Klinisk grad av vitale tegn AFE for sykdomsdeteksjon

Betydningen av fysiologiske vitale tegn som indikatorer på menneskers helse har lenge vært forstått av medisinske fagfolk, men den nåværende COVID-19-pandemien har også økt offentlig bevissthet om viktigheten.
Dessverre kan de fleste som befinner seg under kontinuerlig overvåking av vitale tegn allerede være i en klinisk setting der de blir behandlet for akutt sykdom. I stedet for å bruke vitale tegn som en indikator på effektiviteten av sykdomsbehandling og gjenoppretting av pasienter, vil den fremtidige modellen av helsevesenet vil bruke kontinuerlig og fjernovervåking av vitale tegn som et verktøy for å identifisere potensielle indikatorer på sykdomsutbrudd, slik at klinikere kan gripe inn i utviklingen av alvorlig sykdom.Tidligste mulighet før.
Det er sett for seg at den økende integrasjonen av sensorer av klinisk kvalitet på sikt vil muliggjøre utviklingen av engangs, bærbare helsepletter for vitale tegn som regelmessig kan kastes og erstattes, for eksempel kontaktlinser.
Mens mange helse- og treningsklær inkluderer måling av vitale tegn, kan integriteten til avlesningene stilles spørsmål ved av en rekke årsaker, inkludert kvaliteten på sensorene som brukes (de fleste er ikke klinisk karakter), hvor de er installert og hvor sensorene kvaliteten på.Fysisk kontakt mens du har på deg.
Selv om disse enhetene er tilstrekkelige for ikke-helsepersonells ønske om tilfeldig selvobservasjon ved bruk av en praktisk og komfortabel bærbar enhet, er de ikke egnet for utdannet medisinsk fagpersonell til å vurdere individuell helse og stille informerte diagnoser.
På den annen side kan enheter som for tiden brukes til å gi kliniske observasjoner av vitale tegn over lengre tidsintervaller være store og ubehagelige, og ha varierende grad av portabilitet. I denne designløsningen vurderer vi den kliniske betydningen av fire vitale tegn-målinger – blod oksygenmetning (SpO2), hjertefrekvens (HR), elektrokardiogram (EKG) og respirasjonsfrekvens (RR) – og vurder å gi klinisk beste sensortype – avlesninger for hver klasse.
Oksygenmetningsnivåer i blodet hos friske individer er vanligvis rundt 95-100%. Et SpO2-nivå på 93 % eller lavere kan imidlertid indikere at en person opplever pustebesvær – for eksempel et vanlig symptom hos pasienter med COVID-19 – noe som gjør det til en viktig vitaltegn for regelmessig overvåking av medisinsk fagpersonell. Fotopletysmografi (PPG) er en optisk måleteknikk som bruker flere LED-emittere for å belyse blodårer under hudens overflate og en fotodiodemottaker for å oppdage det reflekterte lyssignalet for å beregne SpO2. Mens det har blitt PPG-lyssignalet er et vanlig trekk ved mange håndleddsbårne wearables, og er mottakelig for forstyrrelser fra bevegelsesartefakter og forbigående endringer i omgivelsesbelysningen, noe som kan føre til falske avlesninger, noe som betyr at disse enhetene ikke gir kliniske målinger. I kliniske omgivelser SpO2 måles ved hjelp av et fingerbåret pulsoksymeter (Figur 2), vanligvis kontinuerlig festet til en stasjonær pasients finger. Selv om batteridrevne bærbare versjoner finnes, er de kun egnet for å utføre intermitterende målinger.
En sunn hjertefrekvens (HR) anses generelt for å være i området 60-100 slag per minutt, men tidsintervallet mellom individuelle hjerteslag er ikke konstant. Vanligvis referert til som hjertefrekvensvariabilitet (HRV), betyr dette at hjertefrekvens er et gjennomsnitt målt over flere hjerteslagsykluser. Hos friske individer er hjertefrekvensen og pulsfrekvensen nesten den samme, fordi med hver sammentrekning av hjertemuskelen pumpes blod gjennom kroppen. Noen alvorlige hjertesykdommer kan imidlertid forårsake hjerte- og pulsfrekvenser vil variere.
For eksempel, ved arytmier som atrieflimmer (Afib), pumper ikke hver muskelsammentrekning i hjertet blod gjennom hele kroppen - i stedet samler det seg blod i selve hjertekamrene, noe som kan være livstruende. Atrieflimmer kan være vanskelig å oppdage fordi det noen ganger forekommer med jevne mellomrom og bare i korte korte intervaller.
Ifølge Verdens helseorganisasjon forårsaker Afib ett av fire slag hos personer over 40 år, et faktum som viser viktigheten av å kunne oppdage og behandle sykdommen. Siden PPG-sensorer gjør optiske målinger under samme forutsetning som HR og pulsfrekvens, kan de ikke stole på for å oppdage AF. Dette krever kontinuerlige registreringer av hjertets elektriske aktivitet - en grafisk representasjon av hjertets elektriske signaler kalt et elektrokardiogram (EKG) - over lange tidsintervaller.
Holter-monitorer er de vanligste bærbare enhetene av klinisk kvalitet som brukes til dette formålet. Selv om de bruker færre elektroder enn statiske EKG-monitorer som brukes i kliniske omgivelser, kan de være store og ubehagelige å ha på seg, spesielt mens de sover.
