Importanța semnelor vitale fiziologice ca indicatori ai sănătății umane a fost înțeleasă de multă vreme de profesioniștii medicali, dar actuala pandemie de COVID-19 a sensibilizat și publicul cu privire la importanța acesteia.
Din păcate, majoritatea oamenilor care trec prin monitorizare continuă a semnelor vitale se pot afla deja într-un cadru clinic în care sunt tratați pentru o boală acută. În loc să folosească semnele vitale ca indicator al eficacității tratamentului bolii și al recuperării pacientului, viitorul model de asistența medicală va folosi monitorizarea continuă și de la distanță a semnelor vitale ca instrument de identificare a potențialilor indicatori ai debutului bolii, permițând medicilor să intervină în dezvoltarea bolii severe.Cea mai timpurie oportunitate înainte.
Se preconizează că integrarea crescândă a senzorilor de calitate clinică va permite în cele din urmă dezvoltarea de plasturi de sănătate pentru semne vitale de unică folosință, purtabile, care pot fi eliminate și înlocuite în mod regulat, cum ar fi lentilele de contact.
În timp ce multe articole vestimentare pentru sănătate și fitness includ capacități de măsurare a semnelor vitale, integritatea citirilor lor poate fi pusă la îndoială din mai multe motive, inclusiv calitatea senzorilor utilizați (majoritatea nu sunt de grad clinic), unde sunt instalați și unde senzorii. calitatea de.Contact fizic în timpul purtării.
Deși aceste dispozitive sunt adecvate pentru dorința profesioniștilor care nu sunt din domeniul sănătății de auto-observare ocazională folosind un dispozitiv portabil convenabil și confortabil, ele nu sunt potrivite pentru profesioniștii medicali instruiți pentru a evalua în mod corespunzător sănătatea individuală și pentru a face diagnostice informate.
Pe de altă parte, dispozitivele utilizate în prezent pentru a furniza observații de semne vitale de grad clinic pe intervale de timp mai lungi pot fi voluminoase și incomode și au grade diferite de portabilitate. În această soluție de proiectare, analizăm semnificația clinică a patru măsurători ale semnelor vitale - sânge. saturația de oxigen (SpO2), frecvența cardiacă (HR), electrocardiograma (ECG) și frecvența respirației (RR) — și luați în considerare furnizarea clinică de cel mai bun tip de senzor - Citiri pentru fiecare grad.
Nivelurile de saturație a oxigenului din sânge la indivizii sănătoși sunt de obicei în jur de 95-100%. Cu toate acestea, un nivel de SpO2 de 93% sau mai mic poate indica faptul că o persoană se confruntă cu detresă respiratorie - cum ar fi un simptom comun la pacienții cu COVID-19 - făcându-l un semn vital important pentru monitorizarea regulată de către profesioniștii medicali. Fotopletismografia (PPG) este o tehnică de măsurare optică care utilizează mai multe emițătoare LED pentru a ilumina vasele de sânge de sub suprafața pielii și un receptor de fotodiodă pentru a detecta semnalul de lumină reflectat pentru a calcula SpO2. În timp ce a devenit o caracteristică comună a multor echipamente purtate la încheietura mâinii, semnalul luminos PPG este susceptibil la interferențe din cauza artefactelor de mișcare și a modificărilor tranzitorii ale luminii ambientale, ceea ce poate duce la citiri false, ceea ce înseamnă că aceste dispozitive nu oferă măsurători de grad clinic. Într-un cadru clinic , SpO2 este măsurată utilizând un pulsioximetru purtat cu degetul (Figura 2), de obicei atașat continuu de degetul unui pacient staționar. Deși există versiuni portabile alimentate cu baterii, acestea sunt potrivite doar pentru efectuarea de măsurători intermitente.
