ผู้เชี่ยวชาญทางการแพทย์เข้าใจความสำคัญของสัญญาณชีพทางสรีรวิทยาในฐานะตัวบ่งชี้สุขภาพของมนุษย์มานานแล้ว แต่การแพร่ระบาดของไวรัสโควิด-19 ในปัจจุบันได้สร้างความตระหนักรู้ของสาธารณชนถึงความสำคัญของสัญญาณชีพดังกล่าว
น่าเสียดายที่คนส่วนใหญ่ที่พบว่าตนเองได้รับการตรวจติดตามสัญญาณชีพอย่างต่อเนื่องอาจอยู่ในสถานพยาบาลที่กำลังเข้ารับการรักษาอาการเจ็บป่วยเฉียบพลัน แทนที่จะใช้สัญญาณชีพเป็นตัวชี้วัดประสิทธิผลของการรักษาโรคและการฟื้นตัวของผู้ป่วย รูปแบบในอนาคตของ การดูแลสุขภาพจะใช้การติดตามสัญญาณชีพอย่างต่อเนื่องและระยะไกลเป็นเครื่องมือในการระบุตัวบ่งชี้ที่อาจเกิดโรค ช่วยให้แพทย์สามารถแทรกแซงในการพัฒนาของโรคร้ายแรงได้โอกาสแรกสุดมาก่อน
มีการคาดการณ์ว่าการบูรณาการที่เพิ่มขึ้นของเซ็นเซอร์ระดับทางคลินิกในที่สุดจะช่วยให้สามารถพัฒนาแผ่นแปะสุขภาพสัญญาณชีพแบบใช้แล้วทิ้งที่สวมใส่ได้ ซึ่งสามารถกำจัดและเปลี่ยนได้เป็นประจำ เช่น คอนแทคเลนส์
แม้ว่าอุปกรณ์สวมใส่เพื่อสุขภาพและการออกกำลังกายจำนวนมากจะมีความสามารถในการวัดสัญญาณชีพ แต่ความสมบูรณ์ของการอ่านค่าอาจถูกตั้งคำถามด้วยเหตุผลหลายประการ รวมถึงคุณภาพของเซ็นเซอร์ที่ใช้ (ส่วนใหญ่ไม่ใช่เกรดทางการแพทย์) ตำแหน่งที่ติดตั้ง และตำแหน่งเซ็นเซอร์ คุณภาพของการสัมผัสทางกายภาพขณะสวมใส่
แม้ว่าอุปกรณ์เหล่านี้จะเพียงพอสำหรับความต้องการของผู้ประกอบวิชาชีพที่ไม่เกี่ยวข้องกับสุขภาพในการสังเกตตนเองแบบไม่เป็นทางการโดยใช้อุปกรณ์ที่สวมใส่ได้สะดวก แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับผู้เชี่ยวชาญทางการแพทย์ที่ได้รับการฝึกอบรมในการประเมินสุขภาพของแต่ละบุคคลอย่างเหมาะสมและทำการวินิจฉัยโดยอาศัยข้อมูล
ในทางกลับกัน อุปกรณ์ที่ใช้ในการสังเกตสัญญาณชีพระดับทางคลินิกในช่วงเวลาที่นานขึ้นอาจมีขนาดใหญ่และไม่สบายตัว และมีการพกพาได้ในระดับที่แตกต่างกัน ในโซลูชันการออกแบบนี้ เราจะตรวจสอบความสำคัญทางคลินิกของการตรวจวัดสัญญาณชีพสี่ครั้ง ซึ่งได้แก่ เลือด ความอิ่มตัวของออกซิเจน (SpO2) อัตราการเต้นของหัวใจ (HR) คลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) และอัตราการหายใจ (RR) และพิจารณาจัดให้มีประเภทเซ็นเซอร์ที่ดีที่สุดทางคลินิก - การอ่านสำหรับแต่ละเกรด
ระดับความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดในบุคคลที่มีสุขภาพดีมักจะอยู่ที่ประมาณ 95-100% อย่างไรก็ตาม ระดับ SpO2 ที่ 93% หรือต่ำกว่าอาจบ่งชี้ว่าบุคคลนั้นประสบปัญหาทางเดินหายใจ เช่น อาการทั่วไปในผู้ป่วยโควิด-19 ทำให้เป็น สัญญาณชีพที่สำคัญสำหรับการตรวจติดตามอย่างสม่ำเสมอโดยแพทย์ผู้เชี่ยวชาญ Photoplethysmography (PPG) เป็นเทคนิคการตรวจวัดด้วยแสงที่ใช้ตัวปล่อย LED หลายตัวเพื่อส่องสว่างหลอดเลือดใต้ผิวหนัง และใช้ตัวรับโฟโตไดโอดเพื่อตรวจจับสัญญาณแสงสะท้อนเพื่อคำนวณ SpO2 ในขณะที่มันกลายเป็น ซึ่งเป็นคุณลักษณะทั่วไปของอุปกรณ์สวมใส่ที่สวมข้อมือ สัญญาณไฟ PPG ไวต่อการรบกวนจากสิ่งแปลกปลอมในการเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวของแสงโดยรอบ ซึ่งอาจนำไปสู่การอ่านค่าที่ผิดพลาด ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ได้ให้การวัดระดับทางคลินิก ในสถานพยาบาล , SpO2 วัดโดยใช้เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่สวมนิ้ว (รูปที่ 2) ซึ่งมักจะติดอยู่กับนิ้วของผู้ป่วยที่อยู่นิ่งอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าจะมีรุ่นพกพาที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ แต่ก็เหมาะสำหรับการวัดเป็นระยะๆ เท่านั้น
อัตราการเต้นของหัวใจที่ดี (HR) โดยทั่วไปถือว่าอยู่ในช่วง 60-100 ครั้งต่อนาที อย่างไรก็ตาม ช่วงเวลาระหว่างการเต้นของหัวใจแต่ละครั้งไม่คงที่ โดยทั่วไปเรียกว่าความแปรปรวนของอัตราการเต้นของหัวใจ (HRV) ซึ่งหมายความว่า อัตราการเต้นของหัวใจเป็นค่าเฉลี่ยที่วัดในรอบการเต้นของหัวใจหลายๆ รอบ ในบุคคลที่มีสุขภาพดี อัตราการเต้นของหัวใจและอัตราชีพจรจะใกล้เคียงกัน เพราะในการหดตัวของกล้ามเนื้อหัวใจแต่ละครั้ง เลือดจะสูบฉีดไปทั่วร่างกาย อย่างไรก็ตาม ภาวะหัวใจที่ร้ายแรงบางอย่างอาจทำให้เกิด อัตราการเต้นของหัวใจและชีพจรจะแตกต่างกัน
ตัวอย่างเช่น ในภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ เช่น ภาวะหัวใจห้องบนเต้นผิดจังหวะ (Afib) ไม่ใช่การหดตัวของกล้ามเนื้อทุกส่วนในหัวใจที่จะสูบฉีดเลือดไปทั่วร่างกาย แต่เลือดจะสะสมอยู่ในห้องของหัวใจแทน ซึ่งอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตได้ ภาวะหัวใจห้องบนอาจทำได้ยาก เพื่อตรวจจับเพราะบางครั้งเกิดขึ้นเป็นระยะๆ และเพียงช่วงสั้นๆ เท่านั้น
จากข้อมูลขององค์การอนามัยโลก Afib เป็นสาเหตุหนึ่งในสี่ของโรคหลอดเลือดสมองในผู้ที่มีอายุเกิน 40 ปี ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของความสามารถในการตรวจจับและรักษาโรคได้ เนื่องจากเซ็นเซอร์ PPG ทำการวัดด้วยแสงภายใต้สมมติฐานเดียวกันกับ HR และ อัตราชีพจรไม่สามารถพึ่งพาการตรวจจับ AF ได้ ซึ่งต้องมีการบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นการแสดงสัญญาณไฟฟ้าของหัวใจที่เรียกว่าคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) แบบกราฟิกอย่างต่อเนื่องในช่วงเวลาที่ยาวนาน
จอภาพ Holter เป็นอุปกรณ์พกพาระดับทางคลินิกทั่วไปที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ แม้ว่าจอภาพจะใช้อิเล็กโทรดน้อยกว่าจอภาพ ECG แบบคงที่ที่ใช้ในสถานพยาบาล แต่ก็อาจมีขนาดใหญ่และไม่สบายตัวในการสวมใส่ โดยเฉพาะในขณะนอนหลับ
