Важность физиологических показателей жизнедеятельности как показателей здоровья человека уже давно осознается медицинскими работниками, но нынешняя пандемия COVID-19 также повысила осведомленность общественности о ее важности.
К сожалению, большинство людей, которые проходят постоянный мониторинг жизненно важных показателей, возможно, уже находятся в клинических условиях, где их лечат от острых заболеваний. Вместо использования жизненно важных показателей в качестве индикатора эффективности лечения заболевания и выздоровления пациента, будущая модель здравоохранение будет использовать непрерывный и дистанционный мониторинг жизненно важных функций в качестве инструмента для выявления потенциальных индикаторов начала заболевания, что позволит врачам вмешиваться в развитие тяжелого заболевания.Самая ранняя возможность раньше.
Предполагается, что растущая интеграция датчиков клинического уровня в конечном итоге позволит разработать одноразовые носимые пластыри для контроля жизненно важных функций, которые можно будет регулярно утилизировать и заменять, например контактные линзы.
Хотя многие носимые устройства для здоровья и фитнеса включают возможности измерения показателей жизнедеятельности, достоверность их показаний может быть поставлена под сомнение по ряду причин, включая качество используемых датчиков (большинство из них не клинического класса), место их установки и расположение датчиков. качество.Физический контакт при ношении.
Хотя эти устройства соответствуют желанию немедицинских специалистов для случайного самонаблюдения с использованием удобного и комфортного носимого устройства, они не подходят обученным медицинским работникам для правильной оценки индивидуального здоровья и постановки обоснованного диагноза.
С другой стороны, устройства, используемые в настоящее время для наблюдения за жизненно важными показателями клинического уровня в течение более длительных интервалов времени, могут быть громоздкими и неудобными, а также иметь различную степень портативности. насыщение кислородом (SpO2), частота сердечных сокращений (ЧСС), электрокардиограмма (ЭКГ) и частота дыхания (ЧР), а также рассмотрите возможность предоставления клинических наилучших типов датчиков — показаний для каждого класса.
Уровни насыщения крови кислородом у здоровых людей обычно составляют около 95–100%. Однако уровень SpO2 93 % или ниже может указывать на то, что у человека наблюдается респираторный дистресс, что является распространенным симптомом у пациентов с COVID-19, что делает его опасным. важный жизненно важный признак для регулярного мониторинга медицинскими работниками. Фотоплетизмография (PPG) — это метод оптических измерений, в котором используются несколько светодиодных излучателей для освещения кровеносных сосудов под поверхностью кожи и фотодиодный приемник для обнаружения отраженного светового сигнала для расчета SpO2. Пока это стало световой сигнал PPG, являющийся общей чертой многих носимых на запястье устройств, подвержен помехам из-за артефактов движения и временных изменений окружающего освещения, что может привести к ложным показаниям, а это означает, что эти устройства не обеспечивают измерения клинического уровня. В клинических условиях SpO2 измеряется с помощью напальчного пульсоксиметра (рис. 2), обычно прикрепленного к пальцу неподвижного пациента. Хотя существуют портативные версии с батарейным питанием, они подходят только для периодических измерений.
Здоровая частота сердечных сокращений (ЧСС) обычно считается в диапазоне 60-100 ударов в минуту, однако временной интервал между отдельными ударами сердца не является постоянным. Обычно это называют вариабельностью сердечного ритма (ВСР), это означает, что Частота сердечных сокращений — это среднее значение, измеренное за несколько циклов сердцебиения. У здоровых людей частота сердечных сокращений и частота пульса почти одинаковы, поскольку при каждом сокращении сердечной мышцы кровь перекачивается по всему телу. Однако некоторые серьезные сердечные заболевания могут вызвать частота сердечных сокращений и пульса различаются.
Например, при таких аритмиях, как мерцательная аритмия (ФП), не каждое сокращение мышц сердца перекачивает кровь по всему телу – вместо этого кровь скапливается в камерах самого сердца, что может быть опасным для жизни. Мерцательная аритмия может протекать тяжело. обнаружить, потому что иногда это происходит периодически и только на короткие промежутки времени.
По данным Всемирной организации здравоохранения, мерцательная аритмия вызывает каждый четвертый инсульт у людей старше 40 лет, и этот факт демонстрирует важность обнаружения и лечения этого заболевания. частота пульса, на них нельзя полагаться при обнаружении ФП. Для этого требуется непрерывная запись электрической активности сердца – графическое представление электрических сигналов сердца, называемое электрокардиограммой (ЭКГ) – в течение длительных интервалов времени.
Холтеровские мониторы являются наиболее распространенными портативными устройствами клинического уровня, используемыми для этой цели. Хотя в них используется меньше электродов, чем в статических мониторах ЭКГ, используемых в клинических условиях, они могут быть громоздкими и неудобными для ношения, особенно во время сна.
12–20 вдохов в минуту — это ожидаемая частота дыхания (ЧД) для большинства здоровых людей. Частота дыхания выше 30 вдохов в минуту может быть индикатором респираторного дистресса из-за лихорадки или других причин. Хотя в некоторых решениях для носимых устройств используется акселерометр или PPG Технология определения RR, измерения RR клинического уровня выполняются с использованием информации, содержащейся в сигнале ЭКГ, или с использованием датчика биоимпеданса (BioZ), который использует два датчика для характеристики электрического импеданса кожи. Один или несколько электродов прикрепляются к телу пациента.