12-20 pust per minutt er forventet respirasjonsfrekvens (RR) for de fleste friske individer. En RR-rate over 30 pust per minutt kan være en indikator på pustebesvær på grunn av feber eller andre årsaker. Mens noen bærbare enheter bruker akselerometer eller PPG teknologi for å utlede RR, kliniske RR-målinger utføres ved hjelp av informasjonen i EKG-signalet eller ved hjelp av en bioimpedanssensor (BioZ) som bruker to sensorer for å karakterisere hudens elektriske impedans.En eller flere elektroder festet til pasientens kropp.
Mens FDA-godkjent EKG-funksjonalitet er tilgjengelig i noen avanserte helse- og treningsutstyr, er bioimpedansføling en funksjon som vanligvis ikke er tilgjengelig fordi den krever inkludering av en separat BioZ-sensor IC. I tillegg til RR støtter BioZ-sensoren Bioelektrisk Impedansanalyse (BIA) og bioelektrisk impedansspektroskopi (BIS), som begge brukes til å måle sammensetningsnivåene av kroppsmuskel, fett og vann. BioZ-sensoren støtter også impedanselektrokardiografi (ICG) og brukes til å måle galvanisk hudrespons ( GSR), som kan være en nyttig indikator på stress.
Figur 1 viser et funksjonelt blokkdiagram av en AFE IC for vitale tegn av klinisk kvalitet som integrerer funksjonaliteten til tre separate sensorer (PPG, EKG og BioZ) i en enkelt pakke.
Figur 1 MAX86178 ultra-laveffekt, 3-i-1 klinisk-grad vitale tegn AFE (Kilde: Analog Devices)
Dens tokanals PPG optiske datainnsamlingssystem støtter opptil 6 lysdioder og 4 fotodiodeinnganger, med lysdiodene programmerbare gjennom to høystrøms, 8-bits LED-drivere. Mottaksbanen har to lavstøy- og høyoppløselige avlesningskanaler, hver inkluderer uavhengige 20-bits ADC-er og kretser for kansellering av omgivelseslys, og gir over 90dB avvisning av omgivelsene ved 120Hz. SNR-verdien til PPG-kanalen er så høy som 113dB, og støtter SpO2-måling på kun 16µA.
EKG-kanalen er en komplett signalkjede som gir alle nøkkelfunksjonene som trengs for å samle inn EKG-data av høy kvalitet, som fleksibel forsterkning, kritisk filtrering, lav støy, høy inngangsimpedans og flere ledningsforspenningsalternativer. Ytterligere funksjoner som rask gjenoppretting , AC- og DC-ledningsdeteksjon, ultralavstrømsledningsdeteksjon og høyrebensdrift muliggjør robust drift i krevende applikasjoner som håndleddsbårne enheter med tørre elektroder. Den analoge signalkjeden driver en 18-bits sigma-delta ADC med et bredt spekter av brukervalgbare samplingsfrekvenser for utdata.
BioZ-mottakskanaler har EMI-filtrering og omfattende kalibrering. BioZ-mottakskanaler har også høy inngangsimpedans, lav støy, programmerbar forsterkning, lavpass- og høypassfilteralternativer og høyoppløselige ADC-er. Det er flere moduser for å generere inngangsstimuli: balansert firkantbølgekilde/synkestrøm, sinusbølgestrøm og sinusbølge- og firkantbølgespenningsstimulering. En rekke stimuleringsamplituder og frekvenser er tilgjengelige. Den støtter også BIA, BIS, ICG og GSR-applikasjoner.
FIFO-tidsdata gjør at alle tre sensorkanalene kan synkroniseres. Inneholdt i en 7 x 7 49-støts wafer-level-pakke (WLP), måler AFE IC kun 2,6 mm x 2,8 mm, noe som gjør den ideell for design som en klinisk klasse bærbar brystlapp (Figur 2).
Figur 2 Brystplaster med to våte elektroder, som støtter BIA og kontinuerlig RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (Kilde: Analog Devices)
Figur 3 illustrerer hvordan denne AFE kan utformes som en håndleddsbærbar wearable for å gi on-demand BIA og EKG med kontinuerlig HR, SpO2 og EDA/GSR.
Figur 3: Håndleddsbåret enhet med fire tørre elektroder, som støtter BIA og EKG, med kontinuerlig HR, SpO2 og GSR AFE (Kilde: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG og RR er viktige vitale tegnmålinger som brukes av helsepersonell til diagnostiske formål. Kontinuerlig overvåking av vitale tegn ved bruk av wearables vil være en nøkkelkomponent i fremtidige helsemodeller, og forutsi sykdomsdebut før symptomene vises.
Mange av de for øyeblikket tilgjengelige vitale tegnmonitorene produserer målinger som ikke kan brukes av helsepersonell fordi sensorene de bruker ikke er klinisk karakter, mens andre rett og slett ikke har evnen til å måle RR nøyaktig fordi de ikke inkluderer BioZ-sensorer.
I denne designløsningen demonstrerer vi en IC som integrerer tre sensorer av klinisk kvalitet - PPG, EKG og BioZ i en enkelt pakke og viser hvordan den kan designes i bryst- og håndleddsutstyr for å måle SpO2, HR, EKG og RR , samtidig som den gir andre nyttige helserelaterte funksjoner, inkludert BIA, BIS, GSR og ICG. I tillegg til å bli brukt i wearables av klinisk kvalitet, er IC ideell for integrering i smarte klær for å gi den typen informasjon som høy- ytelse idrettsutøvere trenger.
Andrew Burt er Executive Business Manager, Industrial and Healthcare Business Unit, Analog Devices