O frecvență cardiacă (HR) sănătoasă este în general considerată a fi în intervalul de 60-100 de bătăi pe minut, cu toate acestea, intervalul de timp dintre bătăile individuale ale inimii nu este constant. Denumit în mod obișnuit variabilitatea ritmului cardiac (HRV), aceasta înseamnă că ritmul cardiac este o medie măsurată pe mai multe cicluri de bătăi ale inimii. La persoanele sănătoase, ritmul cardiac și ritmul pulsului sunt aproape aceleași, deoarece cu fiecare contracție a mușchiului inimii, sângele este pompat în tot corpul. Cu toate acestea, unele afecțiuni cardiace grave pot cauza frecvența cardiacă și pulsul să difere.
De exemplu, în aritmii precum fibrilația atrială (Afib), nu orice contracție musculară a inimii pompează sânge în tot corpul - în schimb, sângele se acumulează în camerele inimii, ceea ce poate pune viața în pericol. Fibrilația atrială poate fi dificilă. pentru a detecta deoarece uneori apare intermitent și numai pentru intervale scurte scurte.
Potrivit Organizației Mondiale a Sănătății, Afib provoacă unul din patru accident vascular cerebral la persoanele cu vârsta peste 40 de ani, fapt care demonstrează importanța de a putea detecta și trata boala. Deoarece senzorii PPG fac măsurători optice în aceeași ipoteză ca și HR și frecvența pulsului, nu se poate baza pe ele pentru a detecta FA. Acest lucru necesită înregistrări continue ale activității electrice a inimii -- o reprezentare grafică a semnalelor electrice ale inimii numită electrocardiogramă (ECG) -- pe intervale lungi de timp.
Monitoarele Holter sunt cele mai comune dispozitive portabile de grad clinic utilizate în acest scop. Deși folosesc mai puțini electrozi decât monitoarele ECG statice utilizate în medii clinice, pot fi voluminoase și incomod de purtat, mai ales în timpul somnului.
12-20 de respirații pe minut este frecvența respiratorie (RR) așteptată pentru majoritatea indivizilor sănătoși. O rată de RR mai mare de 30 de respirații pe minut poate fi un indicator al detresei respiratorii din cauza febrei sau a altor cauze. În timp ce unele soluții pentru dispozitive portabile folosesc accelerometru sau PPG tehnologie pentru a deduce RR, măsurătorile RR de grad clinic sunt efectuate folosind informațiile conținute în semnalul ECG sau folosind un senzor de bioimpedanță (BioZ) care utilizează doi senzori pentru a caracteriza Impedanța electrică a pielii.Unul sau mai mulți electrozi atașați corpului pacientului.
În timp ce funcționalitatea ECG aprobată de FDA este disponibilă în unele echipamente de sănătate și fitness de ultimă generație, detectarea bioimpedanței este o caracteristică care de obicei nu este disponibilă, deoarece necesită includerea unui senzor IC separat BioZ. În plus față de RR, senzorul BioZ acceptă bioelectrice. Analiza de impedanță (BIA) și Spectroscopia de impedanță bioelectrică (BIS), ambele sunt utilizate pentru a măsura nivelurile compoziționale ale mușchilor corpului, grăsimii și apei. Senzorul BioZ acceptă, de asemenea, electrocardiografia de impedanță (ICG) și este utilizat pentru a măsura răspunsul galvanic al pielii ( GSR), care poate fi un indicator util al stresului.
Figura 1 prezintă o diagramă bloc funcțională a unui IC AFE pentru semne vitale de grad clinic care integrează funcționalitatea a trei senzori separati (PPG, ECG și BioZ) într-un singur pachet.
Figura 1 MAX86178, cu putere ultra-scăzută, 3-în-1, semne vitale de grad clinic AFE (Sursa: Analog Devices)
Sistemul său de achiziție de date optice PPG cu două canale acceptă până la 6 LED-uri și 4 intrări pentru fotodiode, cu LED-urile programabile prin două drivere LED de 8 biți de curent ridicat. Calea de recepție are două canale de citire cu zgomot redus și de înaltă rezoluție, fiecare incluzând ADC-uri independente pe 20 de biți și circuite de anulare a luminii ambientale, oferind peste 90 dB de respingere ambientală la 120 Hz. SNR-ul canalului PPG este de până la 113 dB, suportând măsurarea SpO2 de doar 16 µA.
