로 간주되지만, 개별 심장 박동 사이의 시간 간격은 일정하지 않습니다. 일반적으로 심박수 변이도(HRV)라고 하며, 이는 심박수는 여러 심장 박동 주기에 걸쳐 측정된 평균입니다. 건강한 사람의 경우 심장 근육이 수축할 때마다 혈액이 몸 전체로 펌핑되기 때문에 심박수와 맥박수는 거의 같습니다. 그러나 일부 심각한 심장 질환은 다음을 유발할 수 있습니다. 심박수와 맥박수는 다릅니다.
예를 들어 심방세동(Afib)과 같은 부정맥의 경우 심장의 모든 근육 수축이 혈액을 몸 전체로 펌핑하는 것은 아닙니다. 대신 혈액이 심장 자체의 방에 축적되어 생명을 위협할 수 있습니다. 심방세동은 어려울 수 있습니다. 때때로 간헐적으로 발생하고 짧은 간격으로만 발생하기 때문에 감지합니다.
세계보건기구(WHO)에 따르면 Afib는 40세 이상 인구의 뇌졸중 4분의 1을 유발하며, 이는 질병을 감지하고 치료하는 능력의 중요성을 입증하는 사실입니다. PPG 센서는 HR과 동일한 가정하에 광학 측정을 수행하므로 심전도(ECG)라고 하는 심장의 전기 신호를 그래픽으로 표현한 심장의 전기 활동을 장기간에 걸쳐 지속적으로 기록해야 합니다.
홀터 모니터는 이러한 목적으로 사용되는 가장 일반적인 임상 등급 휴대용 장치입니다. 홀터 모니터는 임상 환경에서 사용되는 정적 ECG 모니터보다 더 적은 수의 전극을 사용하지만 부피가 크고 착용하기 불편할 수 있습니다(특히 수면 중에).
분당 12~20회 호흡은 대부분의 건강한 개인의 예상 호흡수(RR)입니다. 분당 30회 이상의 RR 속도는 발열이나 기타 원인으로 인한 호흡곤란을 나타낼 수 있습니다. 일부 웨어러블 장치 솔루션은 가속도계 또는 PPG를 사용하지만 RR을 추론하는 기술인 임상 등급 RR 측정은 ECG 신호에 포함된 정보를 사용하거나 두 개의 센서를 사용하여 피부의 전기 임피던스를 특성화하는 생체 임피던스(BioZ) 센서를 사용하여 수행됩니다. 하나 이상의 전극이 환자의 신체에 부착됩니다.
FDA 승인 ECG 기능은 일부 고급 건강 및 피트니스 웨어러블에서 사용할 수 있지만 생체 임피던스 감지는 별도의 BioZ 센서 IC를 포함해야 하기 때문에 일반적으로 사용할 수 없는 기능입니다. RR 외에도 BioZ 센서는 생체 전기를 지원합니다. 임피던스 분석(BIA) 및 생체전기 임피던스 분광학(BIS)은 둘 다 신체 근육, 지방 및 수분의 구성 수준을 측정하는 데 사용됩니다. BioZ 센서는 임피던스 심전도(ICG)도 지원하며 갈바닉 피부 반응을 측정하는 데 사용됩니다( GSR)은 스트레스의 유용한 지표가 될 수 있습니다.
그림 1은 세 가지 개별 센서(PPG, ECG 및 BioZ)의 기능을 단일 패키지에 통합한 임상 등급 활력 징후 AFE IC의 기능 블록 다이어그램을 보여줍니다.
그림 1 MAX86178 초저전력, 3-in-1 임상 등급 활력 징후 AFE(출처: Analog Devices)
듀얼 채널 PPG 광 데이터 수집 시스템은 최대 6개의 LED와 4개의 포토다이오드 입력을 지원하며, LED는 2개의 고전류, 8비트 LED 드라이버를 통해 프로그래밍 가능합니다. 수신 경로에는 2개의 저잡음, 고해상도 판독 채널이 있습니다. 각각은 독립적인 20비트 ADC 및 주변광 제거 회로를 포함하여 120Hz에서 90dB 이상의 주변 거부율을 제공합니다. PPG 채널의 SNR은 113dB에 달해 단 16μA의 SpO2 측정을 지원합니다.
