Ang kahalagahan ng physiological vital sign bilang mga indicator ng kalusugan ng tao ay matagal nang naiintindihan ng mga medikal na propesyonal, ngunit ang kasalukuyang pandemya ng COVID-19 ay nagpapataas din ng kamalayan ng publiko sa kahalagahan nito.
Sa kasamaang palad, karamihan sa mga tao na sumasailalim sa patuloy na pagsubaybay sa vital sign ay maaaring nasa isang klinikal na setting kung saan sila ginagamot para sa matinding karamdaman. Ang pangangalagang pangkalusugan ay gagamit ng tuloy-tuloy at malayuang pagsubaybay sa vital sign bilang isang tool upang matukoy ang mga potensyal na indicator ng pagsisimula ng sakit, na nagpapahintulot sa mga clinician na makialam sa pag-unlad ng malubhang sakit.Ang pinakaunang pagkakataon noon.
Inaasahan na ang pagtaas ng integrasyon ng mga sensor na may gradong klinikal ay magbibigay-daan sa pag-unlad ng mga disposable, naisusuot na mga vital sign na mga patch sa kalusugan na maaaring regular na itapon at palitan, tulad ng mga contact lens.
Bagama't maraming mga health at fitness wearable ang may kasamang mga kakayahan sa pagsukat ng mga vital sign, ang integridad ng kanilang mga pagbabasa ay maaaring tanungin para sa ilang kadahilanan, kabilang ang kalidad ng mga sensor na ginamit (karamihan ay hindi klinikal na grado), kung saan sila naka-install, at kung saan ang mga sensor. ang kalidad ng.Pisikal na pakikipag-ugnayan habang may suot.
Bagama't sapat ang mga device na ito para sa pagnanais ng mga hindi propesyonal sa kalusugan para sa kaswal na pagmamasid sa sarili gamit ang isang maginhawa at kumportableng naisusuot na device, hindi angkop ang mga ito para sa mga sinanay na medikal na propesyonal upang maayos na masuri ang indibidwal na kalusugan at gumawa ng matalinong mga diagnosis.
Sa kabilang banda, ang mga device na kasalukuyang ginagamit upang magbigay ng clinical-grade na mga obserbasyon sa vital sign sa mas mahabang agwat ng oras ay maaaring maging malaki at hindi komportable, at may iba't ibang antas ng portability. Sa solusyon sa disenyong ito, sinusuri namin ang klinikal na kahalagahan ng apat na pagsukat ng vital sign—dugo oxygen saturation (SpO2), heart rate (HR), electrocardiogram (ECG), at respiration rate (RR)—at isaalang-alang ang pagbibigay ng klinikal na Pinakamahusay na Uri ng Sensor - Mga Pagbasa para sa bawat grado.
Ang mga antas ng saturation ng oxygen sa dugo sa mga malulusog na indibidwal ay karaniwang nasa 95-100%.Gayunpaman, ang isang antas ng SpO2 na 93% o mas mababa ay maaaring magpahiwatig na ang isang indibidwal ay nakakaranas ng pagkabalisa sa paghinga—gaya ng karaniwang sintomas sa mga pasyenteng may COVID-19—na ginagawa itong isang mahalagang mahalagang senyales para sa regular na pagsubaybay ng mga medikal na propesyonal. Ang Photoplethysmography (PPG) ay isang optical measurement technique na gumagamit ng maraming LED emitters upang maipaliwanag ang mga daluyan ng dugo sa ilalim ng balat at isang photodiode receiver upang makita ang sinasalamin na signal ng liwanag upang makalkula ang SpO2. Habang ito ay naging isang karaniwang tampok ng maraming mga nasusuot na gamit sa pulso, ang PPG na ilaw na signal ay madaling kapitan ng interference mula sa mga artifact ng paggalaw at lumilipas na mga pagbabago sa ambient lighting, na maaaring humantong sa mga maling pagbabasa, ibig sabihin, ang mga device na ito ay hindi nagbibigay ng mga sukat sa klinikal na grado .Sa isang klinikal na setting , Ang SpO2 ay sinusukat gamit ang finger-worn pulse oximeter (Figure 2), kadalasang patuloy na nakakabit sa daliri ng isang nakatigil na pasyente. Habang umiiral ang mga portable na bersyon na pinapagana ng baterya, ang mga ito ay angkop lamang para sa paggawa ng pasulput-sulpot na mga sukat.
