Важливість фізіологічних показників життєдіяльності як індикаторів здоров’я людини вже давно усвідомлена медичними працівниками, але нинішня пандемія COVID-19 також підвищила обізнаність громадськості про її важливість.
На жаль, більшість людей, які проходять постійний моніторинг життєво важливих показників, можливо, вже перебувають у клінічних умовах, де їх лікують від гострого захворювання. Замість використання життєво важливих показників як показника ефективності лікування хвороби та одужання пацієнта, майбутня модель охорона здоров'я використовуватиме безперервний і дистанційний моніторинг життєво важливих показників як інструмент для виявлення потенційних індикаторів початку захворювання, що дозволить клініцистам втручатися в розвиток важких захворювань.Найперша можливість раніше.
Передбачається, що все більша інтеграція датчиків клінічного рівня в кінцевому підсумку дозволить розробити одноразові пластирі для визначення життєво важливих показників, які можна буде регулярно утилізувати та замінювати, наприклад, контактні лінзи.
Незважаючи на те, що багато носіїв для здоров’я та фітнесу включають можливості вимірювання життєво важливих показників, цілісність їхніх показань може бути під сумнівом через низку причин, зокрема через якість використовуваних датчиків (більшість не мають клінічного класу), місце їх встановлення та місце розташування датчиків. якість.Фізичний контакт під час носіння.
Незважаючи на те, що ці пристрої підходять для випадкового самоспостереження немедичних працівників за допомогою зручного та комфортного переносного пристрою, вони не підходять для навчених медичних працівників для належної оцінки індивідуального здоров’я та встановлення обґрунтованого діагнозу.
З іншого боку, пристрої, які зараз використовуються для спостереження клінічних показників життєво важливих показників протягом більш тривалих інтервалів часу, можуть бути громіздкими та незручними, а також мати різний ступінь портативності. У цьому дизайнерському рішенні ми розглядаємо клінічне значення чотирьох вимірювань життєво важливих показників – крові насичення киснем (SpO2), частота серцевих скорочень (ЧСС), електрокардіограма (ЕКГ) і частота дихання (ЧД) — і розгляньте можливість надання клінічних найкращих типів датчиків – покази для кожного ступеня.
Рівень насичення крові киснем у здорових людей зазвичай становить близько 95-100%. Однак рівень SpO2 93% або нижче може вказувати на те, що людина відчуває респіраторний дистрес (наприклад, загальний симптом у пацієнтів з COVID-19), що робить його важливий життєво важливий показник для регулярного моніторингу медичними працівниками. Фотоплетизмографія (PPG) — це метод оптичного вимірювання, який використовує кілька світлодіодних випромінювачів для освітлення кровоносних судин під поверхнею шкіри та фотодіодний приймач для виявлення відбитого світлового сигналу для обчислення SpO2. загальна особливість багатьох носіїв на зап’ясті, світловий сигнал PPG чутливий до перешкод через артефакти руху та тимчасові зміни навколишнього освітлення, що може призвести до помилкових показань, тобто ці пристрої не забезпечують вимірювання клінічного рівня. У клінічних умовах , SpO2 вимірюється за допомогою накладного пульсоксиметра (рис. 2), який зазвичай постійно прикріплюється до нерухомого пальця пацієнта. Хоча існують портативні версії з живленням від батареї, вони придатні лише для проведення періодичних вимірювань.
Здорова частота серцевих скорочень (ЧСС) зазвичай вважається в діапазоні 60-100 ударів на хвилину, однак інтервал часу між окремими серцевими скороченнями не є постійним. Це зазвичай називають варіабельністю серцевого ритму (ВСР). частота серцевих скорочень – це середнє значення, виміряне за кілька циклів серцебиття. У здорових людей частота серцевих скорочень і частота пульсу майже однакові, оскільки з кожним скороченням серцевого м’яза кров перекачується по всьому тілу. Однак деякі серйозні захворювання серця можуть спричинити частота серцевих скорочень і пульсу відрізняються.
Наприклад, при таких аритміях, як фібриляція передсердь (Afib), не кожне скорочення м’язів серця перекачує кров по всьому тілу – натомість кров накопичується в камерах самого серця, що може бути небезпечним для життя. Фібриляція передсердь може бути важкою виявити, тому що іноді це відбувається з перервами і лише протягом коротких проміжків часу.
За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я, Afib викликає кожен четвертий інсульт у людей старше 40 років, і цей факт демонструє важливість можливості виявити та лікувати хворобу. Оскільки датчики PPG проводять оптичні вимірювання за тим самим припущенням, що й ЧСС та частоти пульсу, на них не можна покладатися для виявлення ФП. Для цього потрібні безперервні записи електричної активності серця – графічне представлення електричних сигналів серця, які називаються електрокардіограмою (ЕКГ) – протягом тривалих інтервалів часу.
Монітори Холтера є найпоширенішими портативними пристроями клінічного класу, які використовуються для цієї мети. Хоча вони використовують менше електродів, ніж статичні монітори ЕКГ, які використовуються в клінічних умовах, вони можуть бути громіздкими та незручними для носіння, особливо під час сну.
12-20 вдихів на хвилину – це очікувана частота дихання (ЧД) для більшості здорових людей. Частота дихання вище 30 вдихів на хвилину може свідчити про респіраторний дистрес через лихоманку чи інші причини. У той час як деякі пристрої, що носяться, використовують акселерометр або PPG технологія визначення RR, клінічні вимірювання RR виконуються з використанням інформації, що міститься в сигналі ЕКГ, або з використанням датчика біоімпедансу (BioZ), який використовує два датчики для визначення електричного опору шкіри. Один або більше електродів, прикріплених до тіла пацієнта.
