Tầm quan trọng của các dấu hiệu sinh lý quan trọng như các chỉ số đánh giá sức khỏe con người từ lâu đã được các chuyên gia y tế hiểu rõ, nhưng đại dịch COVID-19 hiện nay cũng đã nâng cao nhận thức của cộng đồng về tầm quan trọng của nó.
Thật không may, hầu hết những người nhận thấy mình đang được theo dõi dấu hiệu sinh tồn liên tục có thể đã ở trong môi trường lâm sàng nơi họ đang được điều trị bệnh cấp tính. Thay vì sử dụng các dấu hiệu sinh tồn như một chỉ số về hiệu quả của việc điều trị bệnh và khả năng phục hồi của bệnh nhân, mô hình tương lai của chăm sóc sức khỏe sẽ sử dụng giám sát dấu hiệu quan trọng liên tục và từ xa như một công cụ để xác định các chỉ số tiềm ẩn về sự khởi phát bệnh, cho phép các bác sĩ lâm sàng can thiệp vào sự phát triển của bệnh nghiêm trọng.Cơ hội sớm nhất trước đó.
Người ta hình dung rằng sự tích hợp ngày càng tăng của các cảm biến cấp lâm sàng cuối cùng sẽ cho phép phát triển các miếng dán sức khỏe dấu hiệu quan trọng dùng một lần, có thể đeo được và có thể được xử lý và thay thế thường xuyên, chẳng hạn như kính áp tròng.
Mặc dù nhiều thiết bị đeo sức khỏe và thể dục có khả năng đo các dấu hiệu quan trọng nhưng tính toàn vẹn của kết quả đọc của chúng có thể bị nghi ngờ vì một số lý do, bao gồm chất lượng của cảm biến được sử dụng (hầu hết không phải là cấp độ lâm sàng), nơi chúng được lắp đặt và nơi đặt cảm biến. chất lượng.Tiếp xúc vật lý khi đeo.
Mặc dù các thiết bị này phù hợp với mong muốn của các chuyên gia không thuộc lĩnh vực y tế để tự quan sát thông thường bằng cách sử dụng một thiết bị đeo tiện lợi và thoải mái, nhưng chúng không phù hợp để các chuyên gia y tế được đào tạo đánh giá đúng sức khỏe cá nhân và đưa ra các chẩn đoán sáng suốt.
Mặt khác, các thiết bị hiện được sử dụng để cung cấp khả năng quan sát dấu hiệu quan trọng ở cấp độ lâm sàng trong khoảng thời gian dài hơn có thể cồng kềnh, không thoải mái và có mức độ di động khác nhau. Trong giải pháp thiết kế này, chúng tôi xem xét ý nghĩa lâm sàng của bốn phép đo dấu hiệu quan trọng—máu độ bão hòa oxy (SpO2), nhịp tim (HR), điện tâm đồ (ECG) và nhịp thở (RR)—và cân nhắc cung cấp Loại cảm biến tốt nhất về mặt lâm sàng - Kết quả đọc cho từng cấp độ.
Mức độ bão hòa oxy trong máu ở những người khỏe mạnh thường vào khoảng 95-100. Tuy nhiên, mức SpO2 từ 93% trở xuống có thể cho thấy một cá nhân đang bị suy hô hấp—chẳng hạn như một triệu chứng thường gặp ở bệnh nhân mắc COVID-19—khiến nó trở thành một vấn đề nguy hiểm. dấu hiệu quan trọng quan trọng để các chuyên gia y tế theo dõi thường xuyên. Quang tâm đồ (PPG) là một kỹ thuật đo quang học sử dụng nhiều bộ phát LED để chiếu sáng các mạch máu bên dưới bề mặt da và một bộ thu photodiode để phát hiện tín hiệu ánh sáng phản xạ để tính SpO2. Trong khi nó đã trở thành Một đặc điểm chung của nhiều thiết bị đeo ở cổ tay, tín hiệu ánh sáng PPG dễ bị nhiễu do các tạo tác chuyển động và những thay đổi nhất thời trong ánh sáng xung quanh, điều này có thể dẫn đến kết quả đọc sai, nghĩa là các thiết bị này không cung cấp các phép đo ở cấp độ lâm sàng. , SpO2 được đo bằng máy đo oxy xung đeo ở ngón tay (Hình 2), thường được gắn liên tục vào ngón tay của bệnh nhân cố định. Mặc dù có phiên bản di động chạy bằng pin nhưng chúng chỉ thích hợp để thực hiện các phép đo không liên tục.
