Znaczenie fizjologicznych parametrów życiowych jako wskaźników zdrowia ludzkiego od dawna jest rozumiane przez specjalistów w dziedzinie medycyny, ale obecna pandemia Covid-19 również zwiększyła świadomość społeczną na temat jego znaczenia.
Niestety, większość osób poddawanych ciągłemu monitorowaniu parametrów życiowych może już przebywać w warunkach klinicznych, gdzie są leczone z powodu ostrej choroby. Zamiast wykorzystywać parametry życiowe jako wskaźnik skuteczności leczenia choroby i powrotu do zdrowia pacjenta, przyszły model opieka zdrowotna będzie wykorzystywać ciągłe i zdalne monitorowanie parametrów życiowych jako narzędzie identyfikujące potencjalne wskaźniki początku choroby, umożliwiając klinicystom interwencję w rozwój ciężkiej choroby.Najwcześniejsza okazja wcześniej.
Przewiduje się, że rosnąca integracja czujników klasy klinicznej ostatecznie umożliwi opracowanie jednorazowych, nadających się do noszenia plastrów monitorujących parametry życiowe, które można regularnie wyrzucać i wymieniać, takich jak soczewki kontaktowe.
Chociaż wiele urządzeń do noszenia związanych ze zdrowiem i kondycją umożliwia pomiar parametrów życiowych, integralność ich odczytów może zostać zakwestionowana z wielu powodów, w tym z jakości zastosowanych czujników (większość nie jest klasy klinicznej), miejsca ich zainstalowania i miejsca, w którym czujniki jakość kontaktu fizycznego podczas noszenia.
Chociaż urządzenia te są wystarczające, aby zaspokoić potrzeby osób niebędących pracownikami służby zdrowia w zakresie swobodnej samoobserwacji przy użyciu wygodnego i wygodnego urządzenia do noszenia, nie są one odpowiednie dla przeszkolonych pracowników służby zdrowia, aby mogli właściwie oceniać indywidualny stan zdrowia i stawiać świadome diagnozy.
Z drugiej strony urządzenia stosowane obecnie do obserwacji parametrów życiowych na poziomie klinicznym w dłuższych odstępach czasu mogą być nieporęczne i niewygodne, a także mieć różny stopień przenośności. W tym rozwiązaniu projektowym sprawdzamy znaczenie kliniczne czterech pomiarów parametrów życiowych — krwi nasycenie tlenem (SpO2), tętno (HR), elektrokardiogram (EKG) i częstość oddechów (RR) – i rozważ podanie najlepszego klinicznego typu czujnika – odczytów dla każdej klasy.
Poziom nasycenia krwi tlenem u zdrowych osób wynosi zwykle około 95–100%. Jednakże poziom SpO2 wynoszący 93% lub niższy może wskazywać, że u danej osoby występują zaburzenia oddechowe – takie jak częsty objaw u pacjentów z Covid-19 – co czyni ją ważny parametr życiowy wymagający regularnego monitorowania przez personel medyczny. Fotopletyzmografia (PPG) to optyczna technika pomiaru, w której wykorzystuje się wiele emiterów LED do oświetlania naczyń krwionośnych pod powierzchnią skóry oraz odbiornik fotodiodowy do wykrywania odbitego sygnału świetlnego w celu obliczenia SpO2. wspólna cecha wielu urządzeń do noszenia na nadgarstku, sygnał świetlny PPG jest podatny na zakłócenia powodowane przez artefakty ruchowe i przejściowe zmiany w oświetleniu otoczenia, co może prowadzić do fałszywych odczytów, co oznacza, że urządzenia te nie zapewniają pomiarów na poziomie klinicznym. W warunkach klinicznych SpO2 mierzy się za pomocą pulsoksymetru zakładanego na palec (rysunek 2), zwykle przymocowanego na stałe do palca nieruchomego pacjenta. Chociaż istnieją przenośne wersje zasilane bateryjnie, nadają się one jedynie do wykonywania pomiarów sporadycznych.
Ogólnie uważa się, że prawidłowe tętno (HR) mieści się w przedziale 60–100 uderzeń na minutę, jednak odstęp czasu pomiędzy poszczególnymi uderzeniami serca nie jest stały. Powszechnie określana jako zmienność rytmu serca (HRV) oznacza, że częstość akcji serca jest średnią mierzoną w ciągu kilku cykli uderzeń serca. U zdrowych osób częstość akcji serca i tętno są prawie takie same, ponieważ przy każdym skurczu mięśnia sercowego krew pompowana jest po całym organizmie. Jednakże niektóre poważne choroby serca mogą powodować tętno i tętno są różne.