Canalul ECG este un lanț de semnal complet care oferă toate caracteristicile cheie necesare pentru a colecta date ECG de înaltă calitate, cum ar fi câștig flexibil, filtrare critică, zgomot redus, impedanță de intrare mare și opțiuni multiple de polarizare a derivației. Caracteristici suplimentare, cum ar fi recuperarea rapidă , detectarea cablurilor AC și DC, detectarea cablurilor de putere ultra-scăzută și acționarea piciorului drept permit o funcționare robustă în aplicații solicitante, cum ar fi dispozitivele purtate la încheietura mâinii cu electrozi uscați. Lanțul de semnal analogic conduce un ADC sigma-delta de 18 biți cu o gamă largă a ratelor de eșantionare de ieșire selectabile de utilizator.
Canalele de recepție BioZ oferă filtrare EMI și calibrare extinsă. Canalele de recepție BioZ oferă, de asemenea, impedanță de intrare ridicată, zgomot scăzut, câștig programabil, opțiuni de filtru trece-jos și trece-înalt și ADC-uri de înaltă rezoluție. Există mai multe moduri pentru generarea stimulilor de intrare: Sursă de undă pătrată echilibrată/curent de chiuvetă, curent de undă sinusoidală și stimulare de tensiune cu undă sinusoidală și unde pătrate. Sunt disponibile o varietate de amplitudini și frecvențe de stimulare. De asemenea, acceptă aplicații BIA, BIS, ICG și GSR.
Datele de sincronizare FIFO permit sincronizarea tuturor celor trei canale ale senzorului. Găzduit într-un pachet WLP (WLP) 7 x 7 49-bump, AFE IC măsoară doar 2,6 mm x 2,8 mm, făcându-l ideal pentru proiectare ca un grad clinic. plasture purtabil pe piept (Figura 2).
Figura 2 Plasture toracică cu doi electrozi umezi, care susțin BIA și continuu RR/ICG, ECG, SpO2 AFE (Sursa: Analog Devices)
Figura 3 ilustrează modul în care acest AFE poate fi proiectat ca un dispozitiv purtat la încheietura mâinii pentru a oferi la cerere BIA și ECG cu HR, SpO2 și EDA/GSR continue.
Figura 3: Dispozitiv purtat la încheietura mâinii cu patru electrozi uscați, care suportă BIA și ECG, cu frecvență cardiacă continuă, SpO2 și GSR AFE (Sursa: Analog Devices)
SpO2, HR, ECG și RR sunt măsurători importante ale semnelor vitale utilizate de profesioniștii din domeniul sănătății în scopuri de diagnostic. Monitorizarea continuă a semnelor vitale cu ajutorul dispozitivelor portabile va fi o componentă cheie a viitoarelor modele de asistență medicală, prezicând debutul bolii înainte de apariția simptomelor.
Multe dintre monitoarele de semne vitale disponibile în prezent produc măsurători care nu pot fi utilizate de profesioniștii din domeniul sănătății, deoarece senzorii pe care îi folosesc nu sunt de grad clinic, în timp ce alții pur și simplu nu au capacitatea de a măsura cu precizie RR deoarece nu includ senzori BioZ.
În această soluție de proiectare, demonstrăm un IC care integrează trei senzori de calitate clinică - PPG, ECG și BioZ într-un singur pachet și arătăm cum poate fi proiectat în dispozitivele portabile pentru piept și încheietura mâinii, pentru a măsura SpO2, HR, ECG și RR. , oferind, de asemenea, alte funcții utile legate de sănătate, inclusiv BIA, BIS, GSR și ICG. Pe lângă faptul că este utilizat în articolele portabile de calitate clinică, IC-ul este ideal pentru integrarea în îmbrăcămintea inteligentă pentru a oferi tipul de informații care sportivii de performanță au nevoie.
Andrew Burt este director executiv de afaceri, unitatea de afaceri industrială și medicală, Analog Devices
Ora postării: Aug-05-2022