Het belang van fysiologische vitale functies als indicatoren voor de menselijke gezondheid wordt al lang door medische professionals begrepen, maar de huidige COVID-19-pandemie heeft ook het publieke bewustzijn van het belang ervan vergroot.
Helaas bevinden de meeste mensen die voortdurend worden gecontroleerd op vitale functies zich mogelijk al in een klinische omgeving waar ze worden behandeld voor een acute ziekte. In plaats van vitale functies te gebruiken als indicator voor de effectiviteit van de ziektebehandeling en het herstel van de patiënt, kan het toekomstige model van De gezondheidszorg zal continue en op afstand monitoren van vitale functies inzetten als instrument om potentiële indicatoren voor het begin van de ziekte te identificeren, waardoor artsen kunnen ingrijpen in de ontwikkeling van ernstige ziekten.De eerste mogelijkheid daarvoor.
Het is de bedoeling dat de toenemende integratie van sensoren van klinische kwaliteit uiteindelijk de ontwikkeling mogelijk zal maken van wegwerpbare, draagbare gezondheidspatches voor vitale functies die regelmatig kunnen worden weggegooid en vervangen, zoals contactlenzen.
Hoewel veel gezondheids- en fitnesswearables de mogelijkheid bieden om vitale functies te meten, kan de integriteit van de metingen om een aantal redenen in twijfel worden getrokken, waaronder de kwaliteit van de gebruikte sensoren (de meeste zijn niet van klinische kwaliteit), waar ze zijn geïnstalleerd en waar de sensoren zijn geïnstalleerd. de kwaliteit van. Fysiek contact tijdens het dragen.
Hoewel deze apparaten geschikt zijn voor de wens van niet-gezondheidsprofessionals voor informele zelfobservatie met behulp van een handig en comfortabel draagbaar apparaat, zijn ze niet geschikt voor opgeleide medische professionals om de individuele gezondheid goed te beoordelen en weloverwogen diagnoses te stellen.
Aan de andere kant kunnen apparaten die momenteel worden gebruikt voor klinische observaties van vitale functies over langere tijdsintervallen omvangrijk en ongemakkelijk zijn en in verschillende mate draagbaar zijn. In deze ontwerpoplossing bekijken we de klinische betekenis van vier metingen van vitale functies: bloed zuurstofsaturatie (SpO2), hartslag (HR), elektrocardiogram (ECG) en ademhalingsfrequentie (RR) – en overweeg om voor elke graad klinische beste sensortype-metingen te verstrekken.
Het zuurstofverzadigingsniveau in het bloed bij gezonde personen ligt gewoonlijk rond de 95-100%. Een SpO2-niveau van 93% of lager kan er echter op duiden dat een persoon ademhalingsproblemen ervaart – zoals een veel voorkomend symptoom bij patiënten met COVID-19 – waardoor het een belangrijke vitale functies voor regelmatige monitoring door medische professionals. Fotoplethysmografie (PPG) is een optische meettechniek die gebruik maakt van meerdere LED-zenders om de bloedvaten onder het huidoppervlak te verlichten en een fotodiode-ontvanger om het gereflecteerde lichtsignaal te detecteren om de SpO2 te berekenen. Hoewel het tegenwoordig zo is geworden Een gemeenschappelijk kenmerk van veel wearables die om de pols worden gedragen, is dat het PPG-lichtsignaal gevoelig is voor interferentie door bewegingsartefacten en voorbijgaande veranderingen in het omgevingslicht, wat kan leiden tot valse metingen, wat betekent dat deze apparaten geen metingen van klinische kwaliteit leveren. In een klinische omgeving SpO2 wordt gemeten met behulp van een op een vinger gedragen pulsoximeter (Figuur 2), die doorgaans continu aan de vinger van een stilstaande patiënt is bevestigd. Hoewel er draagbare versies met batterijvoeding bestaan, zijn deze alleen geschikt voor het uitvoeren van intermitterende metingen.
