Medicinski strokovnjaki že dolgo razumejo pomen fizioloških vitalnih znakov kot kazalcev zdravja ljudi, vendar je trenutna pandemija COVID-19 dvignila tudi zavest javnosti o njegovem pomenu.
Na žalost je večina ljudi, ki se znajdejo pod stalnim spremljanjem vitalnih znakov, morda že v kliničnem okolju, kjer se zdravijo zaradi akutne bolezni. Namesto uporabe vitalnih znakov kot indikatorja učinkovitosti zdravljenja bolezni in okrevanja bolnika, prihodnji model Zdravstveno varstvo bo uporabljalo neprekinjeno in daljinsko spremljanje vitalnih znakov kot orodje za prepoznavanje možnih indikatorjev začetka bolezni, kar bo klinikom omogočilo posredovanje pri razvoju hude bolezni.Najzgodnejša priložnost prej.
Predvideno je, da bo vse večja integracija senzorjev klinične kakovosti sčasoma omogočila razvoj nosljivih obližev za vitalne znake za enkratno uporabo, ki jih je mogoče redno odlagati in zamenjati, kot so kontaktne leče.
Medtem ko številni nosilni izdelki za zdravje in fitnes vključujejo zmožnosti merjenja vitalnih znakov, je celovitost njihovih odčitkov lahko vprašljiva zaradi številnih razlogov, vključno s kakovostjo uporabljenih senzorjev (večina ni klinične kakovosti), kje so nameščeni in kje senzorji kakovost.Fizičnega stika med nošenjem.
Čeprav so te naprave primerne za željo nezdravstvenih delavcev po priložnostnem samoopazovanju z uporabo priročne in udobne nosljive naprave, niso primerne za usposobljene zdravstvene delavce, ki bi pravilno ocenili zdravje posameznika in postavili informirane diagnoze.
Po drugi strani pa so lahko naprave, ki se trenutno uporabljajo za zagotavljanje kliničnih opazovanj vitalnih znakov v daljših časovnih intervalih, zajetne in neudobne ter imajo različne stopnje prenosljivosti. V tej oblikovalski rešitvi pregledamo klinični pomen štirih meritev vitalnih znakov – krvi nasičenost s kisikom (SpO2), srčni utrip (HR), elektrokardiogram (EKG) in frekvenca dihanja (RR) – in razmislite o zagotavljanju klinične najboljše vrste senzorja – odčitki za vsako stopnjo.
Ravni nasičenosti krvi s kisikom pri zdravih posameznikih so običajno okoli 95-100 %. Vendar lahko raven SpO2 93 % ali manj pomeni, da posameznik doživlja dihalno stisko – kot je pogost simptom pri bolnikih s COVID-19 – zaradi česar je pomemben življenjski znak za redno spremljanje s strani zdravstvenih delavcev. Fotopletizmografija (PPG) je optična merilna tehnika, ki uporablja več oddajnikov LED za osvetlitev krvnih žil pod površino kože in sprejemnik fotodiode za zaznavanje signala odbite svetlobe za izračun SpO2. Medtem ko je postalo skupna značilnost mnogih nosljivih naprav, ki se nosijo na zapestju, je svetlobni signal PPG dovzeten za motnje zaradi artefaktov gibanja in prehodnih sprememb v osvetlitvi okolja, kar lahko privede do napačnih odčitkov, kar pomeni, da te naprave ne zagotavljajo meritev klinične stopnje. V kliničnem okolju , se SpO2 meri s pomočjo pulznega oksimetra, ki ga nosite na prstu (slika 2), običajno stalno pritrjenega na nepremični pacientov prst. Čeprav obstajajo prenosne različice na baterije, so primerne le za občasne meritve.