12-20 ครั้งต่อนาทีคืออัตราการหายใจที่คาดหวัง (RR) สำหรับบุคคลที่มีสุขภาพดีส่วนใหญ่ อัตรา RR ที่สูงกว่า 30 ครั้งต่อนาทีอาจเป็นตัวบ่งชี้ภาวะหายใจลำบากเนื่องจากไข้หรือสาเหตุอื่นๆ ในขณะที่โซลูชันอุปกรณ์สวมใส่ได้บางอย่างใช้มาตรความเร่งหรือ PPG เทคโนโลยีเพื่ออนุมาน RR การวัด RR ระดับทางคลินิกจะดำเนินการโดยใช้ข้อมูลที่มีอยู่ในสัญญาณ ECG หรือใช้เซ็นเซอร์ bioimpedance (BioZ) ที่ใช้เซ็นเซอร์สองตัวเพื่อระบุลักษณะความต้านทานไฟฟ้าของผิวหนัง อิเล็กโทรดหนึ่งหรือหลายตัวที่ติดอยู่กับร่างกายของผู้ป่วย
แม้ว่าฟังก์ชัน ECG ที่ผ่านการรับรองโดย FDA จะมีให้ใช้งานในอุปกรณ์สวมใส่เพื่อสุขภาพและการออกกำลังกายระดับไฮเอนด์บางรุ่น การตรวจจับอิมพีแดนซ์ทางชีวภาพเป็นคุณสมบัติที่ปกติไม่สามารถใช้งานได้เนื่องจากจำเป็นต้องรวม IC เซ็นเซอร์ BioZ แยกต่างหาก นอกเหนือจาก RR แล้ว เซ็นเซอร์ BioZ ยังรองรับไฟฟ้าชีวภาพด้วย การวิเคราะห์อิมพีแดนซ์ (BIA) และสเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์อิมพีแดนซ์ (BIS) ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ใช้ในการวัดระดับองค์ประกอบของกล้ามเนื้อร่างกาย ไขมัน และน้ำ เซ็นเซอร์ BioZ ยังรองรับการตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจอิมพีแดนซ์ (ICG) และใช้ในการวัดการตอบสนองของผิวหนังกัลวานิก ( GSR) ซึ่งอาจเป็นตัวบ่งชี้ความเครียดที่มีประโยชน์
รูปที่ 1 แสดงบล็อกไดอะแกรมการทำงานของ AFE IC สัญญาณชีพระดับทางคลินิกที่รวมการทำงานของเซ็นเซอร์สามตัวที่แยกจากกัน (PPG, ECG และ BioZ) ไว้ในแพ็คเกจเดียว
รูปที่ 1 MAX86178 สัญญาณชีพระดับคลินิกแบบ 3-in-1 พลังงานต่ำเป็นพิเศษ AFE (ที่มา: อุปกรณ์อะนาล็อก)
ระบบเก็บข้อมูลออปติคัล PPG แบบสองช่องสัญญาณรองรับไฟ LED สูงสุด 6 ดวงและอินพุตโฟโตไดโอด 4 ช่อง โดยไฟ LED สามารถตั้งโปรแกรมผ่านไดรเวอร์ LED 8 บิตกระแสสูงสองตัว เส้นทางรับมีสองช่องสัญญาณรบกวนต่ำและการอ่านข้อมูลความละเอียดสูง แต่ละตัวมี ADC 20 บิตอิสระและวงจรตัดแสงโดยรอบ โดยให้การปฏิเสธโดยรอบมากกว่า 90dB ที่ 120Hz SNR ของช่อง PPG สูงถึง 113dB รองรับการวัด SpO2 ที่ 16µA เท่านั้น
ช่องสัญญาณ ECG เป็นสายโซ่สัญญาณที่สมบูรณ์ซึ่งมีคุณสมบัติหลักทั้งหมดที่จำเป็นในการรวบรวมข้อมูล ECG คุณภาพสูง เช่น อัตราขยายที่ยืดหยุ่น การกรองที่สำคัญ สัญญาณรบกวนต่ำ ความต้านทานอินพุตสูง และตัวเลือกลีดไบแอสหลายตัว คุณสมบัติเพิ่มเติม เช่น การกู้คืนที่รวดเร็ว , การตรวจจับลีด AC และ DC, การตรวจจับลีดพลังงานต่ำเป็นพิเศษ และการขับเคลื่อนขาขวาทำให้การทำงานมีประสิทธิภาพในการใช้งานที่ต้องการความต้องการสูง เช่น อุปกรณ์ที่สวมใส่ข้อมือที่มีอิเล็กโทรดแบบแห้ง ห่วงโซ่สัญญาณอะนาล็อกขับเคลื่อน ADC ซิกมาเดลต้า 18 บิตที่มีช่วงกว้าง ของอัตราตัวอย่างเอาต์พุตที่ผู้ใช้สามารถเลือกได้
