Dôležitosť fyziologických vitálnych funkcií ako indikátorov ľudského zdravia už dávno chápu lekári, ale súčasná pandémia COVID-19 tiež zvýšila povedomie verejnosti o jej význame.
Bohužiaľ, väčšina ľudí, ktorí podstupujú nepretržité monitorovanie vitálnych funkcií, sa už môže nachádzať v klinickom prostredí, kde sa liečia na akútne ochorenie. zdravotná starostlivosť bude využívať nepretržité a vzdialené monitorovanie životných funkcií ako nástroj na identifikáciu potenciálnych indikátorov nástupu ochorenia, čo umožní lekárom zasahovať do rozvoja závažného ochorenia.Najskoršia príležitosť predtým.
Predpokladá sa, že rastúca integrácia senzorov klinickej kvality nakoniec umožní vývoj jednorazových nositeľných náplastí na zdravie životných funkcií, ktoré možno pravidelne likvidovať a vymieňať, ako sú kontaktné šošovky.
Zatiaľ čo mnohé nositeľné zariadenia pre zdravie a kondíciu obsahujú možnosti merania životných funkcií, integrita ich údajov môže byť spochybnená z mnohých dôvodov, vrátane kvality použitých senzorov (väčšina z nich nie je klinickej kvality), kde sú nainštalované a kde sú senzory. kvalita.Fyzický kontakt pri nosení.
Aj keď tieto zariadenia vyhovujú túžbe nezdravotníckych odborníkov na príležitostné sebapozorovanie pomocou pohodlného a pohodlného nositeľného zariadenia, nie sú vhodné pre vyškolených zdravotníckych pracovníkov na správne posúdenie individuálneho zdravia a informované diagnózy.
Na druhej strane zariadenia, ktoré sa v súčasnosti používajú na poskytovanie pozorovaní vitálnych funkcií klinického stupňa počas dlhších časových intervalov, môžu byť objemné a nepohodlné a majú rôzny stupeň prenosnosti. V tomto dizajnovom riešení preskúmame klinický význam štyroch meraní vitálnych funkcií – krvi. saturácia kyslíkom (SpO2), srdcová frekvencia (HR), elektrokardiogram (EKG) a frekvencia dýchania (RR) – a zvážte poskytnutie klinického najlepšieho typu senzora – namerané hodnoty pre každý stupeň.
Úrovne saturácie krvi kyslíkom u zdravých jedincov sú zvyčajne okolo 95 – 100 %. Avšak hladina SpO2 93 % alebo nižšia môže naznačovať, že jednotlivec pociťuje dýchacie ťažkosti – ako je bežný príznak u pacientov s COVID-19 – čo z neho robí dôležitý vitálny znak pre pravidelné monitorovanie zdravotníckymi odborníkmi. Fotopletyzmografia (PPG) je optická meracia technika, ktorá využíva viacero LED žiaričov na osvetlenie krvných ciev pod povrchom kože a fotodiódový prijímač na detekciu signálu odrazeného svetla na výpočet SpO2. čo je spoločná vlastnosť mnohých nositeľných zariadení na zápästí, svetelný signál PPG je náchylný na rušenie pohybovými artefaktmi a prechodnými zmenami okolitého osvetlenia, čo môže viesť k falošným údajom, čo znamená, že tieto zariadenia neposkytujú merania na klinickej úrovni. V klinickom prostredí , SpO2 sa meria pomocou pulzného oxymetra noseného na prste (obrázok 2), ktorý je zvyčajne nepretržite pripevnený k prstu stacionárneho pacienta. Hoci existujú prenosné verzie napájané z batérie, sú vhodné len na vykonávanie prerušovaných meraní.
Za zdravú srdcovú frekvenciu (HR) sa vo všeobecnosti považuje rozsah 60-100 úderov za minútu, avšak časový interval medzi jednotlivými údermi srdca nie je konštantný. Bežne označovaný ako variabilita srdcovej frekvencie (HRV) znamená, že srdcová frekvencia je priemer nameraný počas niekoľkých tepových cyklov.U zdravých jedincov sú srdcová frekvencia a pulzová frekvencia takmer rovnaké, pretože pri každej kontrakcii srdcového svalu sa krv rozprúdi do celého tela.Niektoré vážne srdcové ochorenia však môžu spôsobiť srdcová a pulzová frekvencia sa líšia.