Nhịp tim khỏe mạnh (HR) thường được coi là nằm trong khoảng 60-100 nhịp mỗi phút, tuy nhiên, khoảng thời gian giữa các nhịp tim của mỗi cá nhân không phải là hằng số. Thường được gọi là sự biến thiên nhịp tim (HRV), điều này có nghĩa là nhịp tim là giá trị trung bình được đo qua nhiều chu kỳ nhịp tim. Ở những người khỏe mạnh, nhịp tim và nhịp mạch gần như giống nhau, vì với mỗi lần cơ tim co bóp, máu sẽ được bơm đi khắp cơ thể. Tuy nhiên, một số bệnh tim nghiêm trọng có thể gây ra nhịp tim và nhịp tim khác nhau.
Ví dụ, trong chứng rối loạn nhịp tim như rung tâm nhĩ (AFib), không phải mọi cơn co cơ trong tim đều bơm máu đi khắp cơ thể - thay vào đó, máu tích tụ trong các buồng tim, có thể đe dọa tính mạng. Rung tâm nhĩ có thể khó khăn để phát hiện vì nó đôi khi xảy ra không liên tục và chỉ trong khoảng thời gian ngắn.
Theo Tổ chức Y tế Thế giới, Afib gây ra 1/4 cơn đột quỵ ở những người trên 40 tuổi, một thực tế chứng minh tầm quan trọng của việc có thể phát hiện và điều trị bệnh. Vì cảm biến PPG thực hiện các phép đo quang học theo cùng giả định như HR và nhịp tim, không thể dựa vào chúng để phát hiện AF. Điều này đòi hỏi phải ghi lại liên tục hoạt động điện của tim - biểu diễn đồ họa của các tín hiệu điện của tim được gọi là điện tâm đồ (ECG) - trong khoảng thời gian dài.
Máy theo dõi Holter là thiết bị di động cấp độ lâm sàng phổ biến nhất được sử dụng cho mục đích này. Mặc dù chúng sử dụng ít điện cực hơn máy theo dõi ECG tĩnh được sử dụng trong môi trường lâm sàng nhưng chúng có thể cồng kềnh và không thoải mái khi đeo, đặc biệt là khi ngủ.
12-20 nhịp thở mỗi phút là nhịp thở (RR) dự kiến đối với hầu hết những người khỏe mạnh. Tốc độ RR trên 30 nhịp thở mỗi phút có thể là dấu hiệu của tình trạng suy hô hấp do sốt hoặc các nguyên nhân khác. Trong khi một số giải pháp thiết bị đeo sử dụng gia tốc kế hoặc PPG Công nghệ suy ra RR, các phép đo RR ở cấp độ lâm sàng được thực hiện bằng cách sử dụng thông tin có trong tín hiệu ECG hoặc sử dụng cảm biến trở kháng sinh học (BioZ) sử dụng hai cảm biến để mô tả trở kháng điện của da. Một hoặc nhiều điện cực được gắn vào cơ thể bệnh nhân.
Mặc dù chức năng ECG đã được FDA chứng nhận có sẵn trong một số thiết bị đeo thể dục và sức khỏe cao cấp, nhưng cảm biến trở kháng sinh học là một tính năng thường không có sẵn vì nó yêu cầu phải có IC cảm biến BioZ riêng. Ngoài RR, cảm biến BioZ còn hỗ trợ Điện sinh học Phân tích trở kháng (BIA) và Quang phổ trở kháng điện sinh học (BIS), cả hai đều được sử dụng để đo mức độ thành phần của cơ, mỡ và nước trong cơ thể. Cảm biến BioZ cũng hỗ trợ đo điện tâm đồ trở kháng (ICG) và được sử dụng để đo phản ứng điện của da ( GSR), có thể là một chỉ báo hữu ích về tình trạng căng thẳng.
Hình 1 thể hiện sơ đồ khối chức năng của IC AFE dấu hiệu sinh tồn cấp độ lâm sàng tích hợp chức năng của ba cảm biến riêng biệt (PPG, ECG và BioZ) vào một gói duy nhất.
Hình 1 MAX86178 dấu hiệu sinh tồn cấp độ lâm sàng 3 trong 1 năng lượng cực thấp AFE (Nguồn: Analog Devices)
Hệ thống thu thập dữ liệu quang PPG kênh đôi của nó hỗ trợ tới 6 đèn LED và 4 đầu vào photodiode, với các đèn LED có thể lập trình thông qua hai trình điều khiển LED 8 bit dòng điện cao. Đường dẫn nhận có hai kênh đọc có độ ồn thấp, độ phân giải cao, mỗi bộ bao gồm các ADC 20 bit độc lập và mạch khử ánh sáng xung quanh, cung cấp khả năng loại bỏ ánh sáng xung quanh trên 90dB ở tần số 120Hz. SNR của kênh PPG cao tới 113dB, hỗ trợ đo SpO2 chỉ 16µA.