ช่องรับ BioZ มีการกรอง EMI และการสอบเทียบที่ครอบคลุม ช่องรับ BioZ ยังมีความต้านทานอินพุตสูง สัญญาณรบกวนต่ำ อัตราขยายที่ตั้งโปรแกรมได้ ตัวเลือกตัวกรองผ่านความถี่ต่ำและสูงผ่าน และ ADC ความละเอียดสูง มีหลายโหมดสำหรับการสร้างสิ่งเร้าอินพุต: แหล่งกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมที่สมดุล/กระแสอ่างล้างจาน กระแสคลื่นไซน์ และคลื่นไซน์และการกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าคลื่นสี่เหลี่ยม มีแอมพลิจูดและความถี่ในการกระตุ้นที่หลากหลาย นอกจากนี้ยังรองรับแอปพลิเคชัน BIA, BIS, ICG และ GSR
ข้อมูลการกำหนดเวลา FIFO ช่วยให้สามารถซิงโครไนซ์ช่องเซ็นเซอร์ทั้งสามช่องได้ AFE IC มีขนาดเพียง 2.6 มม. x 2.8 มม. ซึ่งอยู่ในแพ็กเกจระดับเวเฟอร์ (WLP) ขนาด 7 x 7 49-bump ซึ่งมีขนาดเพียง 2.6 มม. x 2.8 มม. ทำให้เหมาะสำหรับการออกแบบในระดับคลินิก แผ่นแปะหน้าอกแบบสวมใส่ได้ (รูปที่ 2)
รูปที่ 2 แผ่นแปะหน้าอกที่มีอิเล็กโทรดเปียก 2 อัน รองรับ BIA และ RR/ICG, ECG, SpO2 AFE แบบต่อเนื่อง (ที่มา: อุปกรณ์อะนาล็อก)
รูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่า AFE นี้สามารถออกแบบให้เป็นอุปกรณ์สวมใส่ข้อมือเพื่อมอบ BIA และ ECG ตามความต้องการด้วย HR, SpO2 และ EDA/GSR อย่างต่อเนื่องได้อย่างไร
รูปที่ 3: อุปกรณ์ที่สวมใส่ข้อมือที่มีอิเล็กโทรดแห้งสี่อิเล็กโทรด รองรับ BIA และ ECG พร้อมด้วย HR, SpO2 และ GSR AFE อย่างต่อเนื่อง (ที่มา: อุปกรณ์อะนาล็อก)
SpO2, HR, ECG และ RR คือการวัดสัญญาณชีพที่สำคัญที่ผู้เชี่ยวชาญด้านสุขภาพใช้เพื่อการวินิจฉัย การตรวจติดตามสัญญาณชีพอย่างต่อเนื่องโดยใช้อุปกรณ์สวมใส่จะเป็นองค์ประกอบสำคัญของโมเดลการดูแลสุขภาพในอนาคต โดยคาดการณ์การเกิดโรคก่อนที่อาการจะปรากฏ
เครื่องตรวจวัดสัญญาณชีพที่มีอยู่ในปัจจุบันจำนวนมากผลิตการวัดที่ผู้เชี่ยวชาญด้านสุขภาพไม่สามารถนำมาใช้ได้ เนื่องจากเซ็นเซอร์ที่ใช้ไม่ใช่ระดับทางคลินิก ในขณะที่เครื่องอื่นๆ ไม่มีความสามารถในการวัด RR ได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากไม่มีเซ็นเซอร์ BioZ
ในโซลูชันการออกแบบนี้ เราสาธิต IC ที่รวมเซ็นเซอร์ระดับทางคลินิกสามตัว ได้แก่ PPG, ECG และ BioZ ไว้ในแพ็คเกจเดียว และแสดงให้เห็นว่าสามารถออกแบบให้เป็นอุปกรณ์สวมใส่ที่หน้าอกและข้อมือได้อย่างไร เพื่อวัด SpO2, HR, ECG และ RR ในขณะเดียวกันก็มอบฟังก์ชันที่เป็นประโยชน์ด้านสุขภาพอื่นๆ อีกด้วย เช่น BIA, BIS, GSR และ ICG นอกเหนือจากการใช้บนอุปกรณ์สวมใส่ระดับคลินิกแล้ว IC ยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการบูรณาการเข้ากับเสื้อผ้าอัจฉริยะเพื่อให้ข้อมูลประเภทที่มี- สมรรถนะที่นักกีฬาต้องการ
Andrew Burt เป็นผู้จัดการฝ่ายธุรกิจบริหาร หน่วยธุรกิจอุตสาหกรรมและการดูแลสุขภาพ อุปกรณ์อะนาล็อก
เวลาโพสต์: 05 ส.ค.-2022