Ang malusog na tibok ng puso (HR) ay karaniwang itinuturing na nasa hanay na 60-100 beats kada minuto, gayunpaman, ang agwat ng oras sa pagitan ng mga indibidwal na tibok ng puso ay hindi pare-pareho. Karaniwang tinutukoy bilang heart rate variability (HRV), nangangahulugan ito na ang Ang tibok ng puso ay isang average na sinusukat sa ilang mga cycle ng tibok ng puso. Sa mga malulusog na indibidwal, ang tibok ng puso at tibok ng pulso ay halos pareho, dahil sa bawat pag-urong ng kalamnan sa puso, ang dugo ay ibinobomba sa buong katawan. Gayunpaman, maaaring magdulot ang ilang malubhang kondisyon ng puso. mag-iba ang rate ng puso at pulso.
Halimbawa, sa mga arrhythmias gaya ng atrial fibrillation (Afib), hindi lahat ng pag-urong ng kalamnan sa puso ay nagbobomba ng dugo sa buong katawan - sa halip, ang dugo ay naiipon sa mga silid ng puso mismo, na maaaring magdulot ng panganib sa buhay .Ang atrial fibrillation ay maaaring maging mahirap upang matukoy dahil kung minsan ito ay nangyayari nang paulit-ulit at para lamang sa maikling maikling pagitan.
Ayon sa World Health Organization, ang Afib ay nagdudulot ng isa sa apat na stroke sa mga taong lampas sa edad na 40, isang katotohanan na nagpapakita ng kahalagahan ng kakayahang makita at gamutin ang sakit. Dahil ang mga sensor ng PPG ay gumagawa ng mga optical na sukat sa ilalim ng parehong palagay bilang HR at pulse rate, hindi sila maaasahan upang matukoy ang AF. Nangangailangan ito ng tuluy-tuloy na pag-record ng electrical activity ng puso -- isang graphical na representasyon ng mga electrical signal ng puso na tinatawag na electrocardiogram (ECG) -- sa mahabang pagitan.
Ang mga Holter monitor ay ang pinakakaraniwang klinikal na grade na portable na device na ginagamit para sa layuning ito. Bagama't mas kaunting mga electrodes ang ginagamit nila kaysa sa mga static na monitor ng ECG na ginagamit sa mga klinikal na setting, maaari silang maging malaki at hindi komportableng isuot, lalo na habang natutulog.
Ang 12-20 na paghinga kada minuto ay ang inaasahang respiratory rate (RR) para sa karamihan ng malulusog na indibidwal. Ang RR rate na higit sa 30 paghinga bawat minuto ay maaaring isang indicator ng paghinga sa paghinga dahil sa lagnat o iba pang dahilan. Habang ang ilang naisusuot na solusyon sa device ay gumagamit ng accelerometer o PPG teknolohiya upang maghinuha ng RR, ang mga pagsusukat ng clinical-grade RR ay isinasagawa gamit ang impormasyong nilalaman ng signal ng ECG o gamit ang isang bioimpedance (BioZ) sensor na gumagamit ng dalawang sensor upang makilala ang electrical impedance ng balat.Isa o higit pang mga electrodes na nakakabit sa katawan ng pasyente.
Bagama't available ang functionality ng ECG na na-clear ng FDA sa ilang high-end na health at fitness wearable, ang bioimpedance sensing ay isang feature na karaniwang hindi available dahil nangangailangan ito ng pagsasama ng hiwalay na BioZ sensor IC. Bilang karagdagan sa RR, sinusuportahan ng BioZ sensor ang Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) at Bioelectrical Impedance Spectroscopy (BIS), na parehong ginagamit upang sukatin ang compositional level ng body muscle, fat at tubig. Sinusuportahan din ng BioZ sensor ang impedance electrocardiography (ICG) at ginagamit upang sukatin ang galvanic skin response ( GSR), na maaaring maging isang kapaki-pakinabang na tagapagpahiwatig ng stress.
Ipinapakita ng Figure 1 ang isang functional block diagram ng isang clinical-grade vital signs na AFE IC na nagsasama ng functionality ng tatlong magkahiwalay na sensor (PPG, ECG, at BioZ) sa isang pakete.
Figure 1 MAX86178 ultra-low-power, 3-in-1 clinical-grade vital signs AFE (Source: Analog Devices)
Sinusuportahan ng dual-channel PPG optical data acquisition system nito ang hanggang 6 na LED at 4 na photodiode input, na may mga LED na programmable sa pamamagitan ng dalawang high-current, 8-bit LED driver. Ang receive path ay may dalawang low-noise, high-resolution na readout channel, bawat isa ay may kasamang independiyenteng 20-bit ADC at ambient light cancellation circuitry, na nagbibigay ng higit sa 90dB ng ambient rejection sa 120Hz. Ang SNR ng PPG channel ay kasing taas ng 113dB, na sumusuporta sa SpO2 measurement na 16µA lamang.
Ang ECG channel ay isang kumpletong chain ng signal na nagbibigay ng lahat ng pangunahing feature na kailangan para mangolekta ng mataas na kalidad na data ng ECG, tulad ng flexible gain, kritikal na pag-filter, mababang ingay, mataas na input impedance, at maraming opsyon sa lead bias. Mga karagdagang feature tulad ng mabilis na pagbawi , AC at DC lead detection, ultra-low power lead detection at right leg drive ay nagbibigay-daan sa matatag na operasyon sa mga hinihingi na application tulad ng mga wrist-worn device na may dry electrodes. Ang analog signal chain ay nagtutulak ng 18-bit sigma-delta ADC na may malawak na hanay. ng mga rate ng sample ng output na maaaring piliin ng user.
Nagtatampok ang BioZ receive channel ng EMI filtering at malawak na pagkakalibrate. Nagtatampok din ang BioZ receive channel ng mataas na input impedance, mababang ingay, programmable gain, low-pass at high-pass na mga opsyon sa filter, at mga high-resolution na ADC. Mayroong ilang mga mode para sa pagbuo ng input stimuli: balanseng square wave source/sink current, sine wave current, at sine wave at square wave boltahe stimulation. Available ang iba't ibang stimulation amplitude at frequency. Sinusuportahan din nito ang BIA, BIS, ICG at GSR na mga application.
Ang data ng timing ng FIFO ay nagbibigay-daan sa lahat ng tatlong sensor channel na ma-synchronize. Nakalagay sa isang 7 x 7 49-bump wafer-level package (WLP), ang AFE IC ay sumusukat lamang ng 2.6mm x 2.8mm, na ginagawa itong perpekto para sa disenyo bilang isang klinikal na grado naisusuot na patch sa dibdib (Larawan 2).
Figure 2 Chest patch na may dalawang basang electrodes, na sumusuporta sa BIA at tuloy-tuloy na RR/ICG, ECG, SpO2 AFE (Source: Analog Devices)
Ang Figure 3 ay naglalarawan kung paano maaaring idisenyo ang AFE na ito bilang isang suot na pulso na naisusuot upang magbigay ng on-demand na BIA at ECG na may tuluy-tuloy na HR, SpO2, at EDA/GSR.
Figure 3: Wrist-worn device na may apat na dry electrodes, na sumusuporta sa BIA at ECG, na may tuluy-tuloy na HR, SpO2, at GSR AFE (Source: Analog Devices)
Ang SpO2, HR, ECG at RR ay mahalagang mga sukat ng vital sign na ginagamit ng mga propesyonal sa pangangalagang pangkalusugan para sa mga layuning diagnostic.
Marami sa kasalukuyang available na mga vital sign na monitor ay gumagawa ng mga sukat na hindi magagamit ng mga propesyonal sa pangangalagang pangkalusugan dahil ang mga sensor na ginagamit nila ay hindi clinical grade, habang ang iba ay walang kakayahang tumpak na sukatin ang RR dahil hindi kasama sa mga ito ang mga BioZ sensor.
Sa solusyon sa disenyong ito, ipinapakita namin ang isang IC na nagsasama ng tatlong clinical-grade sensor - PPG, ECG, at BioZ sa iisang pakete at ipinapakita kung paano ito idinisenyo sa mga nasusuot sa dibdib at pulso, upang sukatin ang SpO2, HR, ECG, at RR , habang nagbibigay din ng iba pang mga kapaki-pakinabang na function na may kaugnayan sa kalusugan, kabilang ang BIA, BIS, GSR, at ICG. Bilang karagdagan sa paggamit sa mga nasusuot na may grade na klinikal, ang IC ay mainam para sa pagsasama sa matalinong pananamit upang magbigay ng uri ng impormasyon na mataas ang- kailangan ng mga atleta sa pagganap.
Si Andrew Burt ay Executive Business Manager, Industrial and Healthcare Business Unit, Analog Devices
Oras ng post: Ago-05-2022