Kênh ECG là chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh cung cấp tất cả các tính năng chính cần thiết để thu thập dữ liệu ECG chất lượng cao, chẳng hạn như mức tăng linh hoạt, lọc tới hạn, độ nhiễu thấp, trở kháng đầu vào cao và nhiều tùy chọn sai lệch đạo trình. Các tính năng bổ sung như phục hồi nhanh , Phát hiện dây dẫn AC và DC, phát hiện dây dẫn công suất cực thấp và dẫn động chân phải cho phép vận hành mạnh mẽ trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như thiết bị đeo ở cổ tay có điện cực khô. Chuỗi tín hiệu tương tự điều khiển ADC sigma-delta 18 bit với phạm vi rộng tỷ lệ mẫu đầu ra do người dùng lựa chọn.
Các kênh nhận BioZ có tính năng lọc EMI và hiệu chuẩn mở rộng. Các kênh nhận BioZ cũng có trở kháng đầu vào cao, độ ồn thấp, mức tăng có thể lập trình, các tùy chọn bộ lọc thông thấp và thông cao cũng như ADC có độ phân giải cao. Có một số chế độ để tạo kích thích đầu vào: cân bằng nguồn sóng vuông/dòng chìm, dòng sóng hình sin, và kích thích điện áp sóng hình sin và sóng vuông. Có sẵn nhiều biên độ và tần số kích thích. Nó cũng hỗ trợ các ứng dụng BIA, BIS, ICG và GSR.
Dữ liệu thời gian FIFO cho phép đồng bộ hóa cả ba kênh cảm biến. Được đặt trong gói cấp độ wafer 7 x 7 49 vết sưng (WLP), IC AFE chỉ có kích thước 2,6mm x 2,8mm, khiến nó trở nên lý tưởng cho thiết kế ở cấp độ lâm sàng miếng vá ngực có thể đeo được (Hình 2).
Hình 2 Miếng dán ngực với hai điện cực ướt, hỗ trợ BIA và RR/ICG, ECG, SpO2 AFE liên tục (Nguồn: Analog Devices)
Hình 3 minh họa cách AFE này có thể được thiết kế như một thiết bị đeo ở cổ tay để cung cấp BIA và ECG theo yêu cầu với HR, SpO2 và EDA/GSR liên tục.
Hình 3: Thiết bị đeo tay có 4 điện cực khô, hỗ trợ BIA và ECG, đo nhịp tim liên tục, SpO2 và GSR AFE (Nguồn: Analog Devices)
SpO2, HR, ECG và RR là các phép đo dấu hiệu sinh tồn quan trọng được các chuyên gia chăm sóc sức khỏe sử dụng cho mục đích chẩn đoán. Theo dõi dấu hiệu sinh tồn liên tục bằng thiết bị đeo sẽ là thành phần chính của các mô hình chăm sóc sức khỏe trong tương lai, dự đoán bệnh khởi phát trước khi các triệu chứng xuất hiện.
Nhiều máy theo dõi dấu hiệu sinh tồn hiện có tạo ra các phép đo mà các chuyên gia chăm sóc sức khỏe không thể sử dụng vì cảm biến họ sử dụng không thuộc loại lâm sàng, trong khi những máy khác đơn giản là không có khả năng đo RR chính xác vì chúng không bao gồm cảm biến BioZ.
Trong giải pháp thiết kế này, chúng tôi trình diễn một IC tích hợp ba cảm biến cấp độ lâm sàng - PPG, ECG và BioZ vào một gói duy nhất và cho thấy cách nó có thể được thiết kế thành các thiết bị đeo ở ngực và cổ tay để đo SpO2, HR, ECG và RR , đồng thời cung cấp các chức năng hữu ích khác liên quan đến sức khỏe, bao gồm BIA, BIS, GSR và ICG. Ngoài việc được sử dụng trong các thiết bị đeo cấp độ lâm sàng, IC còn lý tưởng để tích hợp vào quần áo thông minh nhằm cung cấp loại thông tin có chất lượng cao. vận động viên thành tích cần.
Andrew Burt là Giám đốc Kinh doanh Điều hành, Đơn vị Kinh doanh Công nghiệp và Chăm sóc Sức khỏe, Thiết bị Analog
Thời gian đăng: 05-08-2022