Napríklad pri arytmiách, ako je fibrilácia predsiení (Afib), nie každá svalová kontrakcia v srdci pumpuje krv do celého tela – namiesto toho sa krv hromadí v komorách samotného srdca, čo môže byť život ohrozujúce. Fibrilácia predsiení môže byť náročná odhaliť, pretože sa niekedy vyskytuje prerušovane a len v krátkych krátkych intervaloch.
Podľa Svetovej zdravotníckej organizácie Afib spôsobuje jednu zo štyroch mozgových príhod u ľudí starších ako 40 rokov, čo je skutočnosť, ktorá dokazuje dôležitosť schopnosti odhaliť a liečiť chorobu. Keďže senzory PPG vykonávajú optické merania za rovnakých predpokladov ako HR a pulzovej frekvencie, nemožno sa na ne spoľahnúť pri detekcii AF. Vyžaduje si to nepretržité záznamy elektrickej aktivity srdca – grafické znázornenie elektrických signálov srdca nazývané elektrokardiogram (EKG) – počas dlhých časových intervalov.
Holterove monitory sú najbežnejšie prenosné zariadenia klinickej kvality používané na tento účel. Aj keď používajú menej elektród ako statické monitory EKG používané v klinických podmienkach, môžu byť objemné a nepohodlné na nosenie, najmä počas spánku.
12-20 dychov za minútu je očakávaná frekvencia dýchania (RR) pre väčšinu zdravých jedincov. Frekvencia RR nad 30 dychov za minútu môže byť indikátorom respiračnej tiesne v dôsledku horúčky alebo iných príčin. Zatiaľ čo niektoré riešenia nositeľných zariadení používajú akcelerometer alebo PPG technológia na odvodenie RR, merania RR klinického stupňa sa vykonávajú pomocou informácií obsiahnutých v signáli EKG alebo pomocou bioimpedančného (BioZ) senzora, ktorý používa dva senzory na charakterizáciu elektrickej impedancie kože. Jedna alebo viac elektród pripojených k telu pacienta.
Zatiaľ čo funkcia EKG s povolením FDA je k dispozícii v niektorých špičkových zariadeniach pre zdravie a fitness, snímanie bioimpedancie je funkcia, ktorá nie je zvyčajne dostupná, pretože vyžaduje zahrnutie samostatného IC senzora BioZ. Okrem RR senzor BioZ podporuje bioelektrické Impedančná analýza (BIA) a bioelektrická impedančná spektroskopia (BIS), ktoré sa používajú na meranie hladín zloženia telesných svalov, tuku a vody. Senzor BioZ tiež podporuje impedančnú elektrokardiografiu (ICG) a používa sa na meranie galvanickej odozvy kože ( GSR), čo môže byť užitočným indikátorom stresu.
Obrázok 1 zobrazuje funkčný blokový diagram AFE IC vitálnych funkcií klinického stupňa, ktorý integruje funkčnosť troch samostatných senzorov (PPG, EKG a BioZ) do jedného balenia.
Obrázok 1 MAX86178 ultra-nízkoenergetické, 3 v 1 vitálne funkcie klinického stupňa AFE (Zdroj: Analog Devices)
Jeho dvojkanálový systém optického zberu dát PPG podporuje až 6 LED a 4 fotodiódové vstupy, pričom LED diódy sú programovateľné cez dva vysokoprúdové 8-bitové LED drivery. Prijímacia cesta má dva nízkošumové čítacie kanály s vysokým rozlíšením, každý obsahuje nezávislé 20-bitové ADC a obvody na potlačenie okolitého svetla, ktoré poskytujú viac ako 90 dB potlačenia okolitého svetla pri 120 Hz. SNR kanála PPG je až 113 dB, pričom podporuje meranie SpO2 iba 16 µA.