Na przykład w przypadku arytmii, takiej jak migotanie przedsionków (Afib), nie każdy skurcz mięśnia serca pompuje krew po całym organizmie – zamiast tego krew gromadzi się w komorach samego serca, co może zagrażać życiu. Migotanie przedsionków może być trudne wykryć, ponieważ czasami występuje sporadycznie i tylko w krótkich odstępach czasu.
Według Światowej Organizacji Zdrowia Afib powoduje jeden na cztery udary u osób w wieku powyżej 40 lat, co pokazuje, jak ważne jest wykrywanie i leczenie tej choroby. Ponieważ czujniki PPG dokonują pomiarów optycznych przy tym samym założeniu co HR i HR tętna, nie można na nich polegać w wykrywaniu AF. Wymaga to ciągłego rejestrowania aktywności elektrycznej serca – graficznej reprezentacji sygnałów elektrycznych serca zwanej elektrokardiogramem (EKG) – w długich odstępach czasu.
Najpopularniejszymi urządzeniami przenośnymi klasy klinicznej używanymi w tym celu są monitory Holtera. Chociaż wykorzystują mniej elektrod niż statyczne monitory EKG stosowane w warunkach klinicznych, mogą być nieporęczne i niewygodne w noszeniu, zwłaszcza podczas snu.
12–20 oddechów na minutę to oczekiwana częstość oddechów (RR) dla większości zdrowych osób. Częstość oddechów powyżej 30 oddechów na minutę może wskazywać na niewydolność oddechową spowodowaną gorączką lub z innych przyczyn. Podczas gdy niektóre urządzenia do noszenia wykorzystują akcelerometr lub PPG technologii wnioskowania RR, pomiary RR o jakości klinicznej są przeprowadzane z wykorzystaniem informacji zawartych w sygnale EKG lub przy użyciu czujnika bioimpedancji (BioZ), który wykorzystuje dwa czujniki do charakteryzowania impedancji elektrycznej skóry. Jedna lub więcej elektrod przymocowanych do ciała pacjenta.
Chociaż funkcja EKG zatwierdzona przez FDA jest dostępna w niektórych wysokiej klasy urządzeniach do noszenia związanych ze zdrowiem i fitnessem, wykrywanie bioimpedancji jest funkcją, która zwykle nie jest dostępna, ponieważ wymaga dołączenia oddzielnego układu scalonego czujnika BioZ. Oprócz RR czujnik BioZ obsługuje technologię bioelektryczną Analiza impedancji (BIA) i spektroskopia impedancji bioelektrycznej (BIS) służą do pomiaru poziomów składu mięśni, tłuszczu i wody w organizmie. Czujnik BioZ obsługuje również elektrokardiografię impedancyjną (ICG) i służy do pomiaru reakcji galwanicznej skóry ( GSR), co może być użytecznym wskaźnikiem stresu.
Rycina 1 przedstawia funkcjonalny schemat blokowy układu scalonego AFE IC parametrów życiowych klasy klinicznej, który integruje funkcjonalność trzech oddzielnych czujników (PPG, EKG i BioZ) w jednym pakiecie.
Rycina 1 MAX86178 o ultraniskiej mocy, 3 w 1 do pomiaru parametrów życiowych klasy klinicznej AFE (źródło: Analog Devices)
Dwukanałowy system optycznej akwizycji danych PPG obsługuje do 6 diod LED i 4 wejścia fotodiod, przy czym diody LED można programować za pomocą dwóch wysokoprądowych, 8-bitowych sterowników LED. Ścieżka odbiorcza ma dwa kanały odczytu o niskim poziomie szumów i wysokiej rozdzielczości, każdy zawiera niezależne 20-bitowe przetworniki ADC i układ eliminacji światła otoczenia, zapewniający tłumienie otoczenia na poziomie ponad 90 dB przy 120 Hz. SNR kanału PPG wynosi aż 113 dB, co umożliwia pomiar SpO2 na poziomie zaledwie 16 µA.
