Vikten av fysiologiska vitala tecken som indikatorer på människors hälsa har länge förståtts av medicinsk personal, men den nuvarande covid-19-pandemin har också ökat allmänhetens medvetenhet om dess betydelse.
Tyvärr kan de flesta människor som genomgår kontinuerlig övervakning av vitala tecken redan befinna sig i en klinisk miljö där de behandlas för akut sjukdom. Istället för att använda vitala tecken som en indikator på effektiviteten av sjukdomsbehandling och patientåterhämtning, kommer den framtida modellen av sjukvården kommer att använda kontinuerlig och distansövervakning av vitala tecken som ett verktyg för att identifiera potentiella indikatorer på sjukdomsdebut, vilket gör det möjligt för läkare att ingripa i utvecklingen av allvarlig sjukdom.Den tidigaste möjligheten tidigare.
Det är tänkt att den ökande integrationen av sensorer av klinisk kvalitet så småningom kommer att möjliggöra utvecklingen av engångs-, bärbara hälsoplåster för vitala tecken som regelbundet kan kasseras och bytas ut, såsom kontaktlinser.
Även om många hälso- och träningskläder inkluderar mätmöjligheter för vitala tecken, kan integriteten hos deras avläsningar ifrågasättas av ett antal anledningar, inklusive kvaliteten på de sensorer som används (de flesta är inte av klinisk kvalitet), var de är installerade och var sensorerna kvaliteten på.Fysisk kontakt medan du bär.
Även om dessa enheter är tillräckliga för icke-sjukvårdspersonals önskan om tillfällig självobservation med en bekväm och bekväm bärbar enhet, är de inte lämpliga för utbildad medicinsk personal att korrekt bedöma individuell hälsa och ställa välgrundade diagnoser.
Å andra sidan kan enheter som för närvarande används för att tillhandahålla observationer av vitala tecken av klinisk kvalitet över längre tidsintervall vara skrymmande och obekväma och ha varierande grader av portabilitet. I den här designlösningen granskar vi den kliniska betydelsen av fyra mätningar av vitala tecken – blod syremättnad (SpO2), hjärtfrekvens (HR), elektrokardiogram (EKG) och andningsfrekvens (RR) – och överväg att tillhandahålla klinisk bästa sensortyp - avläsningar för varje klass.
Syremättnadsnivåer i blodet hos friska individer är vanligtvis runt 95-100%. En SpO2-nivå på 93 % eller lägre kan dock indikera att en individ upplever andnöd – som ett vanligt symptom hos patienter med covid-19 – vilket gör det till en viktigt vital tecken för regelbunden övervakning av medicinsk personal. Fotopletysmografi (PPG) är en optisk mätteknik som använder flera LED-sändare för att belysa blodkärl under hudens yta och en fotodiodmottagare för att detektera den reflekterade ljussignalen för att beräkna SpO2. Medan det har blivit PPG-ljussignalen är ett vanligt kännetecken för många bärbara produkter som bärs på handleden och är känslig för störningar från rörelseartefakter och övergående förändringar i omgivande belysning, vilket kan leda till felaktiga avläsningar, vilket innebär att dessa enheter inte ger kliniska mätningar. I en klinisk miljö , SpO2 mäts med en fingerburen pulsoximeter (Figur 2), vanligtvis kontinuerligt fäst vid en stationär patients finger. Medan batteridrivna bärbara versioner finns, är de endast lämpliga för att göra intermittenta mätningar.
En hälsosam hjärtfrekvens (HR) anses generellt ligga i intervallet 60-100 slag per minut, men tidsintervallet mellan individuella hjärtslag är inte konstant. Detta kallas vanligtvis hjärtfrekvensvariabilitet (HRV), vilket betyder att hjärtfrekvensen är ett medelvärde som mäts över flera hjärtslagscykler. Hos friska individer är hjärtfrekvensen och pulsfrekvensen nästan desamma, eftersom blodet pumpas genom hela kroppen vid varje sammandragning av hjärtmuskeln. Vissa allvarliga hjärtsjukdomar kan dock orsaka hjärt- och pulsfrekvenser skiljer sig åt.
Till exempel, vid arytmier som förmaksflimmer (Afib), pumpar inte varje muskelsammandragning i hjärtat blod genom hela kroppen - istället ackumuleras blod i själva hjärtats kammare, vilket kan vara livshotande. Förmaksflimmer kan vara svårt att upptäcka eftersom det ibland inträffar intermittent och endast under korta korta intervaller.
Enligt Världshälsoorganisationen orsakar Afib en av fyra stroke hos personer över 40 år, ett faktum som visar vikten av att kunna upptäcka och behandla sjukdomen. Eftersom PPG-sensorer gör optiska mätningar under samma antagande som HR och pulsfrekvens, kan de inte lita på att detektera AF. Detta kräver kontinuerliga registreringar av hjärtats elektriska aktivitet - en grafisk representation av hjärtats elektriska signaler som kallas ett elektrokardiogram (EKG) - över långa tidsintervall.
Holter-monitorer är de vanligaste bärbara enheterna av klinisk kvalitet som används för detta ändamål. Även om de använder färre elektroder än statiska EKG-monitorer som används i kliniska miljöer, kan de vara skrymmande och obekväma att bära, särskilt när de sover.