Хотя функция ЭКГ, одобренная FDA, доступна в некоторых высококачественных портативных устройствах для здоровья и фитнеса, функция измерения биоимпеданса обычно недоступна, поскольку требует включения отдельной микросхемы датчика BioZ. Помимо RR, датчик BioZ поддерживает биоэлектрические функции. Импедансный анализ (BIA) и биоэлектрическая импедансная спектроскопия (BIS), оба из которых используются для измерения уровня состава мышц тела, жира и воды. Датчик BioZ также поддерживает импедансную электрокардиографию (ICG) и используется для измерения кожно-гальванической реакции ( КГР), что может быть полезным индикатором стресса.
На рисунке 1 показана функциональная блок-схема интегральной схемы AFE клинического уровня для измерения показателей жизнедеятельности, которая объединяет функциональность трех отдельных датчиков (ППГ, ЭКГ и BioZ) в одном корпусе.
Рис. 1. MAX86178 сверхмалопотребляющий преобразователь жизненно важных функций клинического уровня «3 в 1» (Источник: Analog Devices).
Его двухканальная оптическая система сбора данных PPG поддерживает до 6 светодиодов и 4 входа фотодиодов, причем светодиоды программируются с помощью двух сильноточных 8-битных светодиодных драйверов. Канал приема имеет два канала считывания с низким уровнем шума и высоким разрешением. Каждый из них включает в себя независимые 20-битные АЦП и схему подавления внешнего освещения, обеспечивающие подавление внешнего освещения более 90 дБ при частоте 120 Гц. Отношение сигнал/шум канала PPG достигает 113 дБ, что обеспечивает измерение SpO2 всего 16 мкА.
Канал ЭКГ представляет собой полную цепочку сигналов, которая обеспечивает все ключевые функции, необходимые для сбора высококачественных данных ЭКГ, такие как гибкое усиление, критическая фильтрация, низкий уровень шума, высокий входной импеданс и возможность смещения нескольких отведений. Дополнительные функции, такие как быстрое восстановление , обнаружение проводов переменного и постоянного тока, обнаружение проводов со сверхнизким энергопотреблением и привод правой ноги обеспечивают надежную работу в требовательных приложениях, таких как наручные устройства с сухими электродами. Цепь аналоговых сигналов управляет 18-битным сигма-дельта АЦП с широким диапазоном выбираемых пользователем выходных частот дискретизации.
Каналы приема BioZ оснащены фильтрацией электромагнитных помех и расширенной калибровкой. Каналы приема BioZ также имеют высокий входной импеданс, низкий уровень шума, программируемое усиление, опции фильтра нижних и верхних частот, а также АЦП с высоким разрешением. Существует несколько режимов генерации входных стимулов: сбалансированный ток источника/приемника прямоугольной волны, синусоидальный ток, а также стимуляция напряжения синусоидальной и прямоугольной формы. Доступны различные амплитуды и частоты стимуляции. Он также поддерживает приложения BIA, BIS, ICG и GSR.
Данные синхронизации FIFO позволяют синхронизировать все три канала датчиков. Размещенная в корпусе уровня пластины (WLP) размером 7 x 7 с 49 выступами, микросхема AFE имеет размеры всего 2,6 x 2,8 мм, что делает ее идеальной для разработки в качестве платы клинического уровня. переносная нагрудная нашивка (рис. 2).
Рисунок 2. Нагрудный пластырь с двумя влажными электродами, поддерживающий BIA и непрерывную RR/ICG, ЭКГ, SpO2 AFE (Источник: Analog Devices)
На рисунке 3 показано, как этот AFE можно спроектировать как носимое на запястье носимое устройство, обеспечивающее по требованию BIA и ЭКГ с постоянными показателями ЧСС, SpO2 и EDA/GSR.
Рисунок 3. Наручное устройство с четырьмя сухими электродами, поддерживающее BIA и ЭКГ, с непрерывным контролем ЧСС, SpO2 и GSR AFE (Источник: Analog Devices)
SpO2, ЧСС, ЭКГ и ЧД — важные показатели жизненно важных показателей, используемые медицинскими работниками в диагностических целях. Непрерывный мониторинг жизненно важных показателей с помощью носимых устройств станет ключевым компонентом будущих моделей здравоохранения, позволяющих прогнозировать начало заболевания до появления симптомов.
Многие из доступных в настоящее время мониторов жизненно важных функций производят измерения, которые не могут использоваться медицинскими работниками, поскольку используемые ими датчики не соответствуют клиническому уровню, в то время как другие просто не имеют возможности точно измерять RR, поскольку не включают датчики BioZ.
В этом проектном решении мы демонстрируем микросхему, которая объединяет три датчика клинического уровня — PPG, ЭКГ и BioZ в одном корпусе, и показываем, как ее можно спроектировать в нагрудных и наручных носимых устройствах для измерения SpO2, ЧСС, ЭКГ и ЧД. , а также обеспечивает другие полезные функции, связанные со здоровьем, включая BIA, BIS, GSR и ICG. Помимо использования в носимых устройствах клинического уровня, IC идеально подходит для интеграции в умную одежду, чтобы предоставлять тип информации, который высоко ценится. производительность, необходимая спортсменам.
Эндрю Берт — исполнительный бизнес-менеджер подразделения промышленности и здравоохранения компании Analog Devices.
Время публикации: 05 августа 2022 г.