Over het algemeen wordt aangenomen dat een gezonde hartslag (HR) tussen de 60 en 100 slagen per minuut ligt, maar het tijdsinterval tussen individuele hartslagen is niet constant. Dit wordt gewoonlijk hartslagvariabiliteit (HRV) genoemd en betekent dat de De hartslag is een gemiddelde gemeten over verschillende hartslagcycli. Bij gezonde personen zijn de hartslag en de polsslag bijna hetzelfde, omdat bij elke samentrekking van de hartspier het bloed door het lichaam wordt gepompt. Sommige ernstige hartaandoeningen kunnen echter leiden tot hart- en hartslagfrequenties kunnen verschillen.
Bij aritmieën zoals atriale fibrillatie (Afib) pompt bijvoorbeeld niet elke spiersamentrekking in het hart het bloed door het lichaam. In plaats daarvan hoopt het bloed zich op in de kamers van het hart zelf, wat levensbedreigend kan zijn. Atriale fibrillatie kan moeilijk zijn. te detecteren omdat het soms met tussenpozen en slechts met korte tussenpozen voorkomt.
Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie veroorzaakt Afib één op de vier beroertes bij mensen ouder dan 40 jaar, een feit dat het belang aantoont van het kunnen opsporen en behandelen van de ziekte. Omdat PPG-sensoren optische metingen uitvoeren onder dezelfde aanname als HR en hartslag, er kan niet op worden vertrouwd om AF te detecteren. Hiervoor zijn continue registraties van de elektrische activiteit van het hart nodig - een grafische weergave van de elektrische signalen van het hart, een elektrocardiogram (ECG) genoemd - over lange tijdsintervallen.
Holtermonitoren zijn de meest voorkomende draagbare apparaten van klinische kwaliteit die voor dit doel worden gebruikt. Hoewel ze minder elektroden gebruiken dan statische ECG-monitoren die in klinische omgevingen worden gebruikt, kunnen ze omvangrijk en oncomfortabel zijn om te dragen, vooral tijdens het slapen.
12-20 ademhalingen per minuut is de verwachte ademhalingsfrequentie (RR) voor de meeste gezonde personen. Een RR-frequentie boven de 30 ademhalingen per minuut kan een indicator zijn van ademnood als gevolg van koorts of andere oorzaken. Terwijl sommige draagbare apparaatoplossingen een versnellingsmeter of PPG gebruiken technologie om RR af te leiden, worden RR-metingen van klinische kwaliteit uitgevoerd met behulp van informatie in het ECG-signaal of met behulp van een bio-impedantiesensor (BioZ) die twee sensoren gebruikt om de elektrische impedantie van de huid te karakteriseren. Een of meer elektroden die op het lichaam van de patiënt zijn bevestigd.
Hoewel door de FDA goedgekeurde ECG-functionaliteit beschikbaar is in sommige hoogwaardige gezondheids- en fitnesswearables, is bio-impedantiedetectie een functie die doorgaans niet beschikbaar is, omdat hiervoor een afzonderlijk BioZ-sensor-IC vereist is. Naast RR ondersteunt de BioZ-sensor bio-elektrische Impedantieanalyse (BIA) en bio-elektrische impedantiespectroscopie (BIS), die beide worden gebruikt om de samenstellingsniveaus van lichaamsspieren, vet en water te meten. De BioZ-sensor ondersteunt ook impedantie-elektrocardiografie (ICG) en wordt gebruikt om de galvanische huidreactie te meten ( GSR), wat een nuttige indicator voor stress kan zijn.
Figuur 1 toont een functioneel blokdiagram van een AFE IC voor vitale functies van klinische kwaliteit die de functionaliteit van drie afzonderlijke sensoren (PPG, ECG en BioZ) in één pakket integreert.
Figuur 1 MAX86178 ultra-laag vermogen, 3-in-1 AFE voor vitale functies van klinische kwaliteit (Bron: Analog Devices)
Het tweekanaals PPG optische data-acquisitiesysteem ondersteunt maximaal 6 LED's en 4 fotodiode-ingangen, waarbij de LED's programmeerbaar zijn via twee 8-bits LED-drivers met hoge stroomsterkte. Het ontvangstpad heeft twee uitleeskanalen met lage ruis en hoge resolutie, elk met onafhankelijke 20-bits ADC's en circuits voor het onderdrukken van omgevingslicht, die meer dan 90 dB omgevingsonderdrukking bieden bij 120 Hz. De SNR van het PPG-kanaal is maar liefst 113 dB en ondersteunt SpO2-metingen van slechts 16 µA.