12-20 andetag per minut är den förväntade andningsfrekvensen (RR) för de flesta friska individer. En RR-frekvens över 30 andetag per minut kan vara en indikator på andnöd på grund av feber eller andra orsaker. Medan vissa lösningar för bärbara enheter använder accelerometer eller PPG teknik för att härleda RR, kliniska RR-mätningar utförs med hjälp av information som finns i EKG-signalen eller med hjälp av en bioimpedanssensor (BioZ) som använder två sensorer för att karakterisera hudens elektriska impedans. En eller flera elektroder fästa på patientens kropp.
Medan FDA-godkänd EKG-funktion är tillgänglig i vissa avancerade hälso- och träningskläder, är bioimpedansavkänning en funktion som vanligtvis inte är tillgänglig eftersom den kräver inkludering av en separat BioZ-sensor IC. Förutom RR stöder BioZ-sensorn Bioelectrical Impedansanalys (BIA) och bioelektrisk impedansspektroskopi (BIS), som båda används för att mäta sammansättningsnivåerna av kroppsmuskel, fett och vatten. BioZ-sensorn stöder även impedanselektrokardiografi (ICG) och används för att mäta galvanisk hudrespons ( GSR), vilket kan vara en användbar indikator på stress.
Figur 1 visar ett funktionsblockschema över en AFE IC för vitala tecken av klinisk kvalitet som integrerar funktionaliteten hos tre separata sensorer (PPG, EKG och BioZ) i ett enda paket.
Figur 1 MAX86178 ultralåg effekt, 3-i-1 klinisk kvalitet vitala tecken AFE (Källa: Analog Devices)
Dess dubbelkanaliga PPG optiska datainsamlingssystem stöder upp till 6 lysdioder och 4 fotodiodingångar, med lysdioderna programmerbara via två högströms, 8-bitars LED-drivrutiner. Mottagningsvägen har två lågbrus-, högupplösta avläsningskanaler, var och en inkluderar oberoende 20-bitars ADC:er och kretsar för annullering av omgivande ljus, vilket ger över 90dB av omgivningsavvisning vid 120Hz. SNR för PPG-kanalen är så hög som 113dB, vilket stöder SpO2-mätning på endast 16µA.
EKG-kanalen är en komplett signalkedja som tillhandahåller alla nyckelfunktioner som behövs för att samla in högkvalitativa EKG-data, såsom flexibel förstärkning, kritisk filtrering, lågt brus, hög ingångsimpedans och flera elektrodförspänningsalternativ. Ytterligare funktioner såsom snabb återhämtning , AC- och DC-ledningsdetektering, ultralågströmsledningsdetektion och högerbensdrift möjliggör robust drift i krävande applikationer som handledsburna enheter med torra elektroder. Den analoga signalkedjan driver en 18-bitars sigma-delta ADC med ett brett utbud av användarvalbara utdatasamplingsfrekvenser.
BioZ-mottagningskanaler har EMI-filtrering och omfattande kalibrering.BioZ-mottagningskanaler har också hög ingångsimpedans, lågt brus, programmerbar förstärkning, lågpass- och högpassfilteralternativ och högupplösta ADC:er. Det finns flera lägen för att generera ingångsstimuli: balanserad fyrkantsvågskälla/sänkström, sinusvågsström och sinusvågs- och fyrkantvågsspänningsstimulering. En mängd olika stimuleringsamplituder och frekvenser finns tillgängliga. Den stöder även BIA, BIS, ICG och GSR-applikationer.
FIFO-timingdata gör att alla tre sensorkanalerna kan synkroniseras. Inrymd i ett 7 x 7 49-bump wafer-level-paket (WLP), mäter AFE IC endast 2,6 mm x 2,8 mm, vilket gör den idealisk för design som en klinisk kvalitet bärbart bröstplåster (Figur 2).
Figur 2 Bröstplåster med två våta elektroder, stödjer BIA och kontinuerlig RR/ICG, EKG, SpO2 AFE (Källa: Analog Devices)
Figur 3 illustrerar hur denna AFE kan utformas som en bärbar utrustning för att ge on-demand BIA och EKG med kontinuerlig HR, SpO2 och EDA/GSR.
Figur 3: Handledsburen enhet med fyra torra elektroder som stöder BIA och EKG, med kontinuerlig HR, SpO2 och GSR AFE (Källa: Analog Devices)
SpO2, HR, EKG och RR är viktiga mätningar av vitala tecken som används av vårdpersonal i diagnostiska syften. Kontinuerlig övervakning av vitala tecken med hjälp av bärbara enheter kommer att vara en nyckelkomponent i framtida vårdmodeller, som förutsäger sjukdomsdebut innan symtom uppträder.
Många av de för närvarande tillgängliga monitorerna för vitala tecken producerar mätningar som inte kan användas av sjukvårdspersonal eftersom sensorerna de använder inte är av klinisk kvalitet, medan andra helt enkelt inte har förmågan att noggrant mäta RR eftersom de inte inkluderar BioZ-sensorer.
I den här designlösningen demonstrerar vi en IC som integrerar tre sensorer av klinisk kvalitet - PPG, EKG och BioZ i ett enda paket och visar hur den kan designas i bröst- och handledskläder för att mäta SpO2, HR, EKG och RR , samtidigt som den tillhandahåller andra användbara hälsorelaterade funktioner, inklusive BIA, BIS, GSR och ICG. Förutom att användas i klädsel av klinisk kvalitet är IC idealisk för integrering i smarta kläder för att tillhandahålla den typ av information som hög- prestation idrottare behöver.
Andrew Burt är Executive Business Manager, Industrial and Healthcare Business Unit, Analog Devices
Posttid: 2022-05-05