Kanál EKG je kompletný signálový reťazec, ktorý poskytuje všetky kľúčové funkcie potrebné na zhromažďovanie vysokokvalitných údajov EKG, ako je flexibilný zisk, kritické filtrovanie, nízky šum, vysoká vstupná impedancia a možnosti skreslenia viacerých elektród. Ďalšie funkcie, ako je rýchle obnovenie , detekcia zvodov striedavého a jednosmerného prúdu, detekcia zvodov s ultranízkym výkonom a pohon pravou nohou umožňujú robustnú prevádzku v náročných aplikáciách, ako sú zariadenia so suchými elektródami na zápästí. Analógový signálový reťazec poháňa 18-bitový sigma-delta ADC so širokým rozsahom užívateľom voliteľných výstupných vzorkovacích frekvencií.
Prijímacie kanály BioZ sú vybavené filtrovaním EMI a rozsiahlou kalibráciou. Prijímacie kanály BioZ majú tiež vysokú vstupnú impedanciu, nízky šum, programovateľné zosilnenie, možnosti dolnopriepustného a hornopriepustného filtra a ADC s vysokým rozlíšením. Existuje niekoľko režimov na generovanie vstupných stimulov: vyvážený pravouhlý zdroj/západný prúd, sínusový prúd a stimulácia sínusového a štvorcového napätia. K dispozícii sú rôzne amplitúdy a frekvencie stimulácie. Podporuje tiež aplikácie BIA, BIS, ICG a GSR.
Časovacie údaje FIFO umožňujú synchronizáciu všetkých troch senzorových kanálov. AFE IC je umiestnený v 7 x 7 49-násobnom 49-násobnom wafer-level balíku (WLP) a meria iba 2,6 mm x 2,8 mm, vďaka čomu je ideálny pre dizajn na klinickej úrovni. nositeľná hrudná náplasť (obrázok 2).
Obrázok 2 Náplasť na hrudník s dvoma mokrými elektródami, ktoré podporujú BIA a kontinuálne RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (Zdroj: Analog Devices)
Obrázok 3 ilustruje, ako môže byť tento AFE navrhnutý ako nositeľný na zápästí, aby poskytoval na požiadanie BIA a EKG s nepretržitou HR, SpO2 a EDA/GSR.
Obrázok 3: Zariadenie na zápästie so štyrmi suchými elektródami, ktoré podporujú BIA a EKG, s kontinuálnou HR, SpO2 a GSR AFE (zdroj: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG a RR sú dôležité merania vitálnych funkcií, ktoré používajú zdravotnícki pracovníci na diagnostické účely. Nepretržité monitorovanie vitálnych funkcií pomocou nositeľných zariadení bude kľúčovou súčasťou budúcich modelov zdravotnej starostlivosti, ktoré predpovedajú nástup ochorenia skôr, ako sa objavia symptómy.
Mnohé z v súčasnosti dostupných monitorov vitálnych funkcií produkujú merania, ktoré nemôžu používať zdravotnícki pracovníci, pretože senzory, ktoré používajú, nie sú klinického stupňa, zatiaľ čo iné jednoducho nemajú schopnosť presne merať RR, pretože neobsahujú senzory BioZ.
V tomto dizajnovom riešení demonštrujeme integrovaný obvod, ktorý integruje tri senzory klinickej kvality – PPG, EKG a BioZ do jedného balenia a ukazuje, ako ho možno navrhnúť do nositeľných zariadení na hrudi a zápästí na meranie SpO2, HR, EKG a RR. , pričom poskytuje aj ďalšie užitočné funkcie súvisiace so zdravím, vrátane BIA, BIS, GSR a ICG. Okrem toho, že sa používa v nositeľných zariadeniach klinickej kvality, je IC ideálny na integráciu do inteligentného oblečenia, aby poskytoval typ informácií, ktoré majú vysokú výkonnostní športovci potrebujú.
Andrew Burt je výkonným obchodným manažérom, priemyselná a zdravotnícka obchodná jednotka, Analog Devices
Čas odoslania: august-05-2022