У той час як функція ЕКГ, дозволена FDA, доступна в деяких високоякісних пристроях для здоров’я та фітнесу, визначення біоімпедансу є функцією, яка зазвичай недоступна, оскільки вимагає включення окремого датчика BioZ IC. Окрім RR, датчик BioZ підтримує біоелектричні Аналіз імпедансу (BIA) і спектроскопія біоелектричного опору (BIS), обидва з яких використовуються для вимірювання рівнів складу м’язів тіла, жиру та води. Датчик BioZ також підтримує імпедансну електрокардіографію (ICG) і використовується для вимірювання гальванічної реакції шкіри ( GSR), що може бути корисним показником стресу.
На рисунку 1 показана функціональна блок-схема IC AFE клінічного рівня життєво важливих ознак, яка об’єднує функції трьох окремих датчиків (PPG, ECG і BioZ) в одному корпусі.
Малюнок 1 MAX86178 з ультранизьким енергоспоживанням, 3-в-1 клінічного рівня життєво важливих ознак AFE (Джерело: Analog Devices)
Його двоканальна система збору оптичних даних PPG підтримує до 6 світлодіодів і 4 входи фотодіодів, причому світлодіоди програмуються за допомогою двох сильнострумових 8-розрядних світлодіодних драйверів. Шлях прийому має два малошумні канали зчитування з високою роздільною здатністю, кожен включає незалежні 20-розрядні АЦП і схему компенсації навколишнього світла, що забезпечує подавлення навколишнього світла понад 90 дБ при 120 Гц. SNR каналу PPG досягає 113 дБ, що підтримує вимірювання SpO2 лише 16 мкА.
Канал ЕКГ — це повний сигнальний ланцюг, який забезпечує всі ключові функції, необхідні для збору високоякісних даних ЕКГ, такі як гнучке підсилення, критична фільтрація, низький рівень шуму, високий вхідний опір і кілька параметрів зміщення відведення. Додаткові функції, такі як швидке відновлення , виявлення електродів змінного та постійного струму, виявлення проводів із наднизьким енергоспоживанням та керування правою ногою забезпечують надійну роботу у вимогливих додатках, таких як наручні пристрої з сухими електродами. Ланцюг аналогового сигналу керує 18-бітним сигма-дельта АЦП із широким діапазоном частоти дискретизації, яку вибирає користувач.
Канали прийому BioZ мають фільтрацію електромагнітних перешкод і розширене калібрування. Канали прийому BioZ також мають високий вхідний опір, низький рівень шуму, програмоване посилення, опції фільтра низьких і високих частот, а також АЦП високої роздільної здатності. Існує кілька режимів для генерації вхідних сигналів: збалансована стимуляція струму джерела/споживання прямокутної хвилі, струму синусоїдальної хвилі та напруги синусоїдальної та прямокутної хвилі. Доступні різноманітні амплітуди та частоти стимуляції. Він також підтримує додатки BIA, BIS, ICG та GSR.
Дані синхронізації FIFO дозволяють синхронізувати всі три канали датчиків. Розміщений у корпусі 7 x 7 із 49 пластинами (WLP), мікросхема AFE має розміри лише 2,6 мм x 2,8 мм, що робить її ідеальною для проектування клінічного рівня нагрудний пластир (рис. 2).
Малюнок 2 Накладка на грудну клітку з двома вологими електродами, що підтримує BIA та безперервну RR/ICG, ЕКГ, SpO2 AFE (Джерело: Analog Devices)
На малюнку 3 показано, як цей AFE можна сконструювати як пристрій для носіння на зап’ясті, щоб забезпечити BIA та ЕКГ на вимогу з безперервною ЧСС, SpO2 та EDA/GSR.
Рисунок 3: Наручний пристрій із чотирма сухими електродами, що підтримує BIA та ЕКГ, з безперервною частотою пульсу, SpO2 та GSR AFE (Джерело: Analog Devices)
SpO2, ЧСС, ЕКГ і ЧР є важливими вимірюваннями життєво важливих показників, які використовуються медичними працівниками в діагностичних цілях. Безперервний моніторинг життєво важливих показників за допомогою переносних пристроїв стане ключовим компонентом майбутніх моделей охорони здоров’я, які передбачатимуть початок захворювання до появи симптомів.
Багато з доступних на даний момент моніторів життєво важливих показників виробляють вимірювання, які не можуть бути використані медичними працівниками, оскільки датчики, які вони використовують, не є клінічними, тоді як інші просто не мають можливості точно вимірювати RR, оскільки вони не містять датчиків BioZ.
У цьому дизайнерському рішенні ми демонструємо мікросхему, яка об’єднує три датчики клінічного класу – PPG, ЕКГ і BioZ в одному корпусі, і показуємо, як її можна розробити в нагрудних і зап’ястяних пристроях для вимірювання SpO2, ЧСС, ЕКГ і ЧСС. , а також забезпечуючи інші корисні функції, пов’язані зі здоров’ям, зокрема BIA, BIS, GSR та ICG. Окрім використання в переносних пристроях клінічного класу, IC ідеально підходить для інтеграції в розумний одяг, щоб надавати інформацію, яка високо продуктивність, потрібна спортсменам.
Ендрю Берт — виконавчий бізнес-менеджер бізнес-підрозділу промисловості та охорони здоров’я Analog Devices
Час публікації: 05 серпня 2022 р