Kanał EKG to kompletny łańcuch sygnałowy zapewniający wszystkie kluczowe funkcje potrzebne do gromadzenia wysokiej jakości danych EKG, takie jak elastyczne wzmocnienie, filtrowanie krytyczne, niski poziom szumów, wysoka impedancja wejściowa i opcje odchylenia wielu odprowadzeń. Dodatkowe funkcje, takie jak szybki powrót do zdrowia , wykrywanie przewodów prądu przemiennego i stałego, wykrywanie przewodów o bardzo niskim poborze mocy oraz napęd na prawą nogę umożliwiają niezawodną pracę w wymagających zastosowaniach, takich jak urządzenia noszone na nadgarstku z suchymi elektrodami. Analogowy łańcuch sygnałowy napędza 18-bitowy przetwornik ADC sigma-delta o szerokim zakresie wybieranych przez użytkownika wyjściowych częstotliwości próbkowania.
Kanały odbiorcze BioZ są wyposażone w filtrowanie EMI i rozbudowaną kalibrację. Kanały odbiorcze BioZ charakteryzują się również wysoką impedancją wejściową, niskim poziomem szumów, programowalnym wzmocnieniem, opcjami filtrów dolnoprzepustowych i górnoprzepustowych oraz przetwornikami ADC o wysokiej rozdzielczości. Istnieje kilka trybów generowania bodźców wejściowych: zrównoważony prąd źródła/ujścia fali prostokątnej, prąd fali sinusoidalnej oraz stymulacja napięciem fali sinusoidalnej i fali prostokątnej. Dostępne są różne amplitudy i częstotliwości stymulacji. Obsługuje również aplikacje BIA, BIS, ICG i GSR.
Dane taktowania FIFO umożliwiają synchronizację wszystkich trzech kanałów czujnika. Układ AFE IC, umieszczony w obudowie na poziomie płytki o wymiarach 7 x 7 i 49 wypukłościach, ma wymiary zaledwie 2,6 mm x 2,8 mm, co czyni go idealnym do projektowania jako urządzenie klasy klinicznej. nadająca się do noszenia naszywka na klatce piersiowej (rysunek 2).
Rysunek 2 Plaster na klatkę piersiową z dwiema mokrymi elektrodami, obsługujący BIA i ciągłe RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (źródło: urządzenia analogowe)
Rysunek 3 ilustruje, jak można zaprojektować ten AFE jako urządzenie do noszenia na nadgarstku, zapewniające na żądanie BIA i EKG z ciągłym HR, SpO2 i EDA/GSR.
Rysunek 3: Urządzenie noszone na nadgarstku z czterema suchymi elektrodami, obsługujące BIA i EKG, z ciągłym pomiarem tętna, SpO2 i GSR AFE (źródło: urządzenia analogowe)
SpO2, HR, EKG i RR to ważne pomiary parametrów życiowych wykorzystywane przez pracowników służby zdrowia do celów diagnostycznych. Ciągłe monitorowanie parametrów życiowych za pomocą urządzeń do noszenia będzie kluczowym elementem przyszłych modeli opieki zdrowotnej, umożliwiającym przewidywanie wystąpienia choroby przed pojawieniem się objawów.
Wiele obecnie dostępnych monitorów parametrów życiowych generuje pomiary, których nie mogą używać pracownicy służby zdrowia, ponieważ używane przez nich czujniki nie są klasy klinicznej, inne natomiast po prostu nie mają możliwości dokładnego pomiaru RR, ponieważ nie zawierają czujników BioZ.
W tym rozwiązaniu projektowym demonstrujemy układ scalony, który integruje trzy czujniki klasy klinicznej — PPG, EKG i BioZ w jednym opakowaniu oraz pokazuje, jak można go zaprojektować w urządzeniach do noszenia na klatce piersiowej i nadgarstku w celu pomiaru SpO2, HR, EKG i RR , zapewniając jednocześnie inne przydatne funkcje związane ze zdrowiem, w tym BIA, BIS, GSR i ICG. Oprócz stosowania w urządzeniach do noszenia klasy klinicznej, układ scalony idealnie nadaje się do integracji z inteligentną odzieżą w celu zapewnienia rodzaju informacji, które są wysoce przydatne wydajność, której potrzebują sportowcy.
Andrew Burt jest dyrektorem wykonawczym w jednostce biznesowej ds. przemysłu i opieki zdrowotnej w dziale urządzeń analogowych
Czas publikacji: 05 sierpnia 2022 r