Za zdrav srčni utrip (HR) se na splošno šteje, da je v razponu od 60 do 100 utripov na minuto, vendar časovni interval med posameznimi srčnimi utripi ni konstanten. Običajno se imenuje variabilnost srčnega utripa (HRV), kar pomeni, da srčni utrip je povprečje, izmerjeno v več ciklih srčnega utripa. Pri zdravih posameznikih sta srčni utrip in utrip skoraj enaka, ker z vsakim krčenjem srčne mišice kri preteče po telesu. Vendar pa lahko nekatera resna srčna obolenja povzročijo srčni in utrip se razlikujeta.
Na primer, pri aritmijah, kot je atrijska fibrilacija (Afib), vsako krčenje srčne mišice ne črpa krvi po telesu – namesto tega se kri kopiči v samih srčnih komorah, kar je lahko smrtno nevarno. Atrijska fibrilacija je lahko težavna zaznati, ker se včasih pojavlja občasno in le v kratkih intervalih.
Po podatkih Svetovne zdravstvene organizacije Afib povzroči eno od štirih možganskih kapi pri ljudeh, starejših od 40 let, kar dokazuje pomembnost odkrivanja in zdravljenja bolezni. Ker senzorji PPG izvajajo optične meritve pod isto predpostavko kot HR in srčnega utripa, se nanje ni mogoče zanesti pri odkrivanju AF. To zahteva neprekinjeno snemanje električne aktivnosti srca -- grafično predstavitev električnih signalov srca, imenovano elektrokardiogram (EKG) -- v dolgih časovnih intervalih.
Holterjevi monitorji so najpogostejši klinični prenosni pripomočki, ki se uporabljajo v ta namen. Čeprav uporabljajo manj elektrod kot statični EKG monitorji, ki se uporabljajo v kliničnih okoljih, so lahko zajetni in neudobni za nošenje, zlasti med spanjem.
12–20 vdihov na minuto je pričakovana frekvenca dihanja (RR) za večino zdravih posameznikov. Stopnja RR nad 30 vdihov na minuto je lahko pokazatelj dihalne stiske zaradi vročine ali drugih vzrokov. Medtem ko nekatere rešitve nosljivih naprav uporabljajo merilnik pospeška ali PPG tehnologija za sklepanje o RR, meritve RR klinične stopnje se izvajajo z uporabo informacij v signalu EKG ali z uporabo bioimpedančnega (BioZ) senzorja, ki uporablja dva senzorja za karakterizacijo električne impedance kože. Ena ali več elektrod, pritrjenih na pacientovo telo.
Medtem ko je funkcija EKG, odobrena s strani FDA, na voljo v nekaterih vrhunskih nosljivih izdelkih za zdravje in fitnes, je zaznavanje bioimpedance funkcija, ki običajno ni na voljo, ker zahteva vključitev ločenega IC senzorja BioZ. Senzor BioZ poleg RR podpira bioelektrične Impedančna analiza (BIA) in bioelektrična impedančna spektroskopija (BIS), ki se uporabljata za merjenje ravni sestave telesnih mišic, maščobe in vode. Senzor BioZ podpira tudi impedančno elektrokardiografijo (ICG) in se uporablja za merjenje galvanskega odziva kože ( GSR), ki je lahko koristen pokazatelj stresa.
Slika 1 prikazuje funkcionalni blokovni diagram AFE IC za vitalne znake klinične stopnje, ki združuje funkcionalnost treh ločenih senzorjev (PPG, EKG in BioZ) v en sam paket.
Slika 1 MAX86178 ultra-nizke porabe, 3-v-1 klinične stopnje vitalnih znakov AFE (Vir: Analog Devices)
Njegov dvokanalni optični sistem za pridobivanje podatkov PPG podpira do 6 LED in 4 fotodiodne vhode, pri čemer je LED mogoče programirati prek dveh visokonapetostnih 8-bitnih gonilnikov LED. Sprejemna pot ima dva kanala za odčitavanje z nizkim šumom in visoko ločljivostjo, vsak vključuje neodvisne 20-bitne ADC-je in vezje za izničenje ambientalne svetlobe, ki zagotavlja več kot 90 dB ambientalne zavrnitve pri 120 Hz. SNR kanala PPG je kar 113 dB, kar podpira merjenje SpO2 samo 16 µA.