Het ECG-kanaal is een complete signaalketen die alle belangrijke functies biedt die nodig zijn om ECG-gegevens van hoge kwaliteit te verzamelen, zoals flexibele versterking, kritische filtering, weinig ruis, hoge ingangsimpedantie en opties voor meerdere afleidingen. Extra functies zoals snel herstel , AC- en DC-leaddetectie, leaddetectie met ultralaag vermogen en rechterbeenaandrijving maken een robuuste werking mogelijk in veeleisende toepassingen, zoals apparaten die om de pols worden gedragen met droge elektroden. De analoge signaalketen drijft een 18-bits sigma-delta ADC aan met een groot bereik van door de gebruiker te selecteren output-samplefrequenties.
BioZ-ontvangstkanalen zijn voorzien van EMI-filtering en uitgebreide kalibratie. BioZ-ontvangstkanalen beschikken ook over een hoge ingangsimpedantie, weinig ruis, programmeerbare versterking, laagdoorlaat- en hoogdoorlaatfilteropties en ADC's met hoge resolutie. Er zijn verschillende modi voor het genereren van ingangsstimuli: gebalanceerde blokgolfbron/sinkstroom, sinusgolfstroom en sinusgolf- en blokgolfspanningsstimulatie. Er is een verscheidenheid aan stimulatieamplitudes en -frequenties beschikbaar. Het ondersteunt ook BIA-, BIS-, ICG- en GSR-toepassingen.
FIFO-timinggegevens maken het mogelijk dat alle drie de sensorkanalen worden gesynchroniseerd. De AFE IC is gehuisvest in een 7 x 7 49-bump wafer-level package (WLP) en meet slechts 2,6 mm x 2,8 mm, waardoor hij ideaal is voor ontwerp als klinische kwaliteit draagbare borstpleister (Figuur 2).
Figuur 2 Borstpleister met twee natte elektroden, die BIA en continue RR/ICG, ECG, SpO2 AFE ondersteunt (Bron: Analog Devices)
Figuur 3 illustreert hoe deze AFE kan worden ontworpen als een draagbaar apparaat dat om de pols wordt gedragen om on-demand BIA en ECG te bieden met continue hartslag, SpO2 en EDA/GSR.
Afbeelding 3: Apparaat om de pols gedragen met vier droge elektroden, ondersteunt BIA en ECG, met continue hartslag, SpO2 en GSR AFE (Bron: Analog Devices)
SpO2, HR, ECG en RR zijn belangrijke metingen van vitale functies die door professionals in de gezondheidszorg worden gebruikt voor diagnostische doeleinden. Continue monitoring van vitale functies met behulp van wearables zal een belangrijk onderdeel zijn van toekomstige gezondheidszorgmodellen, waarbij het begin van de ziekte wordt voorspeld voordat de symptomen verschijnen.
Veel van de momenteel beschikbare monitoren voor vitale functies produceren metingen die niet kunnen worden gebruikt door beroepsbeoefenaren in de gezondheidszorg, omdat de sensoren die zij gebruiken niet van klinische kwaliteit zijn, terwijl andere simpelweg niet in staat zijn om RR nauwkeurig te meten omdat ze geen BioZ-sensoren bevatten.
In deze ontwerpoplossing demonstreren we een IC die drie sensoren van klinische kwaliteit – PPG, ECG en BioZ – in één pakket integreert en laten we zien hoe deze kan worden ontworpen in wearables voor de borst en pols, om SpO2, HR, ECG en RR te meten , terwijl het ook andere nuttige gezondheidsgerelateerde functies biedt, waaronder BIA, BIS, GSR en ICG. De IC wordt niet alleen gebruikt in wearables van klinische kwaliteit, maar is ook ideaal voor integratie in slimme kleding om het soort informatie te leveren dat hoge prestatiesporters nodig hebben.
Andrew Burt is Executive Business Manager, industriële en gezondheidszorgdivisie, analoge apparaten
Posttijd: 05-aug-2022