ECG 채널은 유연한 이득, 중요한 필터링, 저잡음, 높은 입력 임피던스, 다중 리드 바이어스 옵션 등 고품질 ECG 데이터를 수집하는 데 필요한 모든 주요 기능을 제공하는 완전한 신호 체인입니다. 빠른 복구와 같은 추가 기능 , AC 및 DC 리드 감지, 초저전력 리드 감지 및 오른쪽 다리 드라이브를 통해 건식 전극이 있는 손목 착용 장치와 같은 까다로운 애플리케이션에서 강력한 작동이 가능합니다. 아날로그 신호 체인은 넓은 범위의 18비트 시그마-델타 ADC를 구동합니다. 사용자가 선택할 수 있는 출력 샘플 속도.
BioZ 수신 채널에는 EMI 필터링 및 광범위한 보정 기능이 있습니다. BioZ 수신 채널에는 높은 입력 임피던스, 낮은 잡음, 프로그래밍 가능한 이득, 저역 통과 및 고역 통과 필터 옵션, 고해상도 ADC 기능도 있습니다. 입력 자극 생성을 위한 여러 모드가 있습니다. 평형 구형파 소스/싱크 전류, 사인파 전류, 사인파 및 구형파 전압 자극. 다양한 자극 진폭 및 주파수를 사용할 수 있습니다. 또한 BIA, BIS, ICG 및 GSR 애플리케이션도 지원합니다.
FIFO 타이밍 데이터를 사용하면 세 센서 채널을 모두 동기화할 수 있습니다. 7 x 7 49범프 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)에 내장된 AFE IC는 크기가 2.6mm x 2.8mm에 불과하므로 임상 등급 설계에 이상적입니다. 착용 가능한 가슴 패치(그림 2).
그림 2 BIA 및 연속 RR/ICG, ECG, SpO2 AFE를 지원하는 2개의 습식 전극이 있는 흉부 패치(출처: Analog Devices)
그림 3은 이 AFE를 손목에 착용하는 웨어러블로 설계하여 지속적인 HR, SpO2 및 EDA/GSR을 갖춘 주문형 BIA 및 ECG를 제공하는 방법을 보여줍니다.
그림 3: BIA 및 ECG를 지원하고 지속적인 HR, SpO2 및 GSR AFE를 갖춘 4개의 건식 전극이 있는 손목 착용 장치(출처: Analog Devices)
SpO2, HR, ECG 및 RR은 의료 전문가가 진단 목적으로 사용하는 중요한 활력 징후 측정입니다. 웨어러블을 사용한 지속적인 활력 징후 모니터링은 증상이 나타나기 전에 질병 발병을 예측하는 미래 의료 모델의 핵심 구성 요소가 될 것입니다.
현재 사용 가능한 활력징후 모니터 중 다수는 사용하는 센서가 임상 등급이 아니기 때문에 의료 전문가가 사용할 수 없는 측정값을 생성하는 반면, 다른 것들은 BioZ 센서를 포함하지 않기 때문에 RR을 정확하게 측정할 수 없습니다.
이 설계 솔루션에서는 PPG, ECG 및 BioZ의 세 가지 임상 등급 센서를 단일 패키지에 통합하는 IC를 시연하고 SpO2, HR, ECG 및 RR을 측정하기 위해 흉부 및 손목 웨어러블에 설계할 수 있는 방법을 보여줍니다. BIA, BIS, GSR 및 ICG를 포함한 기타 유용한 건강 관련 기능도 제공합니다. 임상 등급 웨어러블에 사용되는 것 외에도 IC는 스마트 의류에 통합하여 높은 수준의 정보를 제공하는 데 이상적입니다. 운동선수에게 필요한 퍼포먼스.
Andrew Burt는 Analog Devices 산업 및 의료 사업부의 비즈니스 총괄 관리자입니다.