Kanal EKG je popolna signalna veriga, ki zagotavlja vse ključne funkcije, potrebne za zbiranje visokokakovostnih podatkov EKG, kot so prilagodljivo ojačenje, kritično filtriranje, nizek šum, visoka vhodna impedanca in več možnosti pristranskosti odvoda. Dodatne funkcije, kot je hitro okrevanje , zaznavanje kabla AC in DC, zaznavanje kabla z ultra nizko močjo in pogon desne noge omogočajo robustno delovanje v zahtevnih aplikacijah, kot so naprave za nošenje na zapestju s suhimi elektrodami. Analogna signalna veriga poganja 18-bitni sigma-delta ADC s širokim razponom izhodnih vzorčnih stopenj, ki jih lahko izbere uporabnik.
Sprejemni kanali BioZ imajo EMI filtriranje in obsežno kalibracijo. Sprejemni kanali BioZ imajo tudi visoko vhodno impedanco, nizek šum, programabilno ojačanje, možnosti nizkopasovnega in visokoprepustnega filtra ter ADC-je visoke ločljivosti. Obstaja več načinov za generiranje vhodnih dražljajev: uravnotežen pravokotni tok izvora/ponora, sinusni tok ter napetostna stimulacija s sinusnim in kvadratnim valom. Na voljo so različne amplitude in frekvence stimulacije. Podpira tudi aplikacije BIA, BIS, ICG in GSR.
Časovni podatki FIFO omogočajo sinhronizacijo vseh treh senzorskih kanalov. AFE IC, ki je v ohišju rezin (WLP) 7 x 7 s 49 izboklinami, meri samo 2,6 mm x 2,8 mm, zaradi česar je idealen za načrtovanje kot klinični razred nosljiv obliž na prsih (slika 2).
Slika 2 Obliž na prsih z dvema mokrima elektrodama, ki podpira BIA in neprekinjeno RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (Vir: Analog Devices)
Slika 3 ponazarja, kako je ta AFE lahko zasnovan kot nosilec na zapestju za zagotavljanje BIA in EKG na zahtevo z neprekinjenim HR, SpO2 in EDA/GSR.
Slika 3: Naprava za nošenje na zapestju s štirimi suhimi elektrodami, ki podpira BIA in EKG, z neprekinjenim HR, SpO2 in GSR AFE (Vir: Analog Devices)
SpO2, srčni utrip, EKG in RR so pomembne meritve vitalnih znakov, ki jih zdravstveni delavci uporabljajo v diagnostične namene. Neprekinjeno spremljanje vitalnih znakov z uporabo nosljivih naprav bo ključna sestavina prihodnjih modelov zdravstvenega varstva, saj bodo napovedovali začetek bolezni, preden se pojavijo simptomi.
Številni trenutno razpoložljivi monitorji vitalnih znakov proizvajajo meritve, ki jih zdravstveni delavci ne morejo uporabljati, ker senzorji, ki jih uporabljajo, niso klinične stopnje, medtem ko drugi preprosto nimajo možnosti natančnega merjenja RR, ker ne vključujejo senzorjev BioZ.
V tej oblikovalski rešitvi prikazujemo IC, ki združuje tri senzorje klinične stopnje - PPG, EKG in BioZ v en sam paket, in prikazujemo, kako ga je mogoče oblikovati v nosljive naprave na prsih in zapestju za merjenje SpO2, HR, EKG in RR , hkrati pa zagotavlja druge uporabne funkcije, povezane z zdravjem, vključno z BIA, BIS, GSR in ICG. Poleg tega, da se uporablja v nosljivih napravah kliničnega razreda, je IC idealen za integracijo v pametna oblačila za zagotavljanje vrste informacij, ki visoko športniki potrebujejo.
Andrew Burt je izvršni poslovni direktor poslovne enote za industrijo in zdravstvo, Analog Devices
Čas objave